Análisis de elementos finitos de pernos fijos utilizados en motores de escaleras mecánicas

Este informe analiza la fuerza de conexión y el desplazamiento de los pernos partidos e integrales.

por Yu Zetao y Feng Kai

Resumen

De acuerdo con las formas de unión entre la cabeza y los pernos, los pernos fijos utilizados en los motores de escaleras mecánicas se pueden dividir en dos formas: divididos e integrales. Utilizando el software de análisis de elementos finitos ANSYS Workbench, este documento analiza la fuerza de conexión y el desplazamiento de estos dos tipos de pernos para proporcionar una referencia para la selección de pernos fijos en el motor de la escalera mecánica. Los resultados muestran que la capacidad de carga de los pernos integrales es 1.8 veces mayor que la de los que están divididos.

Introducción

La potencia y el frenado de una escalera mecánica son transmitidos por el motor a través de la cadena de transmisión al sistema de escalones. Para garantizar que el piñón de la rueda de cadena y la cadena de transmisión se engranen de manera adecuada y confiable, la cadena de transmisión debe tener ciertos grados de tensión. Si el desplazamiento del motor provocara el cambio de los grados de tensión originales, las escaleras mecánicas retrocederían y se producirían accidentes graves, como la caída o el pisar de pasajeros. Por lo tanto, el motor de la escalera mecánica bien fijado es extremadamente importante para la seguridad operativa de toda la unidad.

Los tipos de conexión entre la base de un motor de accionamiento y su marco se pueden dividir en conexiones de orificio de escariado y de orificio pasante. La conexión del orificio pasante se puede dividir en dos formas: dividida e integral, de acuerdo con la unión entre la cabeza y los espárragos del perno (Figura 1). Actualmente, hay muchos análisis de fuerza detallados en las conexiones entre pernos y doble ángulo,^{[ 1 ]} doble canal^{[ 2 ]} y brida.^{[ 1 ]} Sin embargo, aún no se ha realizado un estudio sobre el análisis de fuerza y ​​resistencia de estos dos tipos de pernos, así como una investigación comparativa.

La función de conexión de estos dos tipos de pernos no tiene diferencia, pero, debido a las diferentes estructuras internas, las resistencias de conexión son diferentes. Este artículo examina un tipo de perno fijo como objeto de investigación y establece dos tipos de modelos de unidad de entidad. Workbench luego analiza y compara los resultados de la resistencia de la conexión en función de la situación real de las fuerzas y restricciones. Esto proporciona la referencia para la selección de los pernos fijos en el motor de la escalera mecánica.

Análisis del banco de trabajo de ANSYS El modelo de perno dividido

El modelo de la superficie de contacto entre la cabeza y los espárragos de un perno M20 es complejo. Para obtener datos de tensión precisos y reflejar con precisión su interacción, debemos establecer el tamaño real del modelo de entidad 3D para los pernos y la cabeza de los pernos con la función de modelado del programa CAD 3D Pro / Engineer. Después de ensamblar, obtenemos el modelo de un perno dividido en Pro / Engineer (Figura 2).

A continuación, importamos el modelo a Workbench para realizar un análisis de elementos finitos. Para evitar la sensibilidad a la dirección y al tamaño de la malla,^{[ 3 ]} definimos todas las entidades como unidades solid45, que es una unidad de entidad de estructura hexaédrica de ocho nodos. La propiedad del material se muestra en la Tabla 1.^{[ 4 ]} Elegimos un enfoque automático para la malla, manteniendo el nodo de tamaño medio del elemento^{[ 5 ]} y estableciendo el tamaño del elemento en 1.6 mm. Después del mallado, el modelo de elementos finitos está completo, siendo el número de puntos nodales del modelo 110,223 y unidades de 72,744 (Figura 3).

Para garantizar que el modelo pueda simular el estado de contacto real cuando interactúan los verticilos, definimos la interfaz de superficie de los verticilos. El tipo de contacto es friccional y el factor es 0.15. La formulación es pura pena.

El modelo de perno integral

El proceso de construcción de un modelo de perno integral es similar al de la división. Primero, cree el modelo de perno en Pro / Engineer (Figura 4), luego transfiera el modelo a Workbench. La diferencia es que no hay un proceso de ensamblaje para el proceso de definición de la interfaz y el verticilo. También definimos todas las entidades con unidades solid45. La propiedad del material se muestra en la Tabla 1. Elegimos un enfoque automático para la malla mientras mantenemos el nodo de tamaño medio del elemento y establecemos el tamaño del elemento en 1.6 mm. Después del mallado, se completa el modelo de elementos finitos, siendo el número de puntos nodales del modelo 49,817 y las unidades 30,434 (Figura 5).

Carga y restricción

La fuerza máxima de cada perno es de aproximadamente 15,000 N en la condición de trabajo a plena carga cuando la escalera mecánica sube. En este artículo, los 15,000 N fuerzan cargas en un área, que está a 35 mm de la parte inferior del perno; su dirección es axial.

Solo la parte inferior de los espárragos hace contacto con el borde de la ranura en el proceso de operación real al presionar la cabeza del perno. Para simplificar el cálculo, insertamos “soporte de compresión solamente” entre la cabeza del perno y la ranura en forma de T en el tablero fijo del motor de la escalera mecánica, luego leemos el rango de presión de contacto que sirve como rango de restricción. Su largo es de 5 mm y el ancho es de 23 mm (igual que la cabeza). Luego, cortamos dos regiones separadas de 5 mm x 23 mm en la superficie de la cabeza del perno como restricciones de carga. Uno se inserta como soporte fijo y el otro como desplazamiento, con su Y libre de componentes y X y Z componentes a cero. Las cargas y las restricciones de la división y los pernos integrales se muestran en la Figura 6.

Resultados

La figura 7 muestra el desplazamiento del perno partido. Podemos ver que el desplazamiento máximo en el Y El componente se encuentra en la superficie superior y su valor es de 0.018 mm.

La Figura 8 muestra la tensión de von Mises del perno partido. Podemos ver que la magnitud máxima es 285 mPa.

En la Figura 9, nos acercamos al lugar donde se produce el estrés máximo de von Mises. El punto máximo aparece en la unión entre la parte superior de la cabeza y la sección inferior de los montantes. Su valor es de 285 mPa. Si el valor de la tensión fuera mayor que el valor permitido del material, se produciría una fractura en la cabeza del perno.

La Figura 10 muestra la tensión de von Mises de los espárragos en un perno partido. Podemos ver que la magnitud del esfuerzo máximo de von Mises es 162 mPa. El máximo aparece en el primer círculo de tachuelas. Con el aumento de la vuelta de los pernos, la fuerza disminuye gradualmente, lo que corresponde a la condición real.

En la Figura 11, nos acercamos al área donde se produce el esfuerzo máximo de von Mises en los montantes.

La figura 12 muestra el desplazamiento del perno integral. Podemos ver que el desplazamiento máximo en el Y El componente se encuentra en la parte superior y el valor es de 0.011 mm.

La Figura 13 muestra la tensión de von Mises del perno integral. Podemos ver que la magnitud del esfuerzo máximo de von Mises es 158 mPa.

En la Figura 14, nos acercamos a donde ocurre la tensión máxima de von Mises en el perno integral.

Conclusión

Después de comparar los cálculos anteriores, podemos sacar las siguientes conclusiones: el desplazamiento del perno integral en el Y El componente tiene poca diferencia con el de la división. La integral es de 0.018 mm, mientras que la división es de 0.011 mm.

La tensión de von Mises de los pernos del perno partido es menor que la de la cabeza del perno, y el punto máximo aparece en la unión entre la parte superior de la cabeza y la sección inferior de los pernos. En este lugar, dado que es necesario agregar el verticilo y la superficie sería la más pequeña, la tensión se concentraría. En conclusión, la fuerza de la unión entre la cabeza del perno y los pernos es el factor clave que determina la fuerza de todo el perno. La cabeza del perno y los espárragos no se separan y, en consecuencia, no se produciría la superficie más pequeña; por lo tanto, tiene una capacidad de carga más potente. El perno integral es 1.8 veces mayor que la división del camino de la tensión máxima.

Referencias
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