基于Solidworks的平衡车轮架仿真分析及优化

0 引言

    在各类大型起重设备及各类轨道运行机构中，当每个支承点需安装多车轮组时，通常用平衡车轮组均衡各车轮组的载荷，形成平衡车轮组。平衡车轮组与各支点之间采用绞接轴连接，使各车轮所承受载荷均衡。在平衡车轮组中，平衡车轮架是非常重要的关键部件之一，它受到车轮及安装质量等因素的影响，使用过程中会承受很大的载荷。结构合理的平衡车轮架应该具备重量轻、刚性好、便于装配与制造等特点。但基于传统力学方法设计的平衡车轮架模型，往往简化过度或采用经验设计的方法进行设计，为保证其刚度、强度和安全性，容易出现其结构笨重，应力分布不合理等现象。本文将采用业内通用软件对平衡车轮架进行三维建模和有限元分析，并对其进行优化，以期获得满足使用要求的前提下，获得质量轻、同时满足强度要求的平衡车轮架参数。

1 模型和初始条件

    是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，有超过4000所大学采用进行科研与教学工作。对每个使用者来说，易学易用。它包括零件设计、二维工程图的自动生成和虚拟装配功能，此外开发商和世界许多著名软件公司都有合作伙伴关系，使之成为一个完全开放的系统，为后续虚拟加工、有限元分析、运动学和动力学分析以及产品数据管理等提供必要的信息。

    用建立的某平衡车轮架结构如图1所示，该平衡车轮架两端与45°圆型轴承箱车轮组相连，中间圆孔与平衡车轮组上部的法兰盘和连接轴相连接。平衡车轮架采用ZG270-500材料铸造而成，其屈服强度σ_s≤270MPa，抗拉强度σ_b≥500MPa，质量为655kg。

图1 平衡车轮架图

2 有限元模型

    为保证有限元的分析精度，对模型的螺栓孔、螺纹孔等细小结构进行了简化。对应力较大部位进行局部的网格控制用以细化网格，离散单元选择二阶实体单元，并且选择基于曲率的网格功能，有效的提高了分析精度并控制了有限元模型的规模。所形成的平衡车轮架有限元模型如图2所示，共有159739个网格和255152个节点。

图2 平衡车轮架有限元网格模型

    车轮架承受的主要载荷主要有垂直载荷和水平侧向载荷，垂直载荷取与其相配套的车轮组车轮的最大许用线接触应力。该平衡车轮架所用车轮最大许用线接触应力：与材料有关的许用线接触应力常数K₁=7.8N/mm（材料为ZL-B：σ_b≥910MPa），车轮直径D=φ630mm，车轮有效接触长度L=120mm，转速系数C₁=1.17，工作级别系数C₂=1.25，则：线接触许用轮压为：PC≤K₁·D·L·C₁·C₂=7.8×630×120×1.17×1.25=862kN。