基于ADAMS的滾切剪運(yùn)動模型構(gòu)建與分析

張寶成，劉 磊

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

滾切剪是生產(chǎn)中厚板的重要設(shè)備，我國在滾切剪技術(shù)研發(fā)方面起步較晚，缺乏核心的滾切剪設(shè)計(jì)制造技術(shù)。近幾年，少數(shù)鋼鐵企業(yè)對鋼板生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過合作制造、技術(shù)引進(jìn)與自主設(shè)計(jì)研發(fā)相結(jié)合的方式配備先進(jìn)的滾切式剪切機(jī)設(shè)備，鋼板的剪切生產(chǎn)效率和剪切精度均有明顯改善。但是，在實(shí)際的設(shè)計(jì)與改進(jìn)過程中仍然存在大量的問題。本文基于ADAMS對滾切剪運(yùn)動模型進(jìn)行構(gòu)建，并對其進(jìn)行仿真分析。

1 滾切剪剪切機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

滾切剪有固定裝置和移動裝置兩部分，鋼板在夾送輥夾持下由入口側(cè)自動進(jìn)入剪切機(jī)，剪切機(jī)傳感器檢測到鋼板送入，上刀刃在曲軸驅(qū)動下開始剪切，曲軸每轉(zhuǎn)動1圈，剪板機(jī)剪切鋼板1次，根據(jù)鋼板厚度，設(shè)置好夾送輥送板速度，便可實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的自動勻速剪切。在剪板機(jī)后側(cè)安裝有碎邊剪，碎邊剪剪刃也在曲軸驅(qū)動下運(yùn)動。剪切廢料隨輸送帶運(yùn)出，收集后重新熔煉。

滾切式剪切機(jī)具有弧形的上刀刃，在平直的下刀刃上滾動剪切。其剪切機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。剪切機(jī)構(gòu)由兩根曲柄軸、兩根連桿、弧形上刀片、平直下刀片和導(dǎo)向桿組成。滾動剪切過程中，連桿在曲柄的往復(fù)交替帶動下上下運(yùn)動，由于兩根曲柄軸之間設(shè)置一定的相位差，所以上刀片可以在這個相位差范圍內(nèi)產(chǎn)生滾動，對剪切板產(chǎn)生剪切力。

2 滾切剪剪切運(yùn)動模型構(gòu)建與分析

ADAMS軟件為虛擬樣機(jī)分析提供了很好的軟件平臺，通過ADAMS軟件構(gòu)建產(chǎn)品模型，可以很方便地分析樣機(jī)的靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)狀態(tài)。

圖1 滾切剪剪切機(jī)構(gòu)簡圖

2.1 滾切剪實(shí)際模型簡化

滾切剪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剪切運(yùn)動涉及的構(gòu)件關(guān)聯(lián)性大，研究滾切剪的運(yùn)動過程，需要對其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，保留關(guān)鍵部件及連接機(jī)構(gòu)。

某型號滾切剪剪切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 某型號滾切剪剪切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

分析滾切剪剪切機(jī)構(gòu)，模型構(gòu)建保留上刀片、下刀片、兩個曲軸及連桿等滾切剪重要部件。根據(jù)表1給出的相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行簡化處理，使用ADAMS軟件構(gòu)建的剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模型及施加約束情況分別如圖2、圖3所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置及運(yùn)動仿真

ADAMS/View中提供了部分默認(rèn)仿真處理，自動分析后輸出仿真結(jié)果，同時，也可以按照要求采用測量和指定輸出的方式自定義特殊的仿真輸出。

圖2 剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模型

圖3 剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動約束圖

觀察模型運(yùn)動仿真之前，使用Tool菜單工具中的Model Verify命令進(jìn)行模型自檢，自檢通過后再進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。仿真系統(tǒng)采用ADAMS默認(rèn)的坐標(biāo)系，仿真分析得到的曲線變量均是以地面為參考系。檢查模型符合仿真試驗(yàn)要求，實(shí)際滾切剪剪切效率為20次/min，為保證模擬效果明顯，剪切仿真也采用20次/min，仿真時間End time設(shè)置為6s，步長Step size設(shè)置為0.01s，雙邊曲軸同時施加力矩，扭矩Torque設(shè)置為1 000N·mm，回轉(zhuǎn)驅(qū)動速度Speed設(shè)置為120°/s，起始狀態(tài)為滾切剪上剪刃中點(diǎn)與下剪刃接觸位置。參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行運(yùn)動仿真，觀察模型運(yùn)動過程。

2.3 仿真分析結(jié)果

分析滾切剪剪切運(yùn)動條件方程以及剪切機(jī)構(gòu)特點(diǎn)可知，滾切運(yùn)動能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵因素是連桿與上剪刃連接處的鉸鏈運(yùn)動，模型仿真運(yùn)動過程中選擇機(jī)構(gòu)簡圖中的鉸接點(diǎn)B，C以及上剪刃弧形剪刃中心進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真分析，以確定這3點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是否滿足剪切運(yùn)動條件。

鉸鏈B和C處的剪切過程運(yùn)動仿真曲線分別見圖4和圖5。

圖4 鉸鏈B處運(yùn)動仿真曲線

圖5 鉸鏈C處運(yùn)動仿真曲線

通過以上B，C點(diǎn)的動力與運(yùn)動曲線可以看出：B，C點(diǎn)受到相同的力矩作用，之間存在相位差，運(yùn)動軌跡都具有周期性。由于C鉸鏈處受到小連桿的牽制作用，使C鉸接點(diǎn)的位移變化、角速度和角加速度都與B點(diǎn)不同，尤其在角速度和角加速度的變化中比較明顯。

為更好地體現(xiàn)鉸鏈點(diǎn)B，C的運(yùn)動過程，對B，C鉸鏈點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到的運(yùn)動軌跡如圖6所示。圖6中，橫坐標(biāo)（X）表示B，C鉸鏈點(diǎn)水平位移，縱坐標(biāo)（Y）表示B，C鉸鏈點(diǎn)豎直位移。

從圖6中可以看出，B，C鉸鏈點(diǎn)在某一段位置的運(yùn)動軌跡近似擺線形式，其他位置為不規(guī)則的軌跡。由于仿真裝置中上刀片側(cè)邊安裝有連桿以限制上刀片的自由度，剪切過程上刀片弧形剪刃滾切過程為擺線軌跡，非剪切過程與刀片回位過程為不規(guī)則運(yùn)動軌跡，因此，模擬仿真圖像與理論推導(dǎo)結(jié)論在剪切過程上是一致的。

滾切剪上刀片剪刃弧形中心點(diǎn)的運(yùn)動軌跡與整個剪切機(jī)構(gòu)的運(yùn)動密切相關(guān)，它的運(yùn)動過程反映整個剪切機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況。滾切剪上剪刃弧形中心仿真運(yùn)動曲線如圖7所示。

圖6 B，C鉸鏈點(diǎn)運(yùn)動軌跡圖

仿真曲線真實(shí)地反映出剪切結(jié)構(gòu)的運(yùn)動過程。仿真參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更改，更改參數(shù)后重新進(jìn)行模擬仿真可得到新條件下的仿真分析結(jié)果。從B和C點(diǎn)的力—時間曲線，可以看出每一時刻B和C處所受連桿作用力大小，這為連桿與刀片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、材料選用提供了參考。

圖7 上剪刃弧形中心運(yùn)動仿真曲線

2.4 仿真結(jié)果管理

滾切剪剪切模擬仿真結(jié)束后，需要對仿真結(jié)果進(jìn)行管理，將仿真結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中，以方便在仿真的基礎(chǔ)上做相關(guān)結(jié)果的對比，也可再做進(jìn)一步的樣機(jī)模擬試驗(yàn)。

3 結(jié)束語

應(yīng)用ADAMS仿真分析軟件，對滾切剪剪切運(yùn)動過程進(jìn)行運(yùn)動模型構(gòu)建和仿真分析，減少了不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)驗(yàn)算推導(dǎo)；通過更改系統(tǒng)仿真參數(shù)直接得到構(gòu)件的運(yùn)動過程曲線，分析運(yùn)動過程找到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，可為滾切剪設(shè)計(jì)或改進(jìn)方案的比較篩選提供有效的參考。

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