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Finite-Elemente-Analyse von festen Schrauben, die in Fahrtreppenmotoren verwendet werden

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Abbildung 2: Das Modell des geteilten Bolzens in Pro/Engineer

Dieser Bericht analysiert die Verbindungsfestigkeit und Verschiebung von geteilten und integralen Schrauben.

von Yu Zetao und Feng Kai

Abstrakt

Entsprechend den Verbindungsformen zwischen Kopf und Bolzen können die in Fahrtreppenmotoren verwendeten Festschrauben in zwei Formen unterteilt werden – geteilt und integral. Mit der Finite-Elemente-Analysesoftware ANSYS Workbench analysiert dieses Papier die Verbindungsfestigkeit und Verschiebung dieser beiden Arten von Schrauben, um eine Referenz für die Auswahl fester Schrauben am Fahrtreppenmotor bereitzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Tragfähigkeit der Integralschrauben 1.8-mal höher ist als bei geteilten Schrauben.

Einführung

Die Kraft und das Bremsen einer Fahrtreppe werden vom Motor über die Antriebskette auf das Trittsystem übertragen. Damit Kettenrad und Antriebskette richtig und zuverlässig ineinandergreifen, sollte die Antriebskette bestimmte Spannungsgrade aufweisen. Würde die Verschiebung des Motors zu einer Änderung des ursprünglichen Spannungsgrades führen, würden Rolltreppen umkehren und es würde zu schweren Unfällen, wie zum Beispiel Stürzen oder Aufeinandertreten von Fahrgästen, kommen. Daher ist der gut befestigte Fahrtreppenmotor für die Betriebssicherheit der gesamten Einheit von großer Bedeutung.

Verbindungsarten zwischen der Basis eines Antriebsmotors und seinem Rahmen können in Reibloch- und Durchgangslochverbindungen unterteilt werden. Die Durchgangslochverbindung kann in zwei Formen unterteilt werden – geteilt und integral, entsprechend der Verbindung zwischen Kopf und Bolzen der Schraube (Abbildung 1). Derzeit gibt es viele detaillierte Kraftanalysen zu den Verbindungen zwischen Bolzen und Doppelwinkel,[1] Doppelkanal[2] und Flansch.[1] Eine Studie zur Kraft- und Festigkeitsanalyse dieser beiden Schraubenarten sowie Vergleichsuntersuchungen wurden jedoch noch nicht durchgeführt.

Die Verbindungsfunktion dieser beiden Schraubenarten unterscheidet sich nicht, aber aufgrund der unterschiedlichen inneren Strukturen sind die Verbindungsfestigkeiten unterschiedlich. In diesem Artikel wird ein Typ von fester Schraube als Forschungsobjekt untersucht und zwei Arten von Entitätseinheitenmodellen erstellt. Workbench analysiert und vergleicht dann die Ergebnisse der Verbindungsfestigkeit basierend auf der tatsächlichen Situation der Kräfte und Randbedingungen. Dies ist die Referenz für die Auswahl der festen Bolzen am Fahrtreppenmotor.

ANSYS Workbench-Analyse Das geteilte Schraubenmodell

Das Modell der Kontaktfläche zwischen Kopf und Stehbolzen einer M20-Schraube ist komplex. Um genaue Spannungsdaten zu erhalten und deren Zusammenwirken genau widerzuspiegeln, müssen wir mit der Modellierungsfunktion des Pro/Engineer 3D-CAD-Programms die tatsächliche Größe des 3D-Elementmodells für die Bolzen und den Schraubenkopf ermitteln. Nach dem Zusammenbau erhalten wir in Pro/Engineer das Modell einer geteilten Schraube (Abbildung 2).

Als Nächstes importieren wir das Modell in Workbench, um eine Finite-Elemente-Analyse durchzuführen. Um Richtungs- und Maschengrößenempfindlichkeit zu vermeiden,[3] wir definieren alle Entitäten als solid45-Einheiten, was eine Entitätseinheit mit acht Knoten und einer hexaedrischen Struktur ist. Die Materialeigenschaft ist in Tabelle 1 dargestellt.[4] Wir wählen einen automatischen Ansatz für das Vernetzen, während wir das Element mittelgroßer Knoten beibehalten[5] und Einstellen der Elementgröße auf 1.6 mm. Nach der Vernetzung ist das Finite-Elemente-Modell fertig, wobei die Anzahl der Knotenpunkte des Modells 110,223 und die Einheiten 72,744 betragen (Abbildung 3).

Um sicherzustellen, dass das Modell den tatsächlichen Kontaktzustand bei der Interaktion der Wirbel simulieren kann, definieren wir die Oberflächenschnittstelle der Wirbel. Die Kontaktart ist Reibung, der Faktor beträgt 0.15. Die Formulierung ist reine Strafe.

Das Integralbolzen-Modell

Der Prozess zum Erstellen eines integralen Schraubenmodells ähnelt dem der Teilung. Erstellen Sie zuerst das Schraubenmodell in Pro/Engineer (Abbildung 4) und übertragen Sie das Modell dann in Workbench. Der Unterschied besteht darin, dass es keinen Assemblierungsprozess für den Whorl- und den Interface-Definitionsprozess gibt. Wir definieren auch alle Entitäten mit solid45 Einheiten. Die Materialeigenschaft ist in Tabelle 1 dargestellt. Wir wählen einen automatischen Ansatz für das Netz, während wir den Elementknoten mittelgroß beibehalten und die Elementgröße auf 1.6 mm einstellen. Nach der Vernetzung ist das Finite-Elemente-Modell fertig, wobei die Anzahl der Knotenpunkte des Modells 49,817 und die Einheiten 30,434 betragen (Abbildung 5).

Belastung und Einschränkung

Die maximale Kraft jedes Bolzens beträgt im voll belasteten Betriebszustand etwa 15,000 N, wenn die Fahrtreppe hochgefahren wird. In diesem Artikel belasten die 15,000 N Kräfte auf eine Fläche, die 35 mm von der Unterseite der Schraube entfernt ist; seine Richtung ist axial.

Lediglich der Boden der Bolzen berührt den Nutrand im eigentlichen Arbeitsvorgang beim Drücken des Bolzenkopfes. Um die Berechnung zu vereinfachen, fügen wir zwischen dem Kopf der Schraube und der T-förmigen Nut auf der festen Platine des Fahrtreppenmotors „nur Kompressionsstütze“ ein und lesen dann den Bereich des Anpressdrucks ab, der als Begrenzungsbereich dient. Seine Länge beträgt 5 mm und die Breite 23 mm (wie der Kopf). Dann schneiden wir zwei separate Bereiche von 5 mm x 23 mm auf der Oberfläche des Schraubenkopfes als Belastungsbeschränkungen. Einer wird als feste Stütze eingesetzt, der andere als Verschiebung, mit seinem Y komponentenfrei und X und dem Z Komponenten auf Null. Die Belastungen und Einschränkungen der geteilten und der integralen Schrauben sind in Abbildung 6 dargestellt.

Baustahl
Elastizitätsmodul/Pascal (Pa)2.0 x 1011
Poisson-Verhältnis0.3
Dichte/kg/m²27,850
Dehngrenze/Pa2.5 x 108
Druckstreckgrenze/Pa2.5 x 108
Zugfestigkeit/Pa4.6 x 108
Tabelle 1: Materialeigenschaften

Die Ergebnisse

Abbildung 7 zeigt die Verschiebung des geteilten Bolzens. Wir sehen, dass die maximale Verschiebung im Y Die Komponente befindet sich auf der Oberseite und ihr Wert beträgt 0.018 mm.

Abbildung 8 zeigt die von Mises-Spannung des geteilten Bolzens. Wir können sehen, dass die maximale Helligkeit 285 mPa beträgt.

In Abbildung 9 vergrößern wir die Stelle, an der die maximale von-Mises-Spannung auftritt. Der maximale Punkt erscheint an der Verbindung zwischen dem oberen Teil des Kopfes und dem unteren Teil der Bolzen. Sein Wert beträgt 285 mPa. Wenn der Spannungswert höher als der zulässige Wert des Materials wäre, würde ein Bruch am Kopf der Schraube auftreten.

Abbildung 10 zeigt die von Mises-Belastung der Bolzen an einer geteilten Schraube. Wir können sehen, dass die Größe der maximalen von Mises-Spannung 162 mPa beträgt. Das Maximum erscheint im ersten Kreis der Stollen. Mit zunehmender Überdeckung der Stollen nimmt die Kraft allmählich ab, was dem tatsächlichen Zustand entspricht.

In Abbildung 11 vergrößern wir den Bereich, in dem die maximale von-Mises-Spannung in den Bolzen auftritt.

Bild 12 zeigt die Verschiebung des Integralbolzens. Wir sehen, dass die maximale Verschiebung im Y Bauteil befindet sich oben und der Wert beträgt 0.011 mm.

Abbildung 13 zeigt die von Mises-Spannung der integralen Schraube. Wir können sehen, dass die maximale von Mises-Spannung 158 mPa beträgt.

In Abbildung 14 vergrößern wir die Stelle, an der die maximale von-Mises-Spannung an der integralen Schraube auftritt.

Fazit

Nach dem Vergleich der bisherigen Berechnungen können wir folgende Schlussfolgerungen ziehen: Die Verschiebung des Integralbolzens im Y Komponente hat wenig Unterschied zu der des Splits. Das Integral beträgt 0.018 mm, während die Teilung 0.011 mm beträgt.

Die von Mises-Spannung der Bolzen der geteilten Schraube ist kleiner als die des Kopfes der Schraube, und der maximale Punkt erscheint an der Verbindung zwischen dem oberen Teil des Kopfes und dem unteren Abschnitt der Bolzen. Da der Wirbel hinzugefügt werden muss und die Oberfläche am kleinsten wäre, würde sich an dieser Stelle die Spannung konzentrieren. Zusammenfassend ist die Festigkeit der Verbindung zwischen Schraubenkopf und Bolzen der entscheidende Faktor, der die Festigkeit der gesamten Schraube bestimmt. Der Kopf der Schraube und die Bolzen sind nicht getrennt und folglich würde die kleinste Oberfläche nicht auftreten; daher hat es eine stärkere Tragfähigkeit. Der Integralbolzen ist 1.8-mal höher als der Split aus dem Weg der maximalen Belastung.

Referenzen
[1] Yang, JG; Murray, TM; Plaut, RH Dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse von Doppelwinkelverbindungen unter Zug und Schub. Virginia Polytechnic Institute und State University; 1999.
[2] Yorgun, C.; Dalc, S.; Altay, GA Finite-Elemente-Modellierung von geschraubten Stahlverbindungen, entworfen von Double Channel. Technische Universität Istanbul; 2004.
[3] Zhong-he, Chen; Wei-Qiang, Wang; Le-wen, Zhang. FEM-Analysen von Spannung und Verformung eines flexiblen Innendruckbolzens. Fakultät für Maschinenbau; Shandong-Universität, 2008.
[4] Bursi, OS und Jaspart, JP Benchmarks für die Finite-Elemente-Modellierung von Stahlschraubenverbindungen. Universität Trient; 1997.
[5] Zhaohui, Zhang. ANSYS 12.0 Resolution Structural Analysis Engineering Application [M]. Peking: Presse für die mechanische Industrie; 2010.
[6] Wei, Liu. Ins Hochdimensionale, in Guangbin: ANSYS 12.0 Collection [M]. Peking: Presse der Elektronikindustrie; 2010.
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