基于NXNastran的鍛造操作機(jī)夾持力研究

李 瑋

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原030024）

鍛造操作機(jī)是一種夾持鍛坯配合壓機(jī)完成送進(jìn)、轉(zhuǎn)動(dòng)、精整等動(dòng)作的輔助鍛壓機(jī)械，是重型鍛造壓機(jī)的重要配套設(shè)備[1]。其夾持作業(yè)過(guò)程中頻繁地提升、旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)以及鍛壓等非連續(xù)動(dòng)作，致使夾持機(jī)構(gòu)傳遞的作用力非常大。若夾持機(jī)構(gòu)能夠提供的夾持力小于作業(yè)所需的夾持力，就會(huì)導(dǎo)致夾持操作失敗，這在生產(chǎn)作業(yè)中是絕不允許的，所以通常情況下夾持力為偏大的保守設(shè)計(jì)，但夾持力過(guò)大又會(huì)引起夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)笨重不夠靈巧，操作動(dòng)作反應(yīng)遲鈍，甚至導(dǎo)致鉗臂、連桿等關(guān)鍵零部件強(qiáng)度降低而疲勞斷裂[2]。所以，研究鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的夾持力對(duì)于優(yōu)化夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1 某鍛造操作機(jī)

圖2 夾鉗機(jī)構(gòu)模型圖

某鍛造操作機(jī)如圖1 所示。本文主要研究其夾持機(jī)構(gòu)，如圖2 所示，包括推桿、連桿、鉗臂、鉗殼、鉗口以及連接銷(xiāo)軸等組成。夾緊缸活塞桿與推桿連接，各零部件通過(guò)銷(xiāo)軸銷(xiāo)孔連接方式實(shí)現(xiàn)力的傳遞。當(dāng)夾持力向右時(shí)，夾鉗進(jìn)行夾持動(dòng)作，反之，夾鉗進(jìn)行松夾動(dòng)作。

2 基于摩擦的夾持力理論計(jì)算

鍛造操作機(jī)在鍛造過(guò)程中夾鉗會(huì)經(jīng)常旋轉(zhuǎn)，鉗口的位置也會(huì)隨之變化，當(dāng)鉗口處于不同位置時(shí)，整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)也處于不同的的受力情況，即處于不同的力與力矩平衡關(guān)系中。大量的分析研究表明，當(dāng)鉗口處于上下垂直狀態(tài)時(shí)，下鉗口所受的載荷是各種狀態(tài)下的最大載荷，夾持機(jī)構(gòu)夾緊鍛件所需的工作夾持力最大[3～4]。

圖3 為鉗口在工件上下位置垂直狀態(tài)時(shí)，工件基于摩擦的受力分析簡(jiǎn)圖。在圖中可以看到、為鉗口對(duì)工件的支撐反作用力，在夾持狀態(tài)下工件有向下掉落的靜態(tài)趨勢(shì)，但是工件被卡在上下V 型鉗口作用力之中，這種作用力抵消了向下滑落的趨勢(shì)，所以在鉗口和工件之間并沒(méi)有產(chǎn)生靜摩擦力。、就是鉗口對(duì)工件的總支撐力，其水平分力用來(lái)表示，垂直分力用來(lái)表示。

但是，實(shí)際中上下V 型鉗口在M=Gl0的力矩作用下會(huì)使2與2作用方向上產(chǎn)生一段距離。鉗口會(huì)繞著銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn)直到平衡位置。這時(shí)工件會(huì)下垂一個(gè)角度φ，從而鉗口和工件會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的摩擦力2和2。這一轉(zhuǎn)動(dòng)直到2和2的合力的作用線通過(guò)上鉗口的銷(xiāo)軸中心，以及2和2的合力的作用線通過(guò)下鉗口的銷(xiāo)軸中心，從而使鉗口轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩消失，工件和鉗口處于平衡狀態(tài)。列出力與力矩平衡方程：

可得上下鉗口的咬合力為：

δ——上下兩鉗口銷(xiāo)軸中心距離；

φ——工件的允許下墜角，可取φ=0～4°；

μ——鉗口與工件之間的摩擦系數(shù)；

α——鉗口夾角的一半。

根據(jù)機(jī)構(gòu)原理計(jì)算出夾持力：

式中：k——夾持力儲(chǔ)備系數(shù)；

圖3 在垂直位置時(shí)工件基于摩擦的受力簡(jiǎn)圖

η——夾持機(jī)構(gòu)效率；

i——夾持機(jī)構(gòu)力臂比；

FJC——上下鉗口咬合力。

以上為傳統(tǒng)摩擦夾持的計(jì)算方法。這種計(jì)算方法鉗口與鍛件實(shí)際復(fù)雜的接觸面被簡(jiǎn)單的以等效摩擦代替，造成計(jì)算結(jié)果偏差較大，因此要得出較為準(zhǔn)確的夾持力，需進(jìn)行有限元模擬仿真計(jì)算。

3 夾持機(jī)構(gòu)有限元仿真分析

采用商用有限元分析軟件NXNastran 進(jìn)行仿真分析，NXNastran 是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的CAE 工具，大量的制造廠商依靠其分析結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更加安全可靠產(chǎn)品，得到更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。三十多年來(lái)，Nastran 已經(jīng)成為了幾乎所有國(guó)際大企業(yè)的工程分析工具，應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車(chē)、軍工、船舶、重型機(jī)械設(shè)備、醫(yī)藥和消費(fèi)品等，這也使得其分析結(jié)果成為了工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)夾持機(jī)構(gòu)最大承載能力的工況進(jìn)行有限元分析，鍛件重量為180t，重力矩4000kN·m。

有限元網(wǎng)格模型如圖4。采用自由網(wǎng)格劃分，整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)模型共劃分為85496 個(gè)節(jié)點(diǎn)，41258 個(gè)單元。在發(fā)生接觸的區(qū)域設(shè)置面面接觸對(duì)，包括鉗口與鍛件、鉗臂與鉗口、鉗臂與鉗殼、連桿與鉗臂、推桿與連桿等接觸面，接觸算法選用罰函數(shù)法[5～7]。鉗口與鍛件接觸面摩擦系數(shù)按熱工件與輥道摩擦系數(shù)取值為0.3，其余為銷(xiāo)軸銷(xiāo)孔摩擦，摩擦系數(shù)取0.15。

圖4 夾鉗機(jī)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型

對(duì)夾持機(jī)構(gòu)施加的載荷與約束如下：①垂直方向施加重力加速度g 為9.8m/s2；②在推桿上施加1134.3t 的夾持力；③鉗殼連接法蘭面施以六自由度固定約束。

材料力學(xué)性能如表1 所示。

表1 夾持機(jī)構(gòu)零件材料性能表

3.1 夾持機(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果

鉗口垂直夾持鍛件情況下夾持機(jī)構(gòu)整體應(yīng)力云圖如圖5 所示，鍛件下傾角為2.46°。最大應(yīng)力發(fā)生在下連桿與鉗臂連接的銷(xiāo)孔處，為660.70MPa。

圖5 夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

關(guān)鍵零部件上下鉗臂，上下連桿的應(yīng)力云圖如圖6～9 所示。

3.2 結(jié)果分析

圖6 上鉗臂應(yīng)力云圖

圖7 下鉗臂應(yīng)力云圖

圖8 上連桿應(yīng)力云圖

圖9 下連桿應(yīng)力云圖

為了得到最優(yōu)夾持力，分別計(jì)算夾持力為900t、1000t、1200t、1300t 情況下，鍛件的下傾角和零部件的應(yīng)力強(qiáng)度，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同夾持力工況下關(guān)鍵零件的應(yīng)力及安全系數(shù)

由表中可知，在900t 的夾持力下，鍛件的傾角為4.47°，超過(guò)了鍛件允許下傾的角度范圍0～4°，這種情況下斷定為夾持失效，是生產(chǎn)作業(yè)所不允許的。1060t 以上的夾持力可以將鍛件夾起，而且?jiàn)A持力越大，鍛件下傾的角度越小，但是零件的應(yīng)力也就越大，安全系數(shù)也就越低。所以，最優(yōu)夾持力為1060t。

4 結(jié)論

（1）研究夾持機(jī)構(gòu)力學(xué)模型，分析垂直夾持鍛件的受力情況，特別是考慮鍛件下傾的影響，推算出夾持力計(jì)算公式。

（2）建立夾持機(jī)構(gòu)的有限元模型，分別計(jì)算多種夾持力情況下鍛件的下傾幅度以及零部件的強(qiáng)度應(yīng)力。結(jié)合判別夾持失效條件即鍛件下傾角度不能超過(guò)4°以及零件材料的屈服強(qiáng)度，得出180t/4000kN·m操作機(jī)的最優(yōu)夾持力為1060t。

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