起重机底盘翻转机回转轴可靠性分析

王豪

（徐工集团徐州重型机械有限公司，江苏徐州221004）

0 引言

目前底盘装配线普遍采用车架倒置方法来安装悬挂系统和车轿等底盘下侧的部件，然后采用底盘翻转机将装配好的底盘翻转180°，再进行上车部分装配，这样操作方便快捷，得到了普遍应用。回转轴作为底盘翻转机的核心部件，其工作性能直接关系到设备能否正常工作。在底盘翻转作业过程中，回转轴的失效将导致整个底盘生产线停滞，会造成巨大经济损失。传统的机械设计方法通常采用确定的许用应力法和安全系数法对机械零部件和相对简单的机械系统进行设计和研究。在传统设计中，将影响零件工作性能的设计变量，如应力、强度极限、安全系数、载荷和几何尺寸等按确定数值处理，采用确定性的函数关系式对零件进行研究。这种设计方法直观明确，应用方便。但是由于没有考虑客观事物不确定性质，因此不能真实反映客观情况。计算中只要安全系数符合实际使用经验规定数值，就认为是安全的，具有较大的经验性。为了使零件具有较高安全系数，选材方面使用优质材料或者盲目加大几何尺寸，增大了经济成本造成资源浪费。针对这种情况，本文采用ANSYS Workbench软件六西玛设计模块，将回转轴几何尺寸、载荷等参数视为随机变量，采用响应面法，结合应力-强度干涉理论，计算回转轴的可靠性。

1 结构可靠性分析基本原理及方法

1.1 基本原理

结构可靠性是指在给定条件下和给定使用寿命下不产生被破坏或功能失效的能力，通常采用可靠性特征值中的可靠度对结构可靠性进行衡量。在对结构进行可靠性分析时，设定影响结构可靠性的基本随机变量为X1，X2，…，Xn，则该结构功能函数为 Z=g（X1，X2，…，Xn）。假定结构抗力随机变量为R，荷载效应随机变量为S，应力-强度干涉模型认为，当R>S时就不会发生失效，可靠度即为发生失效的概率，则功能函数也表示为Z=R-S，因此g（X1，X2，…，Xn）≥0 的概念即为结构可靠度［1］。在应力和强度分布类型和分布参数已知条件下，采用ANSYS Workbench六西格玛模块求解出可靠度大小。

在结构可靠度数值模拟计算中，响应面法作为一种试验方法得到广泛应用。它求解的基本思想是采用数学函数来表达随机输入变量对于随机输出变量的影响，然后进行可靠性分析［2］。主要用于处理几个变量对同一体系或者结构影响。ANSYS Workbench六西格玛模块就是基于这种算法对结构可靠度进行求解，它要求在设计中1 000 000件产品中失效产品个数为3.4件的概率。

1.2 ANSYS Workbench可靠性分析步骤

ANSYS Workbench作为一个集成框架，它将经典ANSYS的大部分软件整合在一起，在实现其功能的同时，又具有良好的人机交换界面。它的六西格玛模块为用户提供了进行结构可靠性分析的设计平台。在对结构进行可靠性分析时，一般有定义分析文件、可靠性分析和结果后处理三个步骤：

1）生成分析文件阶段。运用DesighModeler模块和Static Structural模块，建立有限元分析所需要文件，主要包括建立有限元模型、定义用于可靠性设计的输入变量和输出变量、求解等。

2）可靠性分析阶段。先进行实验设计法分析，建立六西格玛设计时所需要响应面；然后采用Design Explorationk中的Six Sigma Analysis对输入变量的分布类型、分布函数进行定义；选择抽样方法和抽样数量。

3）结果后处理阶段。后处理过程主要包括绘制各个输入变量取值分布柱形图；灵敏度分析和失效概率分布函数等。

2 回转轴可靠性分析

2.1 有限元模型建立

根据回转轴结构形式和尺寸值，采用DesignModeler模块中Geometry建立回转轴有限元分析模型。为了避免在求解过程中出现不连续现象，在建模过程中对回转轴倒角和圆角等进行了简化。根据销轴的结构形式，采用基于TGRID算法的四面体网格划分，生成有限元模型，如图1所示。

图1 回转轴有限元模型

根据回转轴受力分析，回转轴主要承受液压马达的驱动力矩M以及在回转过程中链轮对它的拉力，受力简图如图2所示。对轴承支承处施加位移固定约束。对回转轴轴端施加力矩约束；对转轴内径处施加力约束。受力分析结果分别为FX=56 740 N、FY=32 760 N和M=4.23×106N。

图2 回转轴受力简图

2.2 分析与计算

回转轴主要几体参数如表1所示，影响其可靠性的主要参数包括销轴安装孔内径R1、链轮安装孔内径R2、转轴外径R3和链轮宽度L1。可靠性分析主要研究以上各参数对回转轴性能的影响，并且确定各输入变量服从的分布类型、分布函数及其参数，如表1所示。

表1 回转轴几何参数

在对样本进行统计分析时，直方图主要用来查看概率设计中各变量的离散分布，以便验证所选用的样本数据是否按照给定的概率分布抽样获得［3］。该抽样中循环抽样次数取值为1 000，然后对回转轴进行可靠性数值模拟分析。得到的输入变量直方图如图3和图4所示。这些直方图基本接近于正态分布概率函数曲线，各邻近子序列块中也无较大间隙且曲线比较光滑，直方图结果表明所选抽样次数可以满足分析要求。通过图5和图6响应面图也可以验证所选抽样点是正确的。

图3 输入参数R1抽样直方图

图4 输入扭矩载荷M抽样直方图

2.3 可靠性结果分析

如图7所示，等效应力灵敏度分析图可以得到回转轴的敏感度，影响回转轴失效的最主要因素为转矩M，其次是销轴安装孔内径R1和转轴外径R3。这样要求在回转轴设计制造过程中，应该对这两个参数加强检验和控制，以提高结构可靠性。此外，回转轴可靠度对转矩M的灵敏度为负数，表明在转矩M增大时，回转轴所受等效应力最大值也相应增大，导致其结构强度可靠性也随之降低。

图5 输入参数R1和R3响应面图

图6 输入参数R2和转矩M响应面图

图7 敏感度图

在可靠性分析中，累积分布函数是用于查看零件可靠性的工具，它在任一点的数值等于数据出现在该点之下的概率值。从图8可以看出，回转轴所受最大等效应力的分布区间为［175 MPa，189 MPa］。相对回转轴所用材料为45钢屈服强度为355 MPa而言，安全因子为1.9，有较大的安全裕量。如图9所示，安全因子最大值分布区间［1.3，1.45］，结果表明回转轴在现有工况条件下具有足够大的安全裕量，不会存在失效情况，可靠度为1。证明该回转轴在翻转机工作过程中具有足够的结构可靠性。

图8 最大等效应力抽样直方图和累积分布函数

图9 安全因子抽样直方图累积分布函数

3结语

本文以ANSYS WorkBench有限元软件为工具，对翻转机回转轴进行可靠性分析，证明该轴在实际工况下可以满足现有工况的可靠性要求。还介绍了可靠性设计的一般方法。对于工艺装备的可靠性分析具有参考价值。

［1］ 赵国藩，金伟良，贡金鑫，等．结构可靠度理论［M］．北京：中国建筑工业出版社，2000：79-98.

［2］ 博弈创作室．ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例详解［M］．北京：中国水利水电出版社，2005：298-310.

［3］ 吴岳，何永勇.基于ANSYS的掘进装备典型结构可靠性分析［J］.机械设计与制造，2010（9）：49-51.