操作機(jī)平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

周青海,周 兵,向樹(shù)民,唐海濤,陳 哲,張 慧，尚英軍

(西安蘭石重工機(jī)械有限公司，陜西 西安 710054)

操作機(jī)平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

周青海,周 兵,向樹(shù)民,唐海濤,陳 哲,張 慧，尚英軍

(西安蘭石重工機(jī)械有限公司，陜西 西安 710054)

操作機(jī)的升降及傾斜機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的空間多桿機(jī)構(gòu)，是操作機(jī)完成平行升降、俯仰、側(cè)移、偏擺運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也是吸收快鍛壓機(jī)鍛造沖擊的緩沖機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到操作機(jī)使用性能。本文通過(guò)解析法分析得到其幾何方程組及受力情況方程組，快速、高效的對(duì)平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免了大量的重復(fù)性工，并得到了載荷變化相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。結(jié)合ANSYS軟件進(jìn)行了進(jìn)一步綜合的研究多桿機(jī)構(gòu)，使其滿足了強(qiáng)度、疲勞、沖擊等綜合性要求。

操作機(jī)；平行升降傾斜機(jī)構(gòu)；受力分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

鍛造操作機(jī)是鍛造車間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要設(shè)備，其慣性大、承載能力強(qiáng)，通常用于夾持鍛件配合鍛造壓機(jī)完成鍛造工藝，也可以用于坯料的運(yùn)輸和堆放等[1]。目前世界上最主要的鍛造操作機(jī)生產(chǎn)商主要集中在歐洲，例如德國(guó)的SMS公司、DDS公司和捷克的ZDAS公司等。我國(guó)鍛造操作機(jī)的研究起步較晚，水平相對(duì)落后，國(guó)產(chǎn)鍛造操作機(jī)的鍛造能力、速度、能耗以及材料利用率等與國(guó)際先進(jìn)水平都有較大的差距[2]。

為了減小國(guó)產(chǎn)鍛造操作機(jī)與進(jìn)口操作機(jī)的差距，蘭石重工研制了10～800 kN的操作機(jī)。隨著操作機(jī)工稱載荷與夾持的增大，其承受的鍛造沖擊以及運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性也就越大，對(duì)操作機(jī)平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)的要求越來(lái)越高。因此，就要對(duì)平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。本文介紹的就是使用解析法結(jié)合ANSYS軟件對(duì)30 t鍛造操作機(jī)升降及傾斜機(jī)構(gòu)的研究。

1 復(fù)數(shù)法[3]求解機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系

圖1 操作機(jī)平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The sketch of lifting and tilting mechanism for forging manipulator

本文采用參數(shù)標(biāo)記方法，例如：∠HCx表示直線HC與x軸正方向的夾角，B點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸正方向向右，y軸正方向向下。

用復(fù)數(shù)法求得圖1所示多桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系如下

(1)

(2)

(3)

I點(diǎn)坐標(biāo)：(xI,yI)=(xE-xC,yE-yc)

(4)

H點(diǎn)坐標(biāo)：

(5)

K點(diǎn)坐標(biāo)：

cos∠KIy)

(6)

D點(diǎn)坐標(biāo)：

∠DCE))

(7)

2 受力分析

取鉗桿為研究對(duì)象，得到

FK=(Fkx,Fky)=

(8)

(9)

取桿EG為研究對(duì)象,對(duì)E點(diǎn)取矩得到

(10)

FE=(FEx,FEy)=(FGx+FFcos∠FJx,

(11)

(12)

FB=(FBx,FBy)=Fkx+FDx,Fky+FDy

(13)

四邊形DCEH受力情況

FD=(FDx,FDy)=(FAcos∠CEx,

FAsin∠CBx)

(14)

對(duì)C點(diǎn)取矩得到

(yD-yc)-FDy(xc-xD)]/[cos∠HLx(yH-yc)+

sin∠HLx(xH-xc)]

(15)

(16)

3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上得到的公式，寫(xiě)入excel計(jì)算表格，通過(guò)不同桿長(zhǎng)對(duì)比，在保證舉升30 t的物重，且鉗桿自重30 t，使平升缸、傾斜缸、緩沖缸受力足夠小并保證鉗桿在平升降過(guò)程中各桿受力變化不超過(guò)5%。

得到受力情況優(yōu)化后的固定點(diǎn)坐標(biāo)和各桿長(zhǎng)，如表1、表2所示。

表1 固定點(diǎn)坐標(biāo)值

表2 優(yōu)化后各桿長(zhǎng)度

4 使用ANSYSworkbench進(jìn)行有限元分析

ANSYS workbench為ANSYS新的集成分析平臺(tái)，與CAD軟件互通性好，操作性強(qiáng)，便于設(shè)計(jì)工程師快速高效的完成CAE分析，并快速修改模型進(jìn)行優(yōu)化，其功能也原來(lái)越強(qiáng)大，將逐步取代ANSYS經(jīng)典界面[4]，邊界條件如圖2所示。

圖2 邊界條件Fig.2 Boundary conditions

圖3 應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram

本文使用Solidworks建模并裝配，采用ANSYS workbench進(jìn)行分析。由于操作機(jī)左右對(duì)稱，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提升計(jì)算速度，取一半進(jìn)行研究，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。本次分析將在吊軸上施加15 t的遠(yuǎn)程載荷FA、15 t的遠(yuǎn)程載荷FB，固定油缸耳環(huán)，并采用對(duì)稱約束，允許前后轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)。得到分析結(jié)果如圖3所示，后轉(zhuǎn)臂最大應(yīng)力123.7 MPa，采用Q345-A材料，許用應(yīng)力170 MPa，故強(qiáng)度滿足要求。其余零件的最大應(yīng)力也小于許用應(yīng)力，故強(qiáng)度滿足要求。

5 總結(jié)

本文通過(guò)分析，得到了一種鍛造操作機(jī)升降及傾斜機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)以及各桿件受力大小的公式，并通過(guò)制造成excel計(jì)算表格，通過(guò)該表格，對(duì)30 t鍛造操作機(jī)升降及傾斜機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)進(jìn)行了分組計(jì)算對(duì)比，對(duì)比了不同桿長(zhǎng)時(shí)各桿件的受力情況，然后確定了一組較優(yōu)的計(jì)算結(jié)果作為各桿長(zhǎng)度。最后通過(guò)Solidwork建立了該機(jī)構(gòu)的三維模型，使用ANSYS進(jìn)行了有限元分析。

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Design of lifting and tilting mechanism for forging manipulator

ZHOU Qing-hai，ZHOU Bing， XIANG Shu-min，TANG Hai-tao，CHEN Zhe，ZHANG hui，SHANG Ying-jun

(Xi’an LS Heavy Machinnery Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China)

The lifting and tilting mechanism of forging manipulator is a complex spatial multi-bar mechanism，which is the buffering mechanism that absorb the impact of forging，and which is to complete the major-motion of the forging manipulator too，such as parallel lifting, tilting, swaying and yawing. And the quality of structure design would impact on the operation of machine performance directly. This paper get the formulas of the geometry and stress of multi-bar linkage through analytical methods，then the large amount of repeated works will be avoided. Combined with the ANSYS, it can further study the multi-bar linkage，then it will meet the requirements of strength, fatigue strength and impact.

forging manipulator；lifting and tilting mechanism；force analysis；optimization design

2015-08-09；

2015-09-04

周青海 (1980-)，男，工程師，主要從事精鍛機(jī)、快鍛壓機(jī)、鍛造操作機(jī)、重型卷板機(jī)等非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

TG315.9

A

1001-196X(2016)03-0079-04