管樁端板毛坯壓焊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

金嘉琦， 李凝

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

0 引 言

管樁用端板是預(yù)應(yīng)力水泥管道的主要零部件，國(guó)內(nèi)日常需求量非常大。目前，國(guó)內(nèi)樁生產(chǎn)的公司已經(jīng)達(dá)到約500多家，與管樁生產(chǎn)配套的端板生產(chǎn)企業(yè)也不斷增加，直到2011年年底，我國(guó)管樁用端板的生產(chǎn)公司已經(jīng)接近70家[1]。在管道工程的應(yīng)用中，法蘭主要是用來連接管道的。管樁端板分為法蘭板和法蘭盤兩種，都是用以連接設(shè)備的配件使用，其實(shí)際作用就是可以使設(shè)備更穩(wěn)固、可靠。管樁端板毛坯件的生產(chǎn)基本上是應(yīng)用連續(xù)軋制、卷曲螺旋成型、切割分片等具有高效率的方法生產(chǎn)，它的翹曲切口焊接方式極為麻煩?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)很多公司使用手工焊接的傳統(tǒng)方法來生產(chǎn)管樁用端板，很難在滿足批量生產(chǎn)的要求同時(shí)又滿足質(zhì)量的要求[2]。焊接成型后的管樁端板毛坯件還需在數(shù)控立式車床上進(jìn)行車削加工。由于用量很大，而現(xiàn)在絕大多數(shù)企業(yè)端板的生產(chǎn)均為人工上下料，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境差[3]。為了提高生產(chǎn)效率，需設(shè)計(jì)一自動(dòng)化生產(chǎn)線，由于需要自動(dòng)壓焊動(dòng)作，所以毛坯件的壓力分析就顯得極為重要，并且需要求得壓焊機(jī)構(gòu)壓力缸輸出的力為多少，并對(duì)管樁端板毛坯件進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 壓焊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 管樁端板壓焊工作分析

管樁端板分為法蘭板和法蘭盤兩種，都是用以連接設(shè)備的配件使用，其實(shí)際作用就是可以使設(shè)備更穩(wěn)固，可靠。管樁用端板毛坯件在實(shí)際應(yīng)用過程中的外徑尺寸D一般在400 ～600 mm 之間，相應(yīng)的內(nèi)徑尺寸d的范圍為210～330 mm,工件厚度H 大 約 為14 ～25 mm。焊接前采用鋸床加工，鋸條規(guī)格為411.32/3N，焊縫寬度L為3 mm，焊接前工件開口處上下高度h 為15～18 mm。一般切口尺寸大小不一，通常焊縫約為直線型走向[4]，如圖1、圖2所示。

圖1 端板焊縫圖

圖2 端板翹曲圖

管樁端板壓焊過程是由機(jī)械手在上料工位完成后夾取并移動(dòng)到壓焊工位，放開工件后,工件靠自身重力與平臺(tái)保持固定，根據(jù)PLC自動(dòng)設(shè)置節(jié)拍，機(jī)械手離開后，壓力缸開始進(jìn)行下壓動(dòng)作。下壓后焊槍由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)伸出開始進(jìn)行焊接動(dòng)作。工作流程如圖3所示。

1.2 壓焊機(jī)構(gòu)建模

圖3 壓焊流程圖

由工況分析得知毛坯壓焊機(jī)構(gòu)需要帶有壓力裝置，所以在初步建立模型時(shí)可模擬出液壓缸大概位置及考慮到整個(gè)機(jī)構(gòu)大概位置分布。整個(gè)機(jī)構(gòu)上板長(zhǎng)和寬分別為1000 mm、610 mm，板厚為25 mm。上板與下板距離為600 mm。下板主要尺寸為長(zhǎng)1295 mm、寬1000 mm、高48 mm。分別添加凸臺(tái)以便裝配驅(qū)動(dòng)機(jī)和工件定位。四底腳呈圓柱體狀，結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定。

在初步的壓焊機(jī)構(gòu)建?；A(chǔ)上添加其他所需零件，導(dǎo)入焊槍驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的模型，并模擬出焊槍。然后導(dǎo)入作為夾取和定位用的機(jī)械手，機(jī)械手夾取手部受力示意圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械手受力圖

由受力圖可得，在C點(diǎn)，由平衡方程可得

式中：F為驅(qū)動(dòng)力；F23為桿2作用在桿3上的力。

由A點(diǎn)的平衡方程得

一般取F23約為4～6，F(xiàn)56與F23同理，由此可得

通過以上計(jì)算可知，這類機(jī)械手的最大一個(gè)優(yōu)勢(shì)是機(jī)構(gòu)過死點(diǎn)位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，這樣就可以充分滿足夾緊力。將機(jī)械手和焊槍裝配到一起并添加管樁端板毛坯件則得到焊接過程，如圖5所示。

圖5 壓焊機(jī)構(gòu)示意圖

其中液壓缸頭部采用圓柱體施加壓力使接觸面盡量擴(kuò)大防止壓強(qiáng)過大導(dǎo)致工件損壞，液壓缸位置要偏于中心，既方便給管樁端板毛坯件施加壓力，又可以給焊槍留出足夠位置以便焊槍焊接。

壓力缸施壓圓柱面受壓面積可由式（3）得出：

所以S=3.14×1600=5024 mm2。經(jīng)過幾次計(jì)算后得知選擇此尺寸管樁端板毛坯件受力比較均勻。管樁端板毛坯受力表面不應(yīng)過小，容易超過管樁端板毛坯件的屈服極限，使管樁端板毛坯件發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，由于沒有超過其極限強(qiáng)度，毛坯件不會(huì)發(fā)生崩壞，毛坯材料為Q235鋼，其極限強(qiáng)度σb規(guī)定在373～461 MPa，但由于發(fā)生了塑性變形也被視為是失效的，Q235屈服極限在216～235 MPa之間。圓柱面也沒必要過于大，因?yàn)槌^毛坯件表面后對(duì)毛坯件受力影響不是很大，這樣既浪費(fèi)材料又增加了工作量。

2 管樁端板毛坯力學(xué)分析

2.1 管樁端板毛坯件受力分析

管樁端板毛坯焊接時(shí)壓力缸下壓過程共分為三個(gè)步驟：第一步為壓力缸圓柱剛與毛坯件接觸，此時(shí)管樁端板毛坯件不受任何壓力且無任何變形，當(dāng)壓力機(jī)繼續(xù)施壓時(shí)進(jìn)入第二個(gè)階段（即管樁端板毛坯件受壓力并且為彈性壓縮變形階段），管樁端板毛坯件在壓力缸的壓力作用下受到壓縮, 并且隨著管樁端板毛坯的變形越大其彈性力越大。在一般情況下，管樁端板毛坯件只受壓力缸所施加的壓力，所以此過程中管樁端板毛坯件并無轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。第三階段為管樁端板毛坯類似彈簧完全壓縮的情況，此時(shí)彈性變形量達(dá)到最大值，管樁端板毛坯部分下表面與凸臺(tái)發(fā)生緊密接觸。

由于管樁端板毛坯受壓力形式與矩形彈簧受壓形式高度類似，這里可將管樁端板毛坯件看做工作圈數(shù)為1的矩形彈簧受壓力，其中彈簧切應(yīng)力τ計(jì)算公式及變形量F的計(jì)算公式為彈簧設(shè)計(jì)的原始公式即：

式中：n為工作圈數(shù)；P為彈簧軸向負(fù)荷，N；D2為彈簧中徑，mm；G為切變模量，MPa；Ip為極慣性矩，mm4。

因?yàn)楣軜抖税迕髌錂M截面為矩形，在發(fā)生變形后截面已不再繼續(xù)為平面，這種現(xiàn)象稱為翹曲現(xiàn)象，所以不適合平面假設(shè)，故需要應(yīng)用彈性力學(xué)的知識(shí)來求解[5]，所以經(jīng)過推導(dǎo)后的最大切應(yīng)力和變形量公式分別為：

式中，γ和β計(jì)算方法可由式（8）、式（9）計(jì)算得出：

式中:a為管樁端板毛坯截面的長(zhǎng);b為管樁端板毛坯件截面的寬。

為了求極限值所取尺寸較大，在這里我們?nèi)」軜抖税迕骷鈴綖?00 mm，內(nèi)徑為300 mm，厚度為25 mm，因?yàn)橐话懵N曲高度為15 mm，所以位移量F取15 mm，其中n即為1，管樁端板毛坯切變模量為80 GPa，經(jīng)過計(jì)算后得出所需壓力P約為11 511.54 N，最大切應(yīng)力τ為151.77 MPa。經(jīng)查閱文獻(xiàn)得知Q235鋼許用剪切應(yīng)力為0.8倍的屈服極限所以計(jì)算后約為180 MPa，故毛坯件在受壓力為P 時(shí)，不會(huì)被剪壞。

2.2 有限元模型的建立

管樁端板毛坯件模型的分析中可以應(yīng)用接觸單元分析,這樣能非常準(zhǔn)確地求解變形和應(yīng)力之間的關(guān)系。彈性力學(xué)作為有限元靜力學(xué)分析的理論基礎(chǔ), 其本質(zhì)是固體力學(xué), 但是彈性力學(xué)更優(yōu)于材料力學(xué)的原因是研究對(duì)象的普遍性, 由于方法和結(jié)果都具有更高的可信度和可靠度,使其成為廣泛應(yīng)用的分析方法[6]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展，有限元法已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的重要組成部分。ANSYS 既含有簡(jiǎn)單的線性分析功能又可以處理復(fù)雜的非線性分析，這使得它成為一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件，并被使用在各個(gè)領(lǐng)域，比如結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，以及零件的分析和方法的優(yōu)化[7]。

本文采用ANSYS Workbench有限元模擬軟件對(duì)管樁端板毛坯件進(jìn)行受力仿真，在SolidWorks中建立外徑尺寸為500 mm，內(nèi)徑尺寸300 mm,工件厚度為25 mm，開口高度15 mm的毛坯件三維模型，添加底面凸臺(tái)后另存為“x_t”文件，然后將此文件無偏差的導(dǎo)入到ANSYS Workbench中添加毛坯件材料屬性如表1所示。

表1 管樁端板毛坯材料屬性

本文中由于不考慮受重力以外的受力和變形的情況，并且為了使仿真更加貼近實(shí)際得出的結(jié)果更為可靠，在仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)模型單元?jiǎng)澐痔幚硎褂玫氖荢OLID92號(hào)實(shí)體單元。SOLID92單元是四面體單元,共有10個(gè)節(jié)點(diǎn)[8]。此單元不但在模擬曲面邊界的方向上具有很好優(yōu)勢(shì),而且又因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)少,可以節(jié)省大量的系統(tǒng)資源，有效地減少計(jì)算時(shí)間增加仿真的真實(shí)性和可信賴性，即使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差也是非常微小并且在誤差允許的范圍之內(nèi)，可以忽略不計(jì)。

對(duì)管樁端板毛坯件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越密集計(jì)算精度越高，但網(wǎng)格尺寸到達(dá)一定程度后分析結(jié)果發(fā)生的改變微小，而且由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)限制，考慮計(jì)算資源大小，本次仿真選用網(wǎng)格尺寸大小為5 mm，共含有31 698個(gè)單元，產(chǎn)生了75 490個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格過渡平滑，無畸變網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量較高，滿足數(shù)值計(jì)算模型的要求。其中包括了含凸臺(tái)在內(nèi)的網(wǎng)格劃分，劃分后如圖6所示，其中含有工件劃分網(wǎng)格后的剖切視圖，可清晰看出網(wǎng)格單元與SOL92模型視圖基本一致。

圖6 網(wǎng)格劃分

2.3 施加載荷與邊界條件

由于工件受壓只為上部壓力缸所給，故工件受力只有一個(gè)壓力，但由于壓力我們未知，即所求的毛坯件壓平的力。毛坯件翹曲高度一般是15 mm，所以這里我們應(yīng)用ANSYS Workbench中施加強(qiáng)制位移的方法將受壓表面向下施加15 mm的位移，然后將施加的位移轉(zhuǎn)換為所受的壓力。

工件受壓時(shí)由于自身下表面與平臺(tái)的摩擦使其產(chǎn)生固定，為了讓管樁端板毛坯件受壓時(shí)仿真效果更加明顯和可靠，在仿真分析中添加了壓焊機(jī)構(gòu)中的凸臺(tái)和零件間的接觸，ANSYS Workbench中接觸方式共有5種：綁定接觸（Bonded）、不分離接觸（No Separation）、無摩擦接觸（Frictionless）、粗糙度接觸（Rough）、摩擦接觸（Frictional）。因?yàn)楣軜抖税迕魇軌簳r(shí)切向不會(huì)發(fā)生位移，法向也不會(huì)發(fā)生滲透所以為了節(jié)省電腦資源這里選用綁定接觸，無相對(duì)位移，接觸面共用節(jié)點(diǎn)。然后在凸臺(tái)的底面添加固定約束使兩個(gè)零件固定。

圖7（b）中黃色部分為壓力缸向下施加力的范圍，圖7（c）中墊臺(tái)底部紫色部分為施加的固定載荷面，在ANSYS Workbench軟件中將力與位移相互轉(zhuǎn)換，讓黃色受力部分（實(shí)際為翹曲）與另一端接近水平即視為壓平，其中模擬高度為15 mm，在ANSYS Workbench中分析后，可以將這15 mm位移量轉(zhuǎn)換為管樁端板毛坯件實(shí)際所受的壓力。

圖7 邊界條件的設(shè)定

2.4 結(jié)果分析

經(jīng)過ANSYS Workbench計(jì)算分析后，得出管樁端板毛坯翹曲部分壓平所需要的力為11 548 N，理論計(jì)算結(jié)果為11 511.54 N，與毛坯力學(xué)理論計(jì)算有些許偏差，但由于仿真中接觸條件和模型的理想化建立及一些不可避免的條件誤差存在，所導(dǎo)致的結(jié)果誤差是可忽略的。由圖8看出，管樁端板毛坯翹曲處位移變形量約為15.29 mm，實(shí)際需要的高度為15 mm，與實(shí)際所需要的位移變形差異不大，位移變形最大的部分是在端板所受壓力部分，然后逐漸變小。

圖9為管樁端板毛坯件受力后應(yīng)力云圖，由云圖我們可以清晰得到其等效應(yīng)力最大值為196.86 MPa，經(jīng)查文獻(xiàn)得知Q235鋼的屈服極限為235 MPa，所以毛坯在受到此結(jié)果的力后不會(huì)發(fā)生失效，輸出管樁端板毛坯件受到的剪切力云圖，經(jīng)過整理發(fā)現(xiàn)其最大剪切力在中部位置，方向與最小剪切力相反，但所取值為絕對(duì)值，故最大剪切力為152.85 MPa,與理論計(jì)算的結(jié)果151.77 MPa對(duì)比相差不大，同樣在許用剪切應(yīng)力范圍之內(nèi)。

圖8 力和變形量

圖9 應(yīng)力云圖

3 結(jié) 語

為了提高生產(chǎn)效率，減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度，本文基于企業(yè)的需要，對(duì)管樁用端板毛坯自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線中壓焊機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到了管樁端板焊接的模型，實(shí)現(xiàn)了管樁端板上料后壓平和焊接的動(dòng)作，證明了機(jī)械手的抓取力是可靠的，并對(duì)管樁端板毛坯件進(jìn)行靜力學(xué)分析，求出了其壓平焊接的所需力大小。通過與管樁端板毛坯件受力的理論計(jì)算相對(duì)比及材料力學(xué)性能相結(jié)合分析，得到了最終結(jié)果。使管樁端板自動(dòng)焊接生產(chǎn)線能順利設(shè)計(jì)完成，提高管樁端板毛坯件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)效率，并為企業(yè)節(jié)省了時(shí)間和成本。