徑-軸向軋環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化

王 進(jìn)

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

徑-軸向軋環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化

王 進(jìn)

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是徑-軸向軋環(huán)設(shè)備的關(guān)鍵構(gòu)件之一，對(duì)軋環(huán)過(guò)程能否平穩(wěn)順利進(jìn)行和環(huán)件成形有重要影響。文章分析了徑-軸向軋環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，運(yùn)用解析法對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了抱角和油缸擺角的關(guān)系?；趧?dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了實(shí)驗(yàn)機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的參數(shù)化的虛擬樣機(jī)模型，并以油缸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最小擺角為目標(biāo)函數(shù)，以各部件的裝配位置為設(shè)計(jì)變量，對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)迭代計(jì)算，使得油缸擺角比原設(shè)計(jì)減小了24.9%。研究結(jié)論為徑-軸向軋環(huán)機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

徑-軸向軋環(huán)機(jī)；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-204-03

引言

以前的研究大多是針對(duì)于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究、力學(xué)研究和數(shù)值模擬研究，許思廣對(duì)臥式隨動(dòng)雙導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行過(guò)一些試驗(yàn)研究、解析研究和模擬研究。左治江[1]研究了冷輾擴(kuò)中單輥隨動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是對(duì)于徑-軸向?qū)驒C(jī)構(gòu)的油缸的最佳安裝位置和擺動(dòng)幅度控制研究較少。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案，對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使油缸在抱輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其擺動(dòng)幅度減小。為實(shí)驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1、環(huán)件外徑擴(kuò)大速度

由于徑-軸向軋環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為圍繞主輥兩側(cè)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，固以下只分析其中一邊的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，圖1是徑-軸向環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作原理簡(jiǎn)圖。導(dǎo)向輥隨著環(huán)件長(zhǎng)大做下弧線運(yùn)動(dòng)[2]，控制導(dǎo)向輥的油缸也隨導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)而被壓縮和擺動(dòng)。成形環(huán)件的尺寸越大，油缸壓縮量越大，其擺角也隨之變化。

圖1 徑-軸向軋環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作原理圖

根據(jù)體積不變?cè)恚⒑雎暂S向?qū)捳?，可得到外徑Rt和圓心Ot表達(dá)式[3]：

分別對(duì)(1)和(2)求導(dǎo)即可得到環(huán)件外徑長(zhǎng)大速度和環(huán)件圓心移動(dòng)速度：

2、利用解析法對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

圖3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析示意圖

圖2為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，圖3為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析示意圖。P1為導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸中心位置，P2為導(dǎo)向輥油缸前鉸鏈位置，P3為導(dǎo)向輥油缸后鉸鏈位置。即根據(jù)導(dǎo)向輥繞導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，即有如上表達(dá)式：

3、建立參數(shù)化的虛擬樣機(jī)模型

虛擬樣機(jī)模型的幾何參數(shù)參照實(shí)際小型徑向軋環(huán)設(shè)備導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的實(shí)際尺寸，取環(huán)件初始內(nèi)徑r0=100mm、外徑R0=300mm、進(jìn)給速度v=2mm?s-1、軋制時(shí)間t=5s。建立如圖2所示的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。在環(huán)件軋制過(guò)程中，為確保導(dǎo)向輥各部件不發(fā)生干涉，即將各部件按實(shí)際尺寸在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行建模，這樣可以獲得理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果。

3.1 設(shè)計(jì)變量的確定

以主輥圓心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖2所示的坐標(biāo)系。油缸擺角β與導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸中心坐標(biāo)、油缸前段固定座相對(duì)于導(dǎo)向輥機(jī)架位置、油缸后段固定座相對(duì)于導(dǎo)向輥機(jī)架位置有關(guān)的函數(shù)，故以導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸中心安裝位置、油缸前段固定座安裝位置、油缸后段固定座安裝位置作為設(shè)計(jì)變量，具體如表1所示。各設(shè)計(jì)變量取值范圍作以下說(shuō)明：1、導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸安裝位置取值范圍根據(jù)主輥上主板尺寸設(shè)定；2、油缸前端固定座安裝位置范圍根據(jù)導(dǎo)向輥臂長(zhǎng)設(shè)定；3、油缸后端固定座安裝位置則根據(jù)徑向軋環(huán)機(jī)機(jī)架決定。

表1 設(shè)計(jì)變量

3.2 外界驅(qū)動(dòng)的施加

根據(jù)公式（3）、（4）、（5）可計(jì)算出的環(huán)件外徑擴(kuò)大速度和環(huán)件圓心移動(dòng)速度。在ADAMS中分別用函數(shù)表達(dá)式加載到移動(dòng)副中。

4、虛擬樣機(jī)模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型的可靠性，將由以上解析公式計(jì)算得到的以導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)和以油缸擺角為縱坐標(biāo)的關(guān)系與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖4和圖5中可以看出，仿真得到的導(dǎo)向力比解析值略大，這是由于虛擬樣機(jī)仿真是動(dòng)態(tài)過(guò)程，各構(gòu)件還受到了慣性力的影響。但是解析和仿真得到的彈簧力以及導(dǎo)向力變化趨勢(shì)基本一致，這也證明了虛擬樣機(jī)模型的正確性。

圖5 解析法變化曲線圖

圖4 ADAMS仿真變化曲線圖

5、參數(shù)化虛擬樣機(jī)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

在ADAMS/view的優(yōu)化工具箱中選定優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量和約束條件，經(jīng)過(guò)多次迭代，自動(dòng)得到優(yōu)化后的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型如圖（b）所示。

圖6 優(yōu)化前后導(dǎo)向輥示意圖

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

在優(yōu)化前后目標(biāo)函數(shù)和各設(shè)計(jì)變量的值如表5-1。與原設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化后導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的油缸的最小擺角減小了24.9%。優(yōu)化前后導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的油缸的最小擺角（縱坐標(biāo)）與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角（橫坐標(biāo)）曲線如圖7所示，優(yōu)化后的曲線比優(yōu)化前更平緩，這也有利于環(huán)件的穩(wěn)定軋制。且由表2可知油缸前段固定座安裝位置對(duì)油缸擺角的影響最大，而導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)軸位置縱坐標(biāo)的影響最小。由此可知，在設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)，將可將油缸前段固定座安裝在預(yù)訂位置，則可以使油缸的擺角盡可能減小，從而使導(dǎo)向輥運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

圖7 優(yōu)化前后導(dǎo)向油缸擺角隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的變化對(duì)比

6、結(jié)論

通過(guò)對(duì)徑-軸向軋環(huán)機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得如下結(jié)論：

（1）對(duì)徑-軸向?qū)驒C(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的解析，得到了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角和油缸擺角之間的關(guān)系。

（2）建立了以油缸的最小擺角為目標(biāo)函數(shù)的虛擬樣機(jī)優(yōu)化模型，經(jīng)過(guò)多次迭代，使得各設(shè)計(jì)變量得到了不同程度的優(yōu)化，最終使得油缸擺角較大幅度下降，使得環(huán)件軋制過(guò)程，油缸運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

[1] 華林,左治江,錢東升.環(huán)件冷輾擴(kuò)中單輥隨動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2006,(9):953-957.

[2] 莊仲凱,王強(qiáng),談?dòng)颀埖?徑-軸向輾環(huán)機(jī)軸向軋制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析[J].精密成形工程,2012,4(5):30-36.

[3] L.B.Pan, L.Hua and J.Lan,3D FE simulation and analysis on radialaxial large ring rolling, Materials Science Forum, (2007) 1903-1906.

Operation Analysis And Optimization Of Guide Mechanism Of Radial Axial Ring Rolling Mill

Wang Jin
( School of Automotive Engineering of Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )

Guide mechanism is one of the key components of the radial axial ring rolling equipment. It has important influence on the smooth running of the ring rolling process and the forming of the ring. This paper analyzes the motion characteristics of radial axial ring rolling experiment machine guide mechanism, using the analytical method of kinematic analysis of the mechanism, the holding angle and swing angle between cylinder The virtual prototype model of parametric test machine guide mechanism establishment based on the dynamics simulation software ADAMS, and the minimum cylinder rotation angle as the objective function, the assembly position of each component as design variables, the guiding mechanism of the experimental machine were optimized by iterative calculation, the cylinder angle than the original design reduced by 24.9%. The research conclusions provide the theoretical basis for the optimization design of the guide mechanism of the small diameter ring rolling mill.

Radial axial ring rolling mill; Steering mechanism, Kinematics; The virtual prototype model of para -meterized; The optimization design

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-204-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.070

王進(jìn)，（1989.2-）碩士研究生。就讀于武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，車輛工程專業(yè)。