针对我国东北等寒冷地区对清雪的要求,研发出一种新型的小型便携清雪机。主轴是清雪机的关键零件,其强度、刚度等性能直接影响主机的工作,本文根据清雪机的工作要求和轴的设计理论,确定了主轴的主要参数,并使用PRO/Engineer建立主轴的三维模型,最后用ANSYS对主轴进行了静力分析和模态分析。 Based on the requirements of snow clearance in cold regions such as northeast region in China, a new type of small portable snow blower is developed. Spindle is the key part of snow cleaning machine, and its strength and stiffness directly affect the working of the main machine. In this pa-per, the main parameters of the spindle are determined according to the requirements of the work of the snow cleaning machine and the design theory of the shaft. Then the three-dimensional model of the spindle is established by using PRO/Engineer. Finally, the static analysis and modal analysis of the spindle are carried out with ANSYS.
姜祎博,朱楚轩,冯新敏,张亮
哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江 哈尔滨
收稿日期:2018年7月14日;录用日期:2018年8月6日;发布日期:2018年8月13日
针对我国东北等寒冷地区对清雪的要求,研发出一种新型的小型便携清雪机。主轴是清雪机的关键零件,其强度、刚度等性能直接影响主机的工作,本文根据清雪机的工作要求和轴的设计理论,确定了主轴的主要参数,并使用PRO/Engineer建立主轴的三维模型,最后用ANSYS对主轴进行了静力分析和模态分析。
关键词 :清雪机主轴,强度,模态
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在我国东北地区,冬季降雪频繁,且降雪量较大,如果无法及时清雪,将会使得行人出行困难,造成交通堵塞,甚至会导致交通事故。因此冬天及时清雪有重要的实际意义。
我国现有清雪设备已经十分丰富 [
主轴为本小型便携清雪机最重要的零件,工作时将进行高速转动,因此主轴的性能将直接影响清雪机的工作性能。本文针对主轴进行设计、分析与建模,并且采用ANSYS对主轴进行静力学分析与模态分析,从而分析此小型便携清雪机构的主轴在工作情况下的工作情况。
首先,进行积雪状况分析:此小型便携式折叠清雪机主要应用于雪后及时清雪的作业。根据前苏联学者的研究和测量分析,新降雪处于新结晶状态,此时的密度为较小,而且此时的新雪几乎没有抗压能力。虽然有道路会由于人流量,导致积雪形成密度为0.45~0.75 g/cm3的压雪 [
其次,进行清雪速度确定:由于本小型便携清雪机动力装置为电机,在此基础上由操作者控制方向,因此将理想的清雪速度设置在3~5 km/h之间(即运行速度约为v0 = 0.8~1.4 m/s)。
最后,进行主轴结构设计:我们在此小型便携清雪机的主轴上设置了用于放置刷毛凹槽,为保证清雪的充分性,凹槽上一边为径向,另一边为轴向。刷毛在非工作时可以沿径向收起,从而达到减小体积的目的,因此将主轴确定为空心结构,用许用切应力法计算出轴外径为600 mm,厚度2 mm;根据工作需要,取轴的长度为800 mm。
在Pro/ENGINEER环境中,应用了基本的绘图,拉伸,以及曲面,用户自定义特征等高级功能建立基本模型。先选定基准面,进行草绘主轴的横截面,直径为600 mm的圆;后选择拉伸功能,对草绘的圆截面进行拉伸,拉伸长度为900 mm (工作长度为800 mm);进行毛刷预留孔的绘制,先在基准面中绘出一个毛刷预留孔,每个刷毛凹槽宽b = 20 mm,平均25 mm一束刷毛,选择阵列,按每列32孔(用于装毛刷)处理,选择壳工具,选择两端面为抽壳面,输入壳厚度2 mm,完成三维模型样板的建立。
用ANSYS对构件进行静力学分析是用来计算结构在固定不变的载荷作用下的响应,如位移,应力,应变等。也就是探讨结构受到外力之后的变形,应力,应变大小。与固定不变的载荷对应,结构的静力学分析的结构响应也是固定不变的。静力学分析中的,固定不变的载荷和相应只是一种假设,即假定载荷和结构的响应随时间变化非常缓慢。一般来说,用ANSYS 进行静力学分析有一下步骤:第一步:导入几何模型;第二步:设置单元格类型;第三步:设定相关参数及材料类型;第四步:划分网格,进行求解。本主轴中,各个尺寸均为在Pro/Engineer中所构造的基本尺寸,由于工作要求,将材料选为45号钢,将模型(图1)导入ANSYS中进行静力学分析。导入模型后,建立运动副约束(如图2)。进行网格的划分,选择6级精度。通过在主轴两端施加载荷(如图3),得到主轴的变形云图如图4示,应力云图如图5示。通过采用ANSYS的分析计算,得到本主轴的最大变形为2.106 × 10−3 mm,最大应力为8.222 MPa,全部符合设计要求。
图1. 主轴三维模型
图2. 建立约束
图3. 施加载荷
图4. 变形云图
图5. 应力云图
模态分析适用于确定机械部件的振动特性,机构构件的固有频率和振型,这些都是结构承受动态载荷设计中的重要参数。模态分析是将线性时不变系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解耦,成为一组以模态坐标机模态参数所描述的独立方程组 [
图6. 设置网格
图7. 添加边界条件
图8. 固有频率
图9. 主轴1阶振形图
图10. 主轴2阶振形图
图11. 主轴3阶振形图
图12. 主轴4阶振形图
图13. 主轴5阶振形图
通过使用Pro/ENGINEER建模,并使用ANSYS对此小型便携清雪机主轴进行两方面分析,主轴的静力学分析,和主轴的动力分析之模态分析,从分析结果可以看出轴的强度,刚度足够,满足清雪机的工作要求。
姜祎博,朱楚轩,冯新敏,张 亮. 小型便携清雪机主轴设计 Design of the Spindle of a Small Portable Snow Cleaning Machine[J]. 机械工程与技术, 2018, 07(04): 252-259. https://doi.org/10.12677/MET.2018.74031