裝出料機升降機構的設計

周 兵，周青海，張果林，何廣翔，向樹民

(西安蘭石重工機械有限公司，陜西 西安 710054)

0 前言

多桿機構在工程上常采用作圖法快速的獲得各桿件的受力情況，但在實際工程設計時，為滿足設計要求，經常修改桿長參數，從而導致原本通過作圖法獲得的受力情況將不再滿足新的參數要求，導致產生了大量重復性工作。在運行過程中，受力情況可能急劇變化，導致設備破壞。而作圖法通常只求解某幾個特殊位置的受力情況，無法對機構全工作情況作出詳細地描述。

通過解析法分析得到的機構的幾何情況及受力情況可通過VB 等編寫成程序，可快速、高效地對多桿機構進行優化，避免了大量的重復性工作，且能得到載荷變化相對穩定的結構。結合Ansys、Abaqus 等分析軟件可進一步綜合的研究多桿機構，使其滿足使用、控制、強度、疲勞、振動、沖擊等綜合性要求。作為為鍛壓車間自由鍛造輸送物料的大噸位有軌裝出料機，其升降機構承受來自夾持物料的傾覆力矩，以及啟動、輔助鍛造時來自壓機的沖擊，故升降機構設計的合理與否直接關系到鍛造裝出料機的性能。本文使用解析法結合Ansys 軟件對15 t 有軌裝出料機升降機構進行受力分析和結構優化。

1 復數法［1］求解機構的幾何關系

吊掛系統參數及受力如圖1 所示，有軌裝出料機升降機構設計必須滿足鉗桿垂直方向的行程，故將圖1 中的x 做為因變量，其余桿長長度(l1、l2等)和鉸接位置參數作為參變量。l1為升降缸，其中l2為前后轉臂、l5為前后吊桿，l6為緩沖缸。采用復數法求得圖1 所示多桿機構的幾何關系如下。

圖1 吊掛系統參數及受力分析簡圖ig.1 Parameters and force diagram of suspension system

2 升降機構各連桿的受力分析

鉗桿和被夾持物料重G，重心相對于右邊的鉸接點的距離為y。通過受力分析可以得到如下公式:

3 電算分析結果

通過VB 編寫電算程序，在滿足鉗桿垂直方向的行程900 mm，并保證舉升35 t 的重量(鉗桿+15 t 物料重量)的情況下，使平升缸、傾斜缸、緩沖缸受力足夠小并保證鉗桿在升降過程中各桿受力變化不超過5%。

優化后桿長:a=2300 mm，b=1500 mm，c=230 mm，d=3060 mm，e=640 mm，f=1600 mm，L2=1280 mm，L5=1660 mm。

舉升15 t 物料時，升降機構的受力情況:F1=43.77 kN、F2=0.76 kN、F3=218.75 kN、F4=218.77 kN、F5=43.77 kN、F7=8.07 kN、F8=218.88 kN。

4 使用Ansys workbench 進行有限元分析

Ansys workbench為Ansys 新的集成分析平臺，與CAD 軟件互通性好，操作性強，便于設計工程師快速高效的完成CAE 分析，并快速的修改模型進行優化，其功能也越來越強大，將逐步取代Ansys 經典界面［2］。

本文使用Solidworks 建模并裝配，采用ANSYS workbench 進行分析。簡化后的模型如圖2所示，在吊軸上施加F8=218.88 N，固定油缸耳環，并采用對稱約束，允許斜壁轉動。得到分析結果如圖所示，吊軸最大應力122.54 MPa，采用42CrMo 材料，許用應力280 MPa，故吊軸強度滿足要求。斜臂最大應力97.57 MPa，材料使用Q345，許用應力170 MPa，強度滿足要求。

圖2 升降機構應力云圖Fig.2 Stress nephogram ofelevating

5 結束語

本文探討了裝出料機升降機構設計的思路和分析方法。通過方案設計、幾何公式的推導、受力分析、編程計算獲得優化的力學機構，并用CAE 軟件對其進行強度分析。設計過程簡單高效，而且獲得了更為優化的力學機構，提高了設備的工作性能。

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