自动扶梯电机固定螺栓的有限元分析

本报告分析了剖分式和整体式螺栓的连接强度和位移。

by 于泽涛和冯凯

抽象

根据头部与螺柱的连接形式，用于自动扶梯电机的固定螺栓可分为分体式和整体式两种。 本文利用有限元分析软件ANSYS Workbench，对这两种螺栓的连接强度和位移进行分析，为自动扶梯电机固定螺栓的选择提供参考。 结果表明，整体螺栓的承载能力比剖分螺栓高1.8倍。

介绍

自动扶梯的动力和制动由电机通过传动链传递到梯级系统。 为保证链轮链轮与传动链啮合正确可靠，传动链应具有一定的张紧度。 如果电机的位移导致原来的拉力程度发生变化，会导致自动扶梯倒转，发生严重事故，如乘客坠落或相互踩踏。 因此，安装良好的自动扶梯电机对整个机组的运行安全极为重要。

驱动电机底座与机架的连接方式可分为铰孔连接和通孔连接。 通孔连接根据螺栓头部与螺柱的连接方式可分为分体式和整体式两种形式（图1）。 目前，对于螺栓与双角钢的连接，有很多详细的受力分析，^[1] 双通道^[2] 和法兰。^[1] 然而，目前还没有对这两种螺栓的受力和强度分析以及对比研究进行研究。

这两种螺栓的连接功能没有区别，但由于内部结构不同，连接强度不同。 本文以一类固定螺栓为研究对象，建立了两种实体单元模型。 Workbench 然后根据受力和约束的实际情况对连接强度结果进行分析和比较。 这为选择自动扶梯电机上的固定螺栓提供了参考。

ANSYS Workbench 分析分裂螺栓模型

M20 螺栓的头部和双头螺栓之间的接触面模型很复杂。 为了获得准确的应力数据并准确反映它们之间的相互作用，我们必须使用 Pro/Engineer 3D CAD 程序的建模功能为螺柱和螺栓头建立 3D 实体模型的实际尺寸。 组装完成后，我们在 Pro/Engineer 中得到了剖分螺栓的模型（图 2）。

接下来，我们将模型导入 Workbench 以执行有限元分析。 为避免方向和网格尺寸敏感，^[3] 我们将所有实体定义为solid45单元，这是一个八节点的六面体结构实体单元。 材料性能见表1。^[4] 我们选择自动网格方法，同时保持元素中等大小节点^[5] 并将元素大小设置为 1.6 毫米。 网格划分完成后，有限元模型完成，模型节点数为110,223个，单元数为72,744个（图3）。

为确保模型能够模拟螺纹相互作用时的实际接触状态，我们定义了螺纹的表面界面。 接触类型为摩擦，系数为 0.15。 公式是纯粹的惩罚。

整体螺栓模型

构建整体螺栓模型的过程与拆分的过程类似。 首先，在 Pro/Engineer 中构建螺栓模型（图 4），然后将模型传输到 Workbench。 区别在于螺纹和接口定义过程没有组装过程。 我们还用solid45 单位定义了所有实体。 材料属性如表 1 所示。我们选择自动网格划分方法，同时保持单元中型节点并将单元尺寸设置为 1.6 mm。 网格划分完成后，有限元模型完成，模型节点数为49,817个，单元数为30,434个（图5）。

负载和限制

当自动扶梯上升时，在满载工况下，每个螺栓的最大作用力约为15,000 N。 在本文中，15,000 N 力在距离螺栓底部 35 毫米的区域上加载； 它的方向是轴向的。

在实际操作过程中，压紧螺栓头部时，只有螺柱底部与凹槽边缘接触。 为简化计算，我们在螺栓头与扶梯电机固定板上的T型槽之间插入“仅受压支撑”，然后读取接触压力范围作为限制范围。 它的长度为 5 毫米，宽度为 23 毫米（与头部相同）。 然后，我们在螺栓头部表面切割两个单独的 5 mm x 23 mm 区域作为载荷限制。 一个作为固定支撑插入，另一个作为位移插入，其 Y 无组件和 X 和 Z 成分为零。 分体螺栓和整体螺栓的载荷和限制如图6所示。

功能验证

图 7 显示了剖分螺栓的位移。 我们可以看到，最大位移 Y 元件位于顶面，其值为 0.018 mm。

图 8 显示了剖分螺栓的 von Mises 应力。 我们可以看到最大震级为 285 mPa。

在图 9 中，我们放大了最大 von Mises 应力发生的位置。 最大点出现在头部顶部和螺柱底部之间的连接处。 其值为 285 mPa。 如果应力值超过材料的允许值，螺栓头部就会发生断裂。

图 10 显示了剖分螺栓上双头螺栓的 von Mises 应力。 我们可以看到最大 von Mises 应力的大小为 162 mPa。 最大值出现在螺柱的第一个圆圈中。 随着螺柱搭接次数的增加，受力逐渐减小，与实际情况相对应。

在图 11 中，我们放大到螺柱中出现最大 von Mises 应力的区域。

图 12 显示了整体螺栓的位移。 我们可以看到，最大位移 Y 组件位于顶部，值为 0.011 mm。

图 13 显示了整体螺栓的 von Mises 应力。 我们可以看到最大 von Mises 应力的大小为 158 mPa。

在图 14 中，我们放大到最大 von Mises 应力出现在整体螺栓上的位置。

结语

对比前面的计算，我们可以得出以下结论：整体螺栓在 Y 组件与拆分的差异不大。 积分是 0.018 毫米，而分裂是 0.011 毫米。

剖分式螺栓双头螺栓的von Mises应力小于螺栓头部的应力，最大点出现在螺栓头部顶部与螺栓底部的连接处。 在这个地方，由于需要加螺纹，表面最小，应力会集中。 综上所述，螺栓头部与双头螺栓连接处的强度是决定整个螺栓强度的关键因素。 螺栓的头部和双头螺栓没有分离，因此不会出现最小的表面； 因此，它具有更强大的承载能力。 从最大受力方式来看，整体螺栓比劈开高1.8倍。

案例
[1] 杨景刚； 穆雷，TM; Plaut, RH 张力和剪切下双角连接的三维有限元分析。 弗吉尼亚理工学院和州立大学； 1999 年。
[2] Yorgun, C.； 达尔克，S。 Altay, GA 由双通道设计的螺栓钢连接的有限元建模。 伊斯坦布尔技术大学； 2004 年。
[3] 陈忠和； 王伟强； 张乐文。 柔性内压螺栓应力和变形的有限元分析。 机械工程学院； 山东大学，2008.
[4] Bursi, OS 和 Jaspart, JP 螺栓钢连接有限元建模基准。 特伦托大学； 1997 年。
[5] 朝晖，张。 ANSYS 12.0 解析结构分析工程应用[M]． 北京：机械工业出版社； 2010 年。
[6] 魏，刘。 进入高维，在广斌：ANSYS 12.0合集[M]． 北京：电子工业出版社； 2010 年。