铝锭连铸机丝杠升降器静强度分析

贾承宗，辛舟,b

(兰州理工大学 a. 机电工程学院; b. 数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050)

0 引言

升降旋转平台是铝锭自动生产线中打包捆扎的重要部分[1]，大部分升降旋转平台都是轻载荷的，低速升降并以液压方式运动[2]，文中所研究的升降旋转平台是要求重载荷，中高速，能同时升降并旋转的复合平台。

升降旋转平台中的丝杠升降器在伺服电机驱动下，带动剪臂做上下的竖直运动[3]；大齿轮同样在伺服电机的驱动下，通过齿轮啮合带动升降平台的旋转(见图1)。升降台在运动时，由于急起和急停过程中，不仅会对丝杠升降器造成磨损和消耗，还很容易造成受力不均匀，导致丝杠升降器的使用寿命降低，并且使其升降高度不均匀，从而造成台面倾斜使用寿命不到4万次。因此需要对旋转升降平台进行静强度分析研究[4-6]，获得较为合理方案，提高使用寿命，并且最终能够提高稳定性和可靠性。

图1 第一种升降旋转平台示意图

1 升降旋转平台螺母丝杠副受力分析

丝杆升降机为止旋结构，一端固定，一端为支承升降式铝锭托盘。丝杆升降机的参数如表1。

表1 螺母丝杠副参数 mm

根据上述条件，考虑丝杆升降机在实际工作中为动载荷，综合考虑其动载荷系数。由于升降台所承载的铝锭堆垛，每垛有54块铝锭，每块有20kg,再计算托盘、支架和电动机等其他的重量后，确定轴向载荷G为15 800N。

如图2所示，综合考虑其动载荷系数，确定计算出轴向载荷FAC为7 900N。

图2 升降旋转平台结构受力示意图

以工作台为参考对象：由于系统处于平衡状态，因此可得：

ΔM=0

以整体为参考对象：因为螺母丝杠副受到工作剪臂而引起的横向载荷，其起始角度α为30°，确定计算出横向载荷FLC为6 842N。

式中：ΔM为简支梁系统对左端点总弯矩；G为承载；FAC为轴向载荷；FLC为横向载荷；l为梁长度。

2 升降旋转平台螺母丝杠副有限元分析

在实践中发现丝杆升降机的失效基本集中在螺母丝杠副上，所以仅对螺母丝杠副进行建模，并对其进行约束加载，通过有限元分析[7]，其应力云图如图3所示。

图3 载荷作用下螺母丝杠副轴向应力云图

通过有限元应力分析发现，轴向载荷FAC和横向载荷FLC作用下的轴向应力极值为155.04MPa。

3 改进后的升降旋转平台螺母丝杠副有限元分析

基于上述分析，对旋转升降平台的丝杠升降器进行重新分布位置和支撑方式(见图4)，将丝杠升降器以及控制丝杠升降器的驱动装置从平台右侧移动至平台中心位置，去除其横向载荷，但轴向载荷增大一倍。

图4 第二种升降旋转平台示意图

由于重新分布位置和支撑方式，使得螺母丝杠副只受到轴向载荷FAC为15 800N。

图5 升降旋转平台结构受力示意图

以工作台为参考对象：由于系统处于平衡状态，因此可得：

FAC=G=15 800N

对其进行约束加载，其应力云图如图6所示。

图6 轴向载荷作用下螺母丝杠副轴向应力云图

通过有限元应力分析发现，轴向载荷FAC作用下的轴向应力极值为21.82MPa。

基于图1和图4这两种升降旋转平台，分别对其进行轴向应力分析，由图3和图6可得，第一种升降旋转平台的应力极值为155.04MPa，第二种升降旋转平台的应力极值为21.82MPa，较之前的应力极值下降85.9%，下降幅度非常明显。由于第一种升降旋转平台中的螺母丝杠副受到一对横向载荷，导致螺母丝杠副产生弯曲，所以轴向应力大幅度增大。减小丝杠螺母副直接受到的横向载荷，从而大大提高了丝杠螺母副的静强度可靠性，也因此提高了整个升降旋转平台的静强度可靠性。

4 结语

由应力分析发现：丝杠升降机的应力极值为21.82MPa，而该材料极限应力为460MPa，丝杠升降机所受应力远小于极限应力，因此丝杠升降机在静载情况下不会出现失效，结合工程实际应用情况表明，造成丝杠升降机失效的主要原因应为交变疲劳载荷。

本文只对螺母丝杠副进行了静强度分析,下一步将根据静力分析结果对螺母丝杠副动态疲劳进行分析。