特厚板翻板机设计

2012-06-04段丽娟

一重技术 2012年3期

刘云，段丽娟

在特厚板翻板机所翻转的钢板中，厚度在150~200 mm的钢板占到70%以上，钢板的总重可达30 t，由此将使翻转臂所受冲击大大增加，相比普通翻板机其设计强度和扭矩也必须充分满足载荷要求。

1 结构特点及原理

本次设计的翻板机为曲柄摇杆式结构，由两个四连杆机构组成，两个四连杆机构之间互相联系。工作时由一套连杆带动一个同步轴转动，再由同步轴带动几个，甚至十几个翻转臂同时进行翻转，使钢板在长度方向上得到支撑。翻板机的工作过程分启动阶段，交接阶段和返回阶段，翻板机翻转动作是可连续的和可逆的（见图1）。翻板机可以对特厚钢板进行180°翻转。

2 同步轴和翻转臂的过盈计算

翻板机在连续工作过程中是靠同步轴来传递大扭矩的，所以同步轴和翻转臂之间的配合非常重要，如果过盈量不足，翻转臂和同步轴之间会发生相对运动，将不能完成翻板动作，如果过盈量过大，不仅将会增加装配难度，而且单个零件的设计强度也得相应提高，增加制造成本。

图1 翻板机结构简图

2.1 模型的建立

根据翻板机图纸建立过盈配合的套、轴计算模型，在建模过程中有所简化，建模工作在dell T7500工作站上完成，软件为UG NX 5.0（见图2、图3）。

图2 轴套配合几何模型

图3 轴、套模型主要尺寸

2.2 网格划分

将模型导入ANSYS Workbench中，采用六面体单元对模型进行有限元网格划分。轴共划分为17 709个单元、67 882个节点；套共划分为24 600个单元、104 665个节点（见图4）。

图4 轴、套有限元网格模型

2.3 边界条件及载荷

由于计算对象为轴套配合处的接触面，因此需要首先定义轴与套的接触区域（见图5）。孔轴配合为Ø340H7/x6，最大过盈量为0.626 mm、最小过盈量为0.554 mm。计算按最小过盈量进行，设置接触面上的单侧过盈量为0.277 mm。由于只计算过盈配合，所以不必施加载荷，只需设置轴的端面为固定约束即可（见图6）。

2.4 计算结果

通过ANSYS Workbench计算可得：在上述工况条件下，该轴、套过盈配合的 (von-Mises)最大应力为272.83 MPa（见图7、图8）。接触区域配合面上的最大压强为165.54 MPa、最小压强为88.728 MPa（见图 9）。

根据配合面压强与传递转矩关系

图5 轴、套过盈配合接触区域定义

图6 计算模型载荷布置情况

图7 计算模型von-Mises应力分布云图

图8 轴向剖面上von-Mises应力分布云图

图9 接触区域上的压强分布云图

式中，μ—配合面摩擦系数，取0.1；d—配合直径(mm)；l—配合长度 (mm)；T—传递的转矩(N mm)；P—配合面压强 (MPa)。

计算该过盈配合可传递的最小转矩为8.707×108N·mm。

根据翻板机工作过程可知在水平状态时钢板对轴的力矩最大。当翻转面积为4 000 mm×6 000 mm的钢板时，结合翻转臂和连接臂尺寸可得钢板重心到轴的距离为2 798 mm，根据上述计算得到转矩可知该过盈配合可翻转的工件重量为31.1 t。

3 工作扭矩计算

翻板机的实际工作扭矩是由两个翻转臂叠加而成的，两个翻转臂根据翻转的位置不同，其受力不同，进而导致扭矩也在不断变化，如今通过计算机由动力学仿真模型完成大量的计算，把翻板机的动作过程完整地模拟出来，所得到的计算结果准确可靠。

3.1 动力学仿真模型的建立

根据图纸建立翻板机动力学分析模型。该模型为翻板机单（右）侧的翻转机构，主要由翻转臂、连接臂、连接板、压杆、压杆头和曲柄组成。其中翻转臂质量为1.2 t；连接臂质量为1.07 t；连接板质量为1.63 t；压杆质量为2.38 t；压杆头质量为0.865 t；曲柄质量为1.97 t（见图10）。

图10 翻板机单（右）侧机构几何模型

3.2 仿真计算

机构动力学仿真计算采用ADAMS。将模型导入ADAMS中，并对模型中各构件的连接关系进行定义：翻转臂与连接臂、连接臂与轴、轴与连接板之间以及压杆与压杆头为固定副连接；连接板与压杆、压杆头与曲柄以及曲柄与曲柄轴之间为旋转副连接。整个机构进行动力学分析时计算每个构件的重量，且翻转钢板重量为30 t。在曲柄与曲柄轴之间施加转速驱动（3 rpm）。

通过ADAMS软件对曲柄转动一周（360°）时机构的动力学特性进行计算，得到该翻转臂运动角度曲线（见图11），翻转臂的角速度分布曲线（见图12）和系统的输入扭矩特性曲线（见图13）。