基于ANSYS的切纸机机身有限元分析

2021-06-01谷金诚赵国勇魏春燕

现代制造技术与装备 2021年4期

谷金诚赵国勇魏春燕徐双

（山东理工大学，淄博 255000）

目前，国内先进的切纸机机、电、液、气多位一体，自动化程度较高[1]，安全性较好。为保证现阶段切纸机正常实验，本文主要研究QZ920B型切纸机的机械结构。切纸机内部具有较复杂的零件和运动副，在实际使用中应以安全为第一目标。因此，设计应在保证安全的前提下使复杂的切纸机结构和机身的几何形状结构合理，以便于装配和使用。在对机身的结构和强度进行分析方面，王楠[2]等利用ANSYS分析了切纸机裁切部件的结构及运动特性，得到了刀床和机架的4阶模态分析图。宗彩乐[3]等利用ANSYS对锭子焊机三维模型进行有限元分析，并建立方程曲线预测其工作性能。在切纸机设计方面，张翼[4]等设计了信箱增速增压油缸，具有成本低、压紧力大以及使用寿命长的特点。李细章[5]等研发了自动裁切纸筒机，利用偏心机构和定转减速机等使切纸机能够做到机动进给和自动复位。张彬[6]等改造了卷烟机切纸鼓轮的滑环联接装置。对比传统梅花柔性联轴器，新装置具有高耐磨、耐高温以及抗冲击等优势。周莎莎[7]等利用ANSYS有限元优化分析功能对剪叉式液压升降平台剪叉臂结构进行优化分析，得到了最合理的结构和尺寸，在满足工程要求的前提下节省了大量材料。以上论文对切纸机的联接装置及运动副设计有较大作用，但在切纸机整机刚度的问题上缺乏研究。本文以QZ920B型切纸机为研究对象，分析整机机身的强度，并根据分析结果进行结构的优化设计，得到了机身的危险点并对其进行了强化，达到了结构优化的目的。

1 切纸机参数化模型的建立

本论文的研究对象是型号为QZ920B的对开式切纸机，具有外观简洁、工作精度高、便于操作以及耗能低等特点，适用于印刷品、各种纸张和其他类似纸质的软质材料的裁剪。机身采用圆柱形双导轨系统，保证了机身装配的精确度。机械结构主传动采用蜗轮蜗杆副减速，具有结构紧凑、传动效率高、承载能力大以及能耗低等特点。本次分析首先运用SolidWorks对机身进行参数化建模，如图1所示。为充分分析切纸机机身机械结构的具体受力情况，在参数化过程中仅考虑机械结构，不考虑液压和电气系统等影响。

图1 参数化模型

2 切纸机机身的静态特性分析

本文中切纸机机身的结构刚度分析采用的是有限元法，根据一定的边界条件将线性代数单元的边界特性对应关系组合起来，引入有限个边界的条件构成节点变量，采用非线性数值矩阵算法求解在施加静态边界力的情况下切纸机的机械结构受力图。按照上述原理施加约束和载荷，为了简化有限元网格生成模型的建立，采用x域法划分六面体正方形网格，减少了网格数目，提高了计算速度。划分完成的机身实体节点数为769 692，单元数为1 201 420。选取材料为Q235钢，泊松比为0.3，其弹性模量取2.2 GPa，密度为7 850 kg·m-3，得到切纸机模型如图2所示。

图2 切纸机机身的有限元模型

利用边界条件对切纸机和结构施加有限载荷和形变应力约束。切纸机与地面完全接触，因此可约束底面6个自由度。在切纸台前端施加顺时针方向力矩，中间结构施加向下的力矩，经过ANSYS Workbench计算及后续处理得到切纸机的形变有限元应力模型，给出切纸机的形变应力云图和结构的应力云图，分别如图3和图4所示。

图3 形变云图

图4 应力云图

根据切纸机变形和应力云图可知，切纸机送纸横梁结构在静态力作用下变形较大，在切纸台前端变形量最大为2.24 mm，对切纸机的工作精度有一定影响，需要对其进行机构优化。此外，机身变形量不大，稳定性较好。切纸机的等效应力最大约229.66 MPa，发生在切纸机刀片附近区域，但整机刚度均在材料Q235的许用范围内，因此不需要对机身做较大改进。