擺架滑道間隙對(duì)擺剪強(qiáng)度影響的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

郭志強(qiáng)，趙 霞

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

擺架滑道間隙對(duì)擺剪強(qiáng)度影響的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

郭志強(qiáng)，趙 霞

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

通過瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析上刀架在擺架滑道中的不同間隙對(duì)擺剪強(qiáng)度和擺架滑道變形的影響，得出在許可范圍內(nèi)間隙為0.3 mm的時(shí)候?qū)[剪強(qiáng)度以及對(duì)擺架滑道變形量影響最小。并且分析間隙在0.3 mm時(shí)擺架滑道的應(yīng)力變化情況，其應(yīng)力最大值不會(huì)造成擺架滑道的損壞。最后通過在企業(yè)的實(shí)際測量驗(yàn)證了分析的合理性，為企業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)；應(yīng)力；間隙；擺架；變形

0 前言

本文研究的擺式剪切機(jī)是引進(jìn)德國西馬克公司制造的剪切機(jī)，上刀架在擺架滑道中滑動(dòng)，為了避免接觸性損傷在擺架滑道與上刀架之間留有0.3～0.5 mm的間隙。由于長時(shí)間的使用擺架滑道與上刀架接觸部位出現(xiàn)變形甚至磨損，因?yàn)榧羟辛Φ淖饔脮?huì)對(duì)擺架的沖擊振動(dòng)而造成擺剪的損壞，本文主要研究在不同間隙下對(duì)擺剪強(qiáng)度以及擺架滑道變形影響的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析( 亦稱時(shí)間歷程分析) 是一種用于確定結(jié)構(gòu)在任意隨時(shí)間變化載荷作用下的響應(yīng)技術(shù)?？梢杂盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析、確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、 應(yīng)變、應(yīng)力等。

Ansys中瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)求解的是一般意義的運(yùn)動(dòng)方程，其形式可以總結(jié)為

[M]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F(t)}

(1)

式中，[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{u}為節(jié)點(diǎn)加速度向量；{u}為節(jié)點(diǎn)速度向量；{u}為節(jié)點(diǎn)位移向量；{F(t)}載荷向量。

利用 Ansys 對(duì)擺架以及上刀架進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，采用模態(tài)疊加法得到結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，并計(jì)算在變化載荷作用下的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的應(yīng)力。

1 有限元模型的建立

1.1 網(wǎng)格的劃分

由于擺式剪切機(jī)模型完全對(duì)稱，為了減小運(yùn)算，方便網(wǎng)格的劃分，減少計(jì)算時(shí)間，采取模型的一半作為研究的分析對(duì)象，模型的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為177 054，劃分單元數(shù)量為111 896。

1.2 載荷的施加和邊界條件的選取

擺剪按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)施加載荷，擺剪在剪切瞬間受到最大剪切力4 250 kN，擺臂擺動(dòng)速度6.5 m/min，曲軸轉(zhuǎn)矩1 430 N·m，分別在上刀架與剪刃接觸部位施加4 250 kN，在擺架上施加6.5 m/min的擺動(dòng)速度使其與鋼材同步，在曲軸上施加1 430 N.m的轉(zhuǎn)矩。

在曲軸的一端限制x、y、z的位移使其不能有x、y、z方向的竄動(dòng)，對(duì)擺架施加z方向上的位移約束使擺架不能在z方向上擺動(dòng)，連桿與上刀架連接點(diǎn)施加固定約束，上刀架與擺架滑道接觸位置施加無摩擦滑動(dòng)約束，如圖1所示。

圖1 擺臂以及上刀架的受載圖以及間隙示意圖Fig.1 Diagram of gap between swing arm and upper tool carrier and its loading

2 瞬態(tài)分析結(jié)果

2.1 間隙對(duì)擺剪整體強(qiáng)度影響的分析

為了減少擺架滑道與上刀架接觸部位的磨損，擺剪滑道與上刀架必須存在一定間隙但是不能過大，擺剪上刀架在擺架滑道中存在不合理間隙，在剪切力的作用下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊碰撞，加快了擺剪部件的損壞，影響擺剪的壽命，根據(jù)擺剪設(shè)計(jì)要求間隙允許范圍0.3～0.5 mm之間分析擺剪整體的最大應(yīng)力，下面就對(duì)不同間隙對(duì)擺剪強(qiáng)度的影響作出分析。如圖2-4所示。

圖2 間隙為0.3 mm整體等效應(yīng)力圖Fig.2 Integral equivalent stress as gap is 0.3 mm

圖3 間隙為0.4 mm整體等效應(yīng)力圖Fig.3 Integral equivalent stress as gap is 0.4 mm

圖4 間隙為0.5 mm整體等效應(yīng)力圖Fig.4 Integral equivalent stress as gap is 0.5 mm

由分析看出上刀架與擺架之間的間隙為0.3 mm的時(shí)候，最大等效應(yīng)力為401.98 MPa當(dāng)間隙為0.4 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力410.98 MPa，而間隙為0.5 mm的時(shí)候，整體最大等效應(yīng)力為419.97 MPa。由于主驅(qū)動(dòng)都是從曲軸端部傳入，從圖中看出曲軸端部的應(yīng)力最大，在間隙為0.3 mm的時(shí)候應(yīng)力有所緩解只有401.98 MPa。

從結(jié)果可以得出隨著間隙的增大，擺剪最大應(yīng)力值也隨之增大。所以合理的控制上刀架與擺架的間隙，使之保持為0.3 mm時(shí)擺剪的應(yīng)力最小，擺剪承受強(qiáng)度也最小。

2.2 間隙對(duì)于擺架滑道變形的影響分析

在擺剪實(shí)際使用過程中，由于不合理間隙的存在使擺架在剪切過程中受到不均勻的側(cè)壓力而導(dǎo)致擺架滑道與上刀架接觸部位受力不均勻而發(fā)生變形。下面分析不同間隙對(duì)于擺架滑道變形的影響。

由圖5-7可看出，間隙為0.3 mm時(shí)，擺架滑道變形量1.4428 mm；間隙為0.4 mm時(shí)，變形量3.7055 mm；間隙為0.5 mm時(shí)，變形量4.5527 mm。隨著上刀架在擺架滑道中的間隙增大，變形越大，在間隙允許的范圍0.3～0.5 mm內(nèi)盡量減小間隙使滑道變形越小。

圖5 間隙0.3 mm擺架滑道的變形圖Fig. 5 Deformation of swing frame chute as gap is 0.3 mm

圖6 間隙0.4 mm擺架滑道的變形圖Fig.6 Deformation of swing frame chute as gap is 0.4 mm

圖7 間隙0.5 mm擺架滑道的變形圖Fig.7 Deformation of swing frame chute as gap is 0.5 mm

從圖5看出：擺架滑道最上部位變形較大，變形從滑道上部分最大依次往下看變形逐漸減小到達(dá)中間部位變形為零，再向下變形轉(zhuǎn)而為負(fù)達(dá)到最低端變形再次達(dá)到最大，此結(jié)果表明擺架滑道上下兩端變形較大而且變形方向相反，這樣在長期使用的過程中滑道與上刀架存在接觸不均勻現(xiàn)象而使擺架滑道部位受損。

2.3 間隙為0.3 mm時(shí)擺架滑道部位的應(yīng)力分析

因?yàn)殚g隙在0.3 mm時(shí)，擺剪整體應(yīng)力最小，擺架滑道變形量最小，下面重點(diǎn)分析間隙在0.3 mm的時(shí)候擺架滑道的應(yīng)力分布。

圖8-9是擺架滑道的應(yīng)力分布圖和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化圖，兩圖相結(jié)合從擺架滑道最上端往下，到125 mm處應(yīng)力最大0.4438 MPa隨后逐漸減小，到達(dá)滑道中部的時(shí)候應(yīng)力值最小0.39 MPa，再向滑道下部看去應(yīng)力又逐漸增大并且到1 400 mm的時(shí)候應(yīng)力值又一次達(dá)到最大0.42 MPa，隨后又逐漸減小。兩處應(yīng)力最大的部位都是在擺剪剪切過程中上刀架與滑道接觸緊密擠壓而產(chǎn)生的，最大的等效應(yīng)力0.4438 MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擺架滑道的強(qiáng)度極限值，擺架滑道安全。

圖8 間隙為0.3 mm的擺架滑道應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution of swing frame chute as gap is 0.3 mm

圖9 間隙為0.3 mm時(shí)擺架滑道應(yīng)力變化圖Fig.9 Stress curve of swing frame chute as gap is 0.3 mm

目前，擺剪上刀架與滑道之間的間隙為0.46 mm，通過在裝配過程中精準(zhǔn)安裝；在不影響擺臂強(qiáng)度的情況下改變擺臂滑道的寬度或者增加上刀架在擺臂滑道中的厚度；或者在擺臂與滑道之間安裝一層0.16 mm銅片材料，使擺剪上刀架與擺臂之間的間隙保持在0.3 mm。在曲軸端部，通過在企業(yè)實(shí)際測量，擺架滑道距滑道頂部125 mm的位置布置測點(diǎn)，得出曲軸端部應(yīng)力450 MPa與分析計(jì)算在間隙為0.4 mm時(shí)的最大應(yīng)力410.98 MPa相比，誤差10%，擺架滑道部位測得0.35 MPa與計(jì)算分析值0.4438 MPa相比誤差為19.98%小于20%，驗(yàn)證了載荷施加和模型的合理性。

3 結(jié)論

(1)分析不同間隙對(duì)擺剪上刀架擺架部位的應(yīng)力影響和對(duì)擺架滑道的變形影響，得出間隙在0.3 mm的時(shí)候整體最大應(yīng)力最小，擺架滑道最大變形量最小。

(2)在間隙為0.3 mm的時(shí)候擺架滑道上下部位有少許的應(yīng)力集中但是應(yīng)力相對(duì)很小在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，說明間隙在0.3 mm時(shí)能夠保證擺架滑道部位不受損壞。

(3)通過實(shí)際測量驗(yàn)證了理論的合理性，為企業(yè)維護(hù)擺剪提供理論依據(jù)。

[1] 高得平. 機(jī)械工程中的有限元法基礎(chǔ)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2011.

[2] 周桓,陳伶，胡建民. 擺式剪板機(jī)刀架設(shè)計(jì)[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù),2011，39:20-21.

[3] 鄒家祥. 軋鋼機(jī)械(第三版)[M].冶金工業(yè)出版社, 2007.

[4] 丁皓江編. 彈性和塑性力學(xué)中的有限單元法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:155-165.

[5] 尚曉江，邱峰，趙海峰，等. ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

Transient dynamic analysis on effect of swing frame chutegap on pendulum shear strength

GUO Zhi-qiang, ZHAO Xia

(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In this paper, effect of gap between upper tool carrier and swing frame chute on pendulum shear strength and the chute deformation are analyzed, by means of transient dynamics analysis. Some conclusion are obtained from the analysis, in the allowed range, when gap is 0.3 mm, pendulum shear strength and swing frame chute deformation are the smallest, Stress variations distribution of swing frame chute is analyzed, and it′s maximum stress not damages the chute. The conclusion is reasonably with actual measurements, and it also provides theoretical basic fou some enterprise production.

transient dynamics; stress; clearance；rack；deformation

2015-09-05；

2015-11-15

郭志強(qiáng)(1963-)，男，內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向：冶金機(jī)械強(qiáng)度分析。

TH132.4

A

1001-196X(2016)02-0079-04