基于碰撞模擬的鋼坯標示機構改進設計

傅 旻，金麗媛，張 文，唐 鑫

（天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

連鑄鋼坯生產過程中，為實現(xiàn)質量追蹤，消除混坯事件的發(fā)生，需對鋼坯進行在線標示。鋼坯標示機構是標示設備的核心組件，機構在PLC程序控制、氣動控制及伺服控制的作用下，完成指定字符的標示[1]。由于設備生產工況較為惡劣，機構在標示過程中可能受到諸如側向碰撞等突發(fā)情況的影響，對結構的安全性造成威脅。

1 標示機構結構形式

1.1 標示機構的動作原理

標示機構參照直角坐標型機器人進行結構設計。機構中每一個桿件可視為一個剛體，給定剛體上任一點的位置和姿態(tài)，則剛體在空間上可用唯一的位姿矩陣進行描述；對標示機構工作空間內一點P（x，y，z），沿矢量[pij]=px[i]+py[j]+pz[k]平移，得到用于描述桿件平移變換的齊次坐標變換矩陣[2]：

其中[i]、[j]、[k]分別為直角坐標系中X、Y、Z坐標軸的單位矢量。機構中，X、Y向的協(xié)調運動用于實現(xiàn)槍體沿鋼坯端面的字符書寫，Z向運動用于補償因鋼坯尺寸收縮等因素造成的標示距離差：每書寫一個字符，機構根據(jù)測試儀器反饋的數(shù)據(jù)信息對標示距離進行適當調整，以保證標示的正常進行。標示機構簡圖如圖1所示。

1.2 標示機構使用工況分析

圖1 標示機構簡圖

連鑄鋼坯由液壓剪裁斷或火焰切割后，經輸送輥運送至鋼坯擋板處等待標示。受裁斷設備或切割原理的限制，鋼坯斷面質量一致性較差，常伴有熱切積瘤，斷面易產生一定的傾角（3°左右）；鋼坯裁斷后經輸送輥輸送至標示位置時，鋼坯軸線與輸送輥之間有形成夾角的可能。而標示機構在工作過程中沿各軸的運行速度為Vmax=500mm/s，故在標示過程中，受控制系統(tǒng)特性及機構動態(tài)性能的限制，標示槍體易與鋼坯端面發(fā)生碰撞；因槍體價格昂貴，自身結構強度不高，雖外設槍體防護罩，但槍體及其連接裝置所受外力不能及時削減時，過大的碰撞力仍會損害槍體護罩，進而縮短槍體使用壽命，對機構的正常工作造成危害。

針對機構標示過程中，可能發(fā)生的與鋼坯側向碰撞的情況，對現(xiàn)有機構運用ABAQUS進行碰撞仿真，對標示機構發(fā)生碰撞后的受力情況進行分析。

ABAQUS是一款基于有限元方法的工程模擬軟件，其中ABAQUS/Explicit是其主要分析模塊之一。ABAQUS/Explicit采用顯示動力學有限元格式，適合于分析受沖擊載荷并在結構內部發(fā)生復雜相互接觸作用結構的瞬間動態(tài)響應問題；利用中心差分法對運動方程進行顯式的時間積分[3]。

2 標示機構碰撞仿真與分析

2.1 碰撞模型的設計

這里考慮最不利工況：當鋼坯超出標示位，而Z向絲杠未能及時響應對槍頭位置進行調節(jié)時，可能存在的槍頭與鋼坯的側面碰撞。設定槍體以500mm/s的速度與?400mm鋼坯碰撞，碰撞發(fā)生后，槍體防護罩與鋼坯的軸向接觸深度為5mm，這里為簡化分析，僅以標示組件為例對碰撞情況進行說明，如圖2所示。

圖2 標示組件碰撞模型

標示組件中：槍體防護罩選用強度、硬度均較高的GB17395-1988不銹鋼無縫鋼管，其余部件選用的材料為Q235，對應材料屬性如表1所示。

表1 材料基本屬性

2.2 碰撞模型的前處理

將UG中建立好的模型以.x＿t的格式導入至ABAQUS工作界面。定義各個零部件的材料屬性并進行網格劃分；為提高計算精度對模型中規(guī)則結構采用六面體單元C3D8R、不規(guī)則結構采用四面體單元C3D4進行網格劃分。針對本次模擬仿真的主要研究對象——標示組件中的槍體防護罩，在仿真時將應變梯度較大的槍頭防護罩進行局部網格細化；創(chuàng)建動態(tài)、顯式分析步，碰撞分析時間Time Period為3.0×10-2s[4,5]?？紤]標示組件沿X軸負向運動時以Vmax=500mm/s的速度與鋼坯發(fā)生碰撞。為模擬工況，限定圖2中對應的4.回字形連接塊的自由度，使其只能延X方向平動。

2.3 碰撞仿真結果及分析

標示組件在與鋼坯發(fā)生碰撞過程中的最大Mises發(fā)生在碰撞后的0.0042s，對應的最大Mises應力云圖如圖3(a)所示，圖3(b)為碰撞發(fā)生的0.0096s作用力傳至連接立梁的應力云圖。

圖3 碰撞Mises應力云圖

通過圖3的Mises應力云圖不難發(fā)現(xiàn)，碰撞過程中模型中的最大應力超過380MPa，遠遠超出結構材料的屈服極限。為了進一步考察最危險點槍頭防護罩處的受力情況，本文提取了槍頭防護罩和鋼坯碰撞點的Mises應力時程曲線，如圖4所示。

圖4 Mises應力曲線圖

由上圖的曲線可知： 整個碰撞過程持續(xù)了大約0.01s，碰撞點Mises應力值在0.0042s時達到最大，為388.7Mpa，且在最大值點附近Mises應力值有微小波動。根據(jù)現(xiàn)場工況可知，鋼坯在線標示時，紅熱鋼坯的溫度一般為600℃，機構單次標示時間持續(xù)約40s后退回，遠離鋼坯標示面；故槍頭防護罩在標示過程中會吸收大量的輻射熱，導致材料溫度升高；根據(jù)材料特性：在t<150℃時：所選不銹鋼的許用應力為220Mpa；且隨溫度的增高，許用應力逐漸減小。碰撞發(fā)生后，槍體防護罩所受應力值遠大于材料許用應力，不能起到保護槍體的作用[6]，進而損壞槍體；若碰撞力不能得到及時釋放，較大的碰撞力經槍體防護罩等部件的傳遞，將以力偶的形式作用于槍體連接座，進而影響連接立梁及回字連接塊固定端的受力，嚴重時甚至導致停機，延誤生產。

在實際生產過程中，機構在標示現(xiàn)場運行過程中與鋼坯發(fā)生側向碰撞后會發(fā)生損壞，槍體防護罩的真實受損情況如圖5所示。

圖5 槍體防護罩受損情況

從圖5可以看出，槍體防護罩與鋼坯發(fā)生碰撞后受損嚴重，防護罩在碰撞力的作用下，前端嚴重變形，已不能保證槍體的正常使用。這與ABAQUS的計算結果一致，驗證了仿真結果的正確性。

2.4 標示機構旋轉保護裝置設計

為有效緩解碰撞力對槍體及標示機構的損害，需對現(xiàn)有結構進行改進設計。設計一種帶斜楔的旋轉保護裝置，保護裝置原理圖如圖6所示：正常工作時，斜楔頂柱在彈簧壓力作用下，楔形面緊貼連接塊凹槽，不會發(fā)生相對轉動，裝置能夠保證機構的標示需求；當槍頭與鋼坯發(fā)生碰撞時，碰撞力使斜楔沿連接塊凹槽擠出，彈簧受力壓縮，同時帶動槍頭旋轉。當碰撞力較小，斜楔頂柱未完全脫離凹槽時，保護裝置可自行復位；當碰撞力過大，頂柱斜楔脫離連接塊凹槽時，需手動復位，如圖6(a)所示（虛線表示機構受撞擊，發(fā)生旋轉后的狀態(tài)，其中F1為槍頭防護裝置所受碰撞力，F(xiàn)N為斜楔對連接塊作用力）。

圖6 旋轉保護裝置示意圖

綜合考慮槍頭防護裝置所受碰撞力的大小及材料許用應力的限制，結合實際生產經驗，對旋轉保護裝置中涉及的彈簧進行設計：當碰撞時的撞擊力F1達到材料許用應力值的80%時，彈簧壓縮，帶動斜楔脫離連接塊的楔形凹槽，槍體連接座發(fā)生旋轉，帶動槍體及其防護裝置偏移，從而起到保護槍體的作用。經過樣機的試制生產，在實際生產線上，當機構受到側向撞擊時，設計的旋轉結構能夠有效吸收、緩解沖擊力作用，并發(fā)生旋轉；裝置效果圖如圖7所示。

圖7 旋轉保護裝置

此外，為了方便操作人員及時了解槍頭及其保護裝置的使用情況，碰撞發(fā)生后，當保護裝置發(fā)生旋轉時，在遠離熱源一側設置的電子報警裝置即產生信號，方便人員了解生產情況，并做出停機、檢修等操作。

3 結論

鋼坯標示機構在使用過程中可能受到來自鋼坯徑向碰撞力的作用，通過ABAQUS對標示過程中可能出現(xiàn)的碰撞現(xiàn)象的模擬仿真，得出機構在碰撞過程中承受的最大Mises應力；根據(jù)碰撞分析結果提出旋轉保護裝置的設計方案，該設計能夠有效緩解機構受到的碰撞力，避免槍體及機構的機械損壞，為實際生產提供了理論參考，具有一定的現(xiàn)實意義。

[1] 傅旻,宗慶勛.小方坯端面標識設備寫字機構的動態(tài)特性分析[J].天津科技大學學報,2014,29(2):54-59.

[2] 張鐵,謝存禧.機器人學[M].廣州:華南理工大學出版社,2003.

[3] 莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京:清華大學出版社,2009.

[4] 基于Abaqus的木材侵徹性能的仿真研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2014,34(1):125-128.

[5] 周玉乾,朱永戰(zhàn),王躍功.基于ABAQUS的液壓支架整架非線性有限元分析 [J].煤礦機械,2010,31(11):92-94.

[6] 藺月敬,何永,黃歡.基于ABAQUS的某火炮擊發(fā)機構碰撞仿真分析[J].兵工自動化,2012,31(10):8-11.