基于有限元分析的校直機機身設(shè)計

畢 初,孟文波,譚志銀

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,安徽 滁州 239000;2.滁州學(xué)院 機電工程學(xué)院,安徽 滁州 239000)

0 引言

目前,全國各大卷煙廠仍在大量使用從德國引入的PROTOS系列卷煙機,該機型加工質(zhì)量高,生產(chǎn)速度快,但一直存在煙絲消耗過多的問題。針對該問題設(shè)計了配套的自動分類回收箱,其中應(yīng)用了大量的軸系零件,而在生產(chǎn)制造過程中發(fā)現(xiàn)采購的軸系零件或多或少存在彎曲變形的問題[1],對整機的運行產(chǎn)生了干擾。在制造前需要使用校直機對采購的軸系零件進行校直處理,市面上現(xiàn)有的小型校直機種類較少,價格較高,因此決定自主開發(fā)一款小型自動校直機,本文對該校直機的機身進行了設(shè)計分析。

1 校直方案的設(shè)計

軸系零件是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的零件類型之一,但是在熱處理過程中軸類材料受多種因素的影響會發(fā)生彎曲變形,變形會影響零件的使用性能[2],使得后續(xù)的加工誤差增大,進而影響整機的正常運行,因此軸類材料的校直處理至關(guān)重要。

校直機的工作原理:對于軸系零件,使用夾緊裝置上的頂尖部分固定住軸系零件的兩端中心,通過夾具的旋轉(zhuǎn)帶動零件做勻速回轉(zhuǎn)運動。放置在側(cè)面的激光檢測器將各部分的圓跳動公差全部記錄并傳輸給控制中心,控制中心根據(jù)編好的程序,在圓跳動最大的位置朝上的時候停止轉(zhuǎn)動,然后校直壓頭根據(jù)需要的力對其進行受力校直[3]。金屬材料的回彈特性決定了校直必須將軸系零件反向彎曲來平衡回彈特性才能實現(xiàn)完全校直[4]。溝槽壓板校直兼顧了校直精度和效率,同時可以通過專門的機械手完成上下料,從而實現(xiàn)無人生產(chǎn),因此選擇溝槽校直的方案,如圖1所示。

圖1 溝槽校直Fig.1 Groove straightening

2 機身設(shè)計

整個校直部分主要包括驅(qū)動裝置、動板、滑軌和壓頭[5]。其中,動板需要完成垂直方向的上下運動。為了使傳動效率最大化,創(chuàng)造性地將提供上下驅(qū)動力的液壓缸固定在頂部的橫梁上,通過夾具與動板相連接,總體框架如圖2所示。此種設(shè)計可以通過液壓缸直接輸出需要的校直壓力,能夠有效提高校直精度。

圖2 機身總體框架Fig.2 Overall framework of the fuselage

2.1 承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計

考慮采用可拆解的造型設(shè)計,設(shè)計圖樣如圖3所示。在夾具正上方對稱安裝有兩組承重板,兩組承重板的中間位置作為動板的安裝滑軌。每組承重板有一長一短兩個鋼板,均通過一排緊固螺釘固定在側(cè)面的機身上,每塊鋼板側(cè)面含有兩處銷孔,通過銷將兩條橫梁固定在承重板上,此種結(jié)構(gòu)能夠有效加強機身的穩(wěn)定性。在承重板的底部安裝有擋板,以此作為動板的限位器,防止損壞軸系零件。

圖3 承重板Fig.3 Bearing plate

2.2 液壓缸的選擇

2.2.1液壓缸的類型

液壓缸利用大氣壓,通過輸入液壓油的流量控制油口開關(guān),實現(xiàn)活塞桿移動控制[6]。該結(jié)構(gòu)具有可靠性高、占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,特別適合校直機這樣長期沖擊的操作[7]。根據(jù)承重梁的結(jié)構(gòu)選用法蘭型液壓缸,如圖4所示。

圖4 液壓缸Fig.4 Hydraulic cylinder

汽缸筒體和前后端蓋通過法蘭盤連接,法蘭盤與缸筒體之間采用焊接、螺紋方式連接,該連接方式強度高,連接穩(wěn)定,可承受嚴酷的沖擊負載,也可以適應(yīng)惡劣的外界條件。

2.2.2液壓缸的尺寸

按照設(shè)計的機身尺寸,預(yù)計提升鋼板總質(zhì)量M為200 kg,設(shè)計液壓缸為2個,單個液壓缸提升的質(zhì)量為200/2=100 kg;而升降平臺的最大起升高度為250 mm;最大上升與下降速度均為0.1 m/s;液壓平臺工作時的最大負載為F≈100 kN=100 000 N;機械效率η=0.95;工作壓力選為P=4 MPa。根據(jù)液壓缸直徑的計算公式:

(1)

帶入數(shù)值計算得D≈183.047 mm,查找市面上的相關(guān)產(chǎn)品,最終確定的液壓缸的直徑D為200 mm,缸壁的厚度為10 mm,法蘭盤選用370 mm×370 mm。

2.3 活塞桿的選擇

2.3.1活塞桿直徑的確定

由于工作條件各異,因此活塞桿需要承受拉力、壓力、彎矩和振動沖擊等多種力學(xué)作用,必須保證其有足夠的強度和剛度[8]。

受拉力作用時,d=0.30～0.50D。受壓力作用時:P<5 MPa時,d=0.50～0.55D;5 MPa7 MPa時,d=0.70D。

本次設(shè)計的校直機機身,承擔(dān)校直工作的活動板下掛在液壓缸上,因此液壓缸僅承受拉力作用,根據(jù)設(shè)計要求,選取的活塞桿直徑計算公式d=0.40D。前文中選定的液壓缸的直徑D為200 mm,故活塞桿直徑d=0.40×200=80 mm。查找機械手冊液壓分卷中活塞桿的設(shè)計尺寸,最終確定活塞桿直徑d為80 mm。

2.3.2活塞桿強度校核

按強度條件校核公式[9]:

(2)

2.4 總體設(shè)計

根據(jù)計算的尺寸在SolidWorks軟件中完成三維圖形的繪制,最終完成的效果圖如圖5所示。機身上半部分有兩塊用于承重的橫梁,法蘭盤式液壓缸是利用螺釘固定的。在液壓缸下面活塞桿與夾具相連,夾具用來固定一塊可上下移動的動板。動板的底部裝有滑軌,在計算機的控制下壓頭可以在滑軌上左右移動選擇合適的位置進行按壓校直。機身的下部為長條形的工作臺,其上安裝有夾具,可帶動軸系零件高速旋轉(zhuǎn),從而檢測彎曲的位置和幅度。

圖5 機身外觀圖Fig.5 Fuselage appearance

考慮到后期機身需要增加工業(yè)電腦、PLC以及油泵等裝備,連接的線路直接放置在機身上存在安全隱患,因此需要添加專門用于走線的部件。查看整機結(jié)構(gòu),考慮在機身的尾部添加一個包圍機身的空心管件,前端伸長固定在機身上,用于給夾緊機構(gòu)走線。橫梁由一條空心管組成,通過螺釘固定在機身上。側(cè)面由三部分組成,全部為空心零件,通過螺釘固定在機身上,最終效果圖如圖5所示。

3 靜力分析

設(shè)計好的機身需要進行有限元分析,以此來檢驗強度是否滿足工作要求?，F(xiàn)階段主要使用的有限元分析軟件為ANSYS Workbench,材料特性、連接關(guān)系都實現(xiàn)了共享,可以直接模擬壓載力作用下機身的強度是否滿足要求。

前期完成了所有零件的三維圖,在SolidWorks中的裝配模式中將其組裝完成,各零部件實現(xiàn)完全約束(注:此處為了便于有限元劃分網(wǎng)格同時減小相應(yīng)的計算量,將機身的螺釘螺母去除。同時為了便于在有限元中施加載荷,在受力平面上添加兩個小凸臺,模擬受力)。

有限元分析步驟如下:

1)在Workbench導(dǎo)入幾何模型。

2)使用mesh命令將模型劃分為有限元網(wǎng)格。(注:圖形材料等屬性與SolidWorks中保持一致)

3)添加約束。由于機身放置在地面時僅有底部受到地面的約束,因此只需要使用Fixed Support(固定支點命令)限制兩條底部的位移即可。

4)施加載荷進行求解。如圖6所示,工作時機身用于校直的動板上會有1排壓頭,但每次校直只使用其中1個,它們的位置不同導(dǎo)致了整個機身的受力也不同。

圖6 動板底部示意圖Fig.6 Bottom diagram of the movable plate

為了充分考慮機身的受力情況,選擇壓頭在正中及最側(cè)面的2個極端位置處進行模擬:壓頭在正中位置時,對底部工作臺的壓力集中在機身最中間,上半部分的壓力通過液壓缸集中在支撐的橫梁上,此時橫梁的變形最大;而當(dāng)壓頭在最側(cè)面位置的時候,校直時的反作用力的力矩最大,機身受到強烈的扭曲力。

5)分析計算并生成位移圖、應(yīng)力圖。中部受力情況如圖7、圖8所示,邊部受力情況如圖9、圖10所示。

圖7 中部位移圖Fig.7 Central displacement diagram

圖8 中部應(yīng)力圖 Fig.8 Central stress diagram

圖9 邊部位移圖Fig.9 Edge displacement diagram

圖10 邊部應(yīng)力圖 Fig.10 Edge stress diagram

分析兩種情況可知,壓頭在中間位置時機身的變形量要超過在側(cè)邊的位置,此時最大變形的位置出現(xiàn)在機身的側(cè)面,最大變形量為0.27 mm,滿足機身的強度要求。但通過靜力分析可以發(fā)現(xiàn),機身的兩塊側(cè)板處于結(jié)構(gòu)薄弱處,這是由于上方的承重橫梁全部安裝在側(cè)板上,同時下方工作臺處為了便于超長零件的放入在側(cè)板上開了工作口,影響了側(cè)板的強度。因此需要在側(cè)板處增加加強筋的結(jié)構(gòu),以此增強機身的剛度,增加校直的準確度。

4 模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析理論

振動學(xué)中,每個物體都有其固有頻率。當(dāng)外界振動產(chǎn)生的頻率和其固有頻率保持一致時,系統(tǒng)中的動能會不斷累加,最終對整個系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的破壞。校直機的工作臺上裝有電動機,其工作時的振動也可能影響整機的強度,因此需要在ANSYS workbench軟件中對整機進行模態(tài)分析,以此避開它的共振頻率區(qū)間。模態(tài)分析的通用運動方程為:

(3)

4.2 模態(tài)分析過程

導(dǎo)入模型的步驟與上文靜力分析一致。

1)有限元網(wǎng)格劃分。由于機身做了對應(yīng)的優(yōu)化處理,可以直接通過mesh命令自動劃分網(wǎng)格。

2)添加機身的約束。與靜力分析類似,做有限元分析時整個機身只有底部兩條腿與地面接觸,因此只需要使用Fixed Support命令給兩條底座添加固定約束即可。

3)有限元分析。在振動學(xué)中,前6階振型的能量占90%以上,而較高階振型的能量則快速衰減,整個結(jié)構(gòu)幾乎沒有受到影響,因此,本文只研究結(jié)構(gòu)的前6階頻率。由于模態(tài)分析的是機身固有頻率的影響,故不需要添加任何壓力。系統(tǒng)計算出的前6階頻率如表1所示,每一階頻率對應(yīng)的機身變形位移如圖11-圖16所示。

表1 前6階固有模態(tài)Tab.1 First six natural modes

圖11 第一階位移圖Fig.11 First displacement diagram

圖12 第二階位移圖 Fig.12 Second displacement diagram

圖13 第三階位移圖Fig.13 Third displacement diagram

圖14 第四階位移圖Fig.14 Fourth displacement diagram

圖15 第五階位移圖Fig.15 Fifth displacement diagram

圖16 第六階位移圖 Fig.16 Sixth displacement diagram

通過模態(tài)分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),機身的前6階固有頻率集中在20～60 Hz之間,而驅(qū)動夾緊機構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)的電動機在工作時的振動頻率遠大于此區(qū)間,不會發(fā)生共振,因此可以認為設(shè)計的機身滿足校直機的實際需要。但可以看出,由于動板較長,同時中間部分缺少支撐,機身上部支撐液壓缸的兩塊動板中心以及連接動板的承重板變形最嚴重,此時對動板自身的強度和剛度提出了很高的要求,為此動板需要多次熱處理來強化自身性能。因此在動板與側(cè)板連接處需要增加螺釘數(shù)量來強化機身性能,同時在維護保養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)裂縫時需及時處理,以防止發(fā)生意外。

5 結(jié)論

本文通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析,證明了該校直機機身能夠滿足實際工作的需要,主要有以下結(jié)論:

1)通過對校直機工作原理的優(yōu)缺點進行分析,選擇了壓板校直的方案,通過對液壓缸和活塞桿的尺寸進行分析計算,從而確定了機身的整體結(jié)構(gòu)和尺寸并在SolidWorks軟件中完成了三維建模。

2)分析了機身受力時候的兩種極限情況,使用ANSYS軟件對整個機身進行了靜力分析和模態(tài)分析,結(jié)果表明該機身滿足各項設(shè)計要求。

3)該小型自動校直機可用于所設(shè)計的自動分類回收箱的軸系零件的校直,也可用于其他軸系零件的校直,具有重要的推廣價值。

4)對PROTOS-M5卷煙機自動分選系統(tǒng)的推廣具有重要意義。