JWM系列升降機(jī)殼體動(dòng)力學(xué)探索多體動(dòng)力學(xué)JWM系列升降機(jī)殼體動(dòng)力學(xué)探索摘要：針對(duì)ＪＷＭ型升降機(jī)殼體在工作過程中出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象，研究了殼體的動(dòng)力學(xué)特性。首先，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立了殼體的三維實(shí)體模型；

然后，運(yùn)用Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ模塊對(duì)殼體進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得到了殼體整體前５階固有頻率和振型以及下殼體在啟動(dòng)工況下的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。分析結(jié)果表明，激振源頻率遠(yuǎn)小于殼體最小固有頻率，殼體不會(huì)發(fā)生共振破壞；

下殼體最大應(yīng)力發(fā)生在靠近安裝位置的棱角處，需要加強(qiáng)這一區(qū)域的設(shè)計(jì)。通過對(duì)殼體的動(dòng)力學(xué)分析，為ＪＷＭ系列升降機(jī)的行程設(shè)計(jì)和和殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：升降機(jī)殼體；

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；

模態(tài)分析；

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析引言ＪＷＭ系列升降機(jī)是通過蝸輪蝸桿副傳動(dòng)梯形絲桿實(shí)現(xiàn)物體的升降，具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、性能可靠、安裝方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、建筑工程、貨物升降、安裝維修等各個(gè)方面［１］。升降機(jī)殼體是升降機(jī)的關(guān)鍵部件，主要起導(dǎo)向和防旋轉(zhuǎn)作用。在工作過程中，殼體會(huì)受到機(jī)械負(fù)荷和沖擊載荷的共同作用［２］產(chǎn)生振動(dòng)，不但使設(shè)備的工作性能變差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作甚至造成結(jié)構(gòu)破壞［３］。課題組在給某企業(yè)做工程項(xiàng)目時(shí)發(fā)現(xiàn)，某型號(hào)升降機(jī)在工作過程中殼體出現(xiàn)了宏觀裂紋，為了作業(yè)安全可靠，必須進(jìn)行研究分析。為了找出此系列升降機(jī)殼體產(chǎn)生裂紋的原因，避免進(jìn)一步發(fā)生振動(dòng)破壞，需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。基于有限元分析理論，利用Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ軟件對(duì)升降機(jī)殼體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分析了殼體整體的頻率、振型以及下殼體的應(yīng)力應(yīng)變情況，為ＪＷＭ系列升降機(jī)的行程設(shè)計(jì)及殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考依據(jù)。１升降機(jī)殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)１．１升降機(jī)工作原理及殼體結(jié)構(gòu)ＪＷＭ系列升降機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖１所示，其工作原理為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪通過蝸輪軸帶動(dòng)梯形絲桿上下運(yùn)動(dòng)，絲桿頂端裝有法蘭，從而拖動(dòng)物體升降，其中蝸輪軸內(nèi)孔為螺紋結(jié)構(gòu)，與梯形絲桿構(gòu)成絲桿副。升降機(jī)殼體主要有端蓋、底座和下殼體３部分組成，端蓋對(duì)軸承起到固定和預(yù)緊作用；

底座的性能決定著升降機(jī)的最大負(fù)荷；

下殼體與方形塊間隙配合，一是防止梯形絲桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，二是對(duì)梯形絲桿起導(dǎo)向作用。此外，為了防止梯形絲桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)超行程，在下殼體上裝有限位開關(guān)，起限位保護(hù)作用。圖１ＪＷＭ系列升降機(jī)結(jié)構(gòu)１．２升降機(jī)殼體建模及簡(jiǎn)化Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ采用ＦＦＥ（ｆａｓｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ）算法技術(shù)，使得工程技術(shù)人員能夠快速對(duì)復(fù)雜耗時(shí)的工程設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析，并且同ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ無(wú)縫集成，即強(qiáng)大的三維建模功能和有限元分析功能共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，避免了將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入其它有限元分析軟件的繁瑣過程。利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)建立升降機(jī)殼體各部分的三維實(shí)體模型，然后進(jìn)行整體裝配。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，并減少計(jì)算量，對(duì)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型的一般原則是在保證原有結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不發(fā)生改變的前提下［４］，省略一些螺栓孔、圓角等對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響很小的幾何特征。升降機(jī)殼體實(shí)體模型如圖２所示。２升降機(jī)殼體模態(tài)分析２．１分析過程模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中最為基礎(chǔ)的部分，是對(duì)結(jié)構(gòu)和機(jī)器零部件進(jìn)行無(wú)阻尼狀態(tài)下的自由振動(dòng)分析，得出它們的固有頻率及其對(duì)應(yīng)振型。升降機(jī)殼體材料為鑄造碳鋼，鑄鋼的密度為７８００ｋｇ／ｍ３，彈性模量為２．１ｅ＋０１１Ｎ／ｍ２，泊松比為０．３２，屈服強(qiáng)度極限為２５０ＭＰａ。在模態(tài)分析中，因振動(dòng)被假定為自由振動(dòng)，所以只有邊界條件起作用［５］，根據(jù)殼體的實(shí)際安裝情況施加約束條件，然后劃分網(wǎng)格，進(jìn)行分析計(jì)算。２．２分析結(jié)果結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以用各階固有振型的線性組合來表達(dá)，其中低階固有振型對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，決定了結(jié)構(gòu)的剛度，故進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析時(shí)取前５階即可。提取前５階固有頻率和振型，結(jié)果如表１所示。升降機(jī)殼體要具備良好的動(dòng)力學(xué)性能，固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離其工作時(shí)激振源的頻率，以避免發(fā)生共振［６］。升降機(jī)殼體的激振源主要有：

蝸輪蝸桿的回轉(zhuǎn)振動(dòng)和嚙合振動(dòng)、電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)及滾動(dòng)軸承的振動(dòng)。其中，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)對(duì)殼體性能影響很小，可忽略不計(jì)［６］；

電機(jī)主軸和蝸桿之間使用聯(lián)軸器連接，忽略聯(lián)軸器振動(dòng)的影響。激振源頻率如表２所示。由表２可知，電機(jī)主軸、蝸輪蝸桿回轉(zhuǎn)振動(dòng)及嚙合振動(dòng)引起的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于升降機(jī)殼體的最低固有頻率９８５．６５Ｈｚ，故不會(huì)導(dǎo)致殼體產(chǎn)生共振破壞。３下殼體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定結(jié)構(gòu)承受任意隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)［７］。對(duì)于線性動(dòng)力學(xué)問題，動(dòng)力行為由線彈性結(jié)構(gòu)行為和施加的動(dòng)力載荷２個(gè)特性確定，線彈性結(jié)構(gòu)行為用來確定結(jié)構(gòu)特征值，然后，基于結(jié)構(gòu)的特征值和特征模態(tài)計(jì)算給定載荷歷程的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)［８］。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)一般方程為：［Ｍ］｛¨ｘ｝＋［Ｃ］｛?ｘ｝＋［Ｋ］｛ｘ｝＝｛Ｆ（ｔ）｝（１）［Ｍ］為質(zhì)量矩陣；

［Ｃ］為阻尼矩陣；

［Ｋ］為剛度矩陣；

｛Ｆ｝為外載荷矢量矩陣；

（ｔ）為外載荷作用時(shí)間；

｛ｘ｝為節(jié)點(diǎn)位移矢量；

｛?ｘ｝為節(jié)點(diǎn)速度矢量；

¨ｘ為節(jié)點(diǎn)加速度矢量。３．１動(dòng)載荷確定由于蝸輪蝸桿存在嚙合間隙及梯形絲桿副存在配合間隙，升降機(jī)在工作過程中方形塊會(huì)對(duì)下殼體有一個(gè)動(dòng)態(tài)載荷作用。在升降機(jī)啟動(dòng)和換向瞬間，方形塊會(huì)對(duì)下殼體有一個(gè)瞬態(tài)沖擊載荷；

升降機(jī)在啟動(dòng)和換向后進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，方形塊會(huì)對(duì)下殼體有一個(gè)變化很小的力。ＪＷＭ０５０型升降機(jī)空載時(shí)方形塊的扭矩為１．２Ｎ?ｍ，滿載時(shí)方形塊的扭矩為２５．５２Ｎ?ｍ，故方形塊總扭矩大小為２６．７２Ｎ?ｍ，在瞬態(tài)沖擊載荷工況下?。当斗叫螇K總扭矩即為１３３．６Ｎ?ｍ。根據(jù)升降機(jī)、伺服電機(jī)及實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)可知，動(dòng)態(tài)變化扭矩作用的時(shí)間約為０．０２ｓ，在Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ函數(shù)加載器中繪制出扭矩隨時(shí)間變化的線性曲線，如圖３所示。其中Ｘ軸為時(shí)間，Ｙ軸為扭矩載荷，在０～０．０１ｓ扭矩由零上升到最大值，０．０１～０．０１１ｓ扭矩由最大值下降到１％，即穩(wěn)態(tài)變化載荷，０．０１１～０．０２ｓ載荷保持不變。３．２分析設(shè)置升降機(jī)在工作過程中，可能隨時(shí)停車、啟動(dòng)及換向，動(dòng)態(tài)載荷工況復(fù)雜，為了減少計(jì)算量和節(jié)省時(shí)間，本節(jié)只分析升降機(jī)在啟動(dòng)時(shí)（即升降高度為零）、升降高度１００ｍｍ和升降高度２００ｍｍ（即滿行程）３種工況下，下殼體的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性。實(shí)際應(yīng)用中可以看出，下殼體最容易發(fā)生振動(dòng)破壞的部位是棱角處，為了更好地了解這些部位在瞬態(tài)動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變情況，以下殼體上端面為原點(diǎn)在１５ｍｍ、６５ｍｍ、１１５ｍｍ、１６５ｍｍ、２１５ｍｍ處的棱邊上分別放置了４個(gè)傳感器探測(cè)點(diǎn)Ｐ１～Ｐ２０，如圖４所示。３．３瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)升降機(jī)下殼體在啟動(dòng)時(shí)、升降高度１００ｍｍ和升降高度２００ｍｍ工況下進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，提取２０個(gè)傳感器探測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析可以看出，①同一種工況下，Ｐ１～Ｐ４探測(cè)點(diǎn)（即離下殼體安裝位置最近處）等效應(yīng)力最大，變形最小；

Ｐ１７～Ｐ２０探測(cè)點(diǎn)（即離下殼體安裝位置最遠(yuǎn)處）等效應(yīng)力最小，變形最大，這與實(shí)際情況相符合；

②比較３種工況，啟動(dòng)時(shí)工況下等效應(yīng)力、變形量最大，這為升降機(jī)的行程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，行程越大啟動(dòng)時(shí)的沖擊振動(dòng)越厲害，行程較大時(shí)必須加防護(hù)措施；

③同一截面的４個(gè)探測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力、變形量基本相同，說明下殼體４個(gè)棱角的受力情況是等效的。啟動(dòng)時(shí)工況下，下殼體的等效應(yīng)力云圖、位移云圖如圖５～６所示。由圖５可以看出，下殼體的最大等效應(yīng)力約為１００ＭＰａ，主要發(fā)生在靠近安裝位置的內(nèi)部直棱角處，與實(shí)際產(chǎn)生裂紋處相吻合；

由圖６可以看出，下殼體的最大變形量約為０．０９５ｍｍ，主要分布在遠(yuǎn)離安裝位置的外部圓角處，依次向靠近安裝位置處遞減。４結(jié)束語(yǔ)①利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立了升降機(jī)殼體３Ｄ實(shí)體模型，并運(yùn)用Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ模塊對(duì)殼體整體進(jìn)行了模態(tài)分析，其最小固有頻率遠(yuǎn)大于激勵(lì)頻率，不會(huì)發(fā)生共振破壞。②對(duì)下殼體進(jìn)