發(fā)動機(jī)缸體堵片壓裝裝置的力學(xué)性能分析

馮怡然，陶學(xué)恒，王慧慧，曾振華，劉德云

（1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連現(xiàn)代輔機(jī)開發(fā)制造有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

圖1 壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖

汽車發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，為汽車的行駛提供動力［1］。發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的設(shè)計直接決定著汽車發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。汽車發(fā)動機(jī)缸體堵片壓裝機(jī)是發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線中重要的輔機(jī)設(shè)備，目前國內(nèi)堵片壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然是依靠傳統(tǒng)材料力學(xué)簡化計算和經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方法，實踐生產(chǎn)證明這種設(shè)計方法具有一定的可靠性，但存在著一些弊端，如結(jié)構(gòu)設(shè)計周期長，材料用量大、成本高、效益低［2-3］。通常設(shè)計出的壓裝機(jī)十分笨重，導(dǎo)致成本增加，企業(yè)效益下降［4］。所以，對發(fā)動機(jī)堵片壓裝機(jī)構(gòu)裝置的力學(xué)性能分析勢在必行，這將為以后發(fā)動機(jī)堵片壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)材降耗提供有力的技術(shù)支持。

本文研發(fā)的發(fā)動機(jī)堵片壓裝機(jī)，是大連工業(yè)大學(xué)與大連現(xiàn)代輔機(jī)開發(fā)制造有限公司共同研制的專用設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

堵片壓裝機(jī)主要由4 部分組成：振動上料部分、機(jī)架部分、伺服滑臺部分和壓裝部分。機(jī)架是承載伺服滑臺、壓裝部分及振動上料部分的；伺服滑臺用來移動壓裝部分；壓裝部分是將堵片涂膠并壓入發(fā)動機(jī)缸體的重要部分；振動上料器將堵片篩選并輸送到隔料器。

壓裝機(jī)工作原理圖如圖2，其工作原理的描述如下：

圖2 壓裝機(jī)工作原理圖

1）發(fā)動機(jī)缸體由上一個工位通過輸送滾道進(jìn)入堵片壓裝工位，此時光電開關(guān)檢測到缸體到達(dá)指定位置，由PLC 發(fā)出指令，阻擋工件氣缸使缸體停止前進(jìn)并對缸體定位，同時抬起定位裝置將發(fā)動機(jī)缸體抬起并對其定位。

2）缸體定位之后，振動上料器將堵片篩選后由料道自動輸送到隔料器，壓頭伸出至隔料器，通過磁力將堵片吸附在壓頭上（壓頭端部均勻分布永久強(qiáng)力磁性塊），由伺服電機(jī)通過滾珠絲杠將壓裝部分平移到壓裝位置，并通過光電開關(guān)定位對準(zhǔn)。

3）壓頭對準(zhǔn)缸體工藝孔之后，繼續(xù)進(jìn)給180 mm 接近工藝孔，此時PLC 發(fā)出指令，由雙作用氣缸推動涂膠閥對堵片進(jìn)行均勻涂膠并縮回。

4）完成涂膠后PLC 對油缸發(fā)出指令，壓頭再次進(jìn)給80 mm 進(jìn)行壓裝；該壓裝過程是堵片與工藝孔過盈配合的實現(xiàn)，壓裝完成后壓頭縮回，進(jìn)行下一個工藝孔的壓裝。

1 汽車發(fā)動機(jī)缸體堵片壓裝機(jī)構(gòu)裝置的有限元分析

由于壓裝堵片時需要較大的壓裝力才能完成堵片與缸體上工藝孔的過盈配合，從而起到密封工藝孔的作用［5］；ANSYS 有限元分析能直觀地反映機(jī)構(gòu)受力、位移大小及載荷分布情況，所以本文對受力較大的壓頭、壓桿和壓裝箱體進(jìn)行有限元分析是十分必要的。

1.1 壓頭、壓桿的有限元分析

通過Pro/E 5.0 對壓頭、壓桿建模后，將三維模型以Parasolid 格式導(dǎo)入ANSYS 12.0 中，對其進(jìn)行有限元分析，這樣可以快速確定應(yīng)力最大值和應(yīng)變，確定應(yīng)力分布的情況。

1）壓頭、壓桿單元類型的選擇。單元類型的選擇對有限元分析十分重要，它不僅影響到網(wǎng)格的劃分，還會影響到分析求解的精度。由于被分析件屬于桿件，該桿單元只承受沿著桿件方向的拉力和壓力，綜合各種因素考慮，采用實體單元Solid 187（如圖3）。

2）定義壓頭壓桿屬性。需要定義的材料屬性包括彈性模量、密度、泊松比等。由于該壓頭壓桿材料為45 鋼。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》［6］查得各參數(shù)見表1。

3）網(wǎng)格劃分。本單元采用智能網(wǎng)格劃分法Smart Size。Smart Size 可以在網(wǎng)格劃分時生成合理的網(wǎng)格單元，采用6 級精度，劃分36 737 個網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖4 所示。

4）施加位移約束。施加位移約束是有限元分析中不可缺少的一步，通過對單元施加足夠的約束從而確保模型不會產(chǎn)生剛性位移。本文對壓頭壓桿連接處所有自由度進(jìn)行約束。

5）施加載荷。對壓頭壓桿在最惡劣的工作狀況下進(jìn)行分析，即分析壓頭壓桿在滿載荷下的受力情況和變形情況。通過分析可知，壓頭壓桿受力最大情況出現(xiàn)在將堵片壓入缸體工藝孔的瞬間，此時的載荷換算成壓強(qiáng)為28.6 MPa，載荷施加情況如圖5 所示。

圖3 壓頭、壓桿單元類型選擇圖

表1 壓頭、壓桿參數(shù)

圖4 壓頭、壓桿網(wǎng)格劃分圖

圖5 壓頭、壓桿載荷施加圖

圖6 壓頭、壓桿應(yīng)力分布云圖

計算求解完成后可以直觀地看出模型上的應(yīng)力分布情況。如圖6 所示的應(yīng)力分布云圖，壓頭、壓桿整體受力變形較小。由圖6 可以看出，壓頭、壓桿的變形由壓頭的圖中MX 點向外逐漸減小，最大變形發(fā)生在圖中MX 點處，最大位移量為0.45×10-5mm，其他位置變形較小。最大應(yīng)力分布在壓頭和壓桿連接處，應(yīng)力為350 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于45 鋼的抗壓強(qiáng)度600 MPa，其他部位應(yīng)力較小，應(yīng)力分布基本均勻。因此，在本工況下工作時，壓頭、壓桿可以安全運行，設(shè)備的可靠性可以得到保證。

1.2 壓裝箱體的有限元分析

將壓裝箱體的三維模型以Parasolid格式導(dǎo)入 ANSYS 12.0 中。由于該箱體屬于四面體單元，所以選用實體單元Solid187（如圖7 所示）。材料為Q235。從《機(jī)械設(shè)計手冊》［6］查得Q235 的參數(shù)見表2。本單元同樣采用智能網(wǎng)格劃分法Smart Size。采用6 級精度，劃分98594 個網(wǎng)格，劃分情況如圖8 所示。本文對箱體底面所有自由度進(jìn)行約束。壓裝箱體所受的壓強(qiáng)為28.6 MPa，該載荷施加在油缸與箱體連接的面（圖9 所示）。

壓裝箱體的應(yīng)力云圖如圖10 所示，最大的應(yīng)力點在箱體背板與兩個立板的連接處，最大應(yīng)力為201 MPa，最 大 位 移 為0.954×10-4mm。壓裝箱體所承受的最大應(yīng)力小于Q235 的最大強(qiáng)度235 MPa。

圖7 壓裝箱體單元類型選擇圖

表2 壓裝箱體參數(shù)

圖8 壓裝箱體網(wǎng)格劃分圖

圖9 壓裝箱體施加載荷圖

圖10 壓裝箱體應(yīng)力分布云圖

2 汽車發(fā)動機(jī)缸體堵片壓裝機(jī)構(gòu)裝置的模態(tài)分析

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)在工作時存在振動現(xiàn)象，振動會造成結(jié)構(gòu)的共振或疲勞，從而使結(jié)構(gòu)遭到破壞［7］。為了避免共振，本文需要分析壓頭、壓桿和壓裝箱體的固有頻率是否大于工作頻率。模態(tài)分析頻率的大小只是一個相對的量值，它表達(dá)的是在某一點固有頻率上振動量值之間的相對比值，反映該固有頻率上振動的傳遞情況，并不反映實際振動的變形數(shù)值［8-9］。

根據(jù)壓頭壓裝堵片的壓裝周期計算得到工作頻率為0.33 Hz。本文使用ANASYS 12.0 對壓頭、壓桿及壓裝箱體從1 階到10 階進(jìn)行模態(tài)分析，壓頭、壓桿的固有頻率見表3；壓裝箱體的固有頻率見表4。

共振的條件為：當(dāng)外部的激勵頻率與結(jié)構(gòu)的某固有頻率接近或相等，則結(jié)構(gòu)發(fā)生共振［10］。由計算結(jié)果可知，壓頭、壓桿和壓裝箱體的每一階的頻率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作頻率，所以壓頭、壓桿和壓裝箱體在工作時不會引起共振。

表3 壓頭壓桿1～10 階固有振動頻率

3 結(jié)語

經(jīng)過上述對汽車發(fā)動機(jī)缸體堵片壓裝機(jī)構(gòu)裝置的力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，壓頭、壓桿的受力情況小于強(qiáng)度極限，可以在安全允許的條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減輕壓頭、壓桿的重量，從而達(dá)到節(jié)材減排的目的。壓裝箱體的受力集中在箱體背板與兩個立板的連接處，雖然受力未達(dá)到強(qiáng)度極限，但還是應(yīng)該對此處進(jìn)行強(qiáng)度加固處理，可以在此處增加筋板或倒圓角處理，由于箱體其他地方受力較小，尤其是壓頭導(dǎo)向部分，可以輕量化設(shè)計，從而節(jié)省材料，簡化加工工藝。

表4 壓裝箱體1～10 階固有振動頻率

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