基于solidworks的雙偏心曲柄擺剪的動(dòng)力學(xué)分析

高亞男，鮑遠(yuǎn)通，梅彥利，張全逾，陳毅

(承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

基于solidworks的雙偏心曲柄擺剪的動(dòng)力學(xué)分析

高亞男，鮑遠(yuǎn)通，梅彥利，張全逾，陳毅

(承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

應(yīng)用SolidWorks建立了雙偏心曲柄擺式飛剪的三維模型，并應(yīng)用SolidWorks-motion對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究。重點(diǎn)考察了空載時(shí)和加載時(shí)雙偏心主軸的扭矩變化，雙偏心軸的啟動(dòng)相位角的影響以及重要部件的應(yīng)力。仿真結(jié)果表明:雙偏心軸啟動(dòng)相位角為45°時(shí)，主軸的扭矩較小并且垂直剪切速度最大，為779 mm/s。加載后，主軸扭矩為2．5×108N·mm，主軸所受應(yīng)力分布最均勻，其值最小。剪切過(guò)程中的沖擊力對(duì)銅套磨損的影響不大，而摩擦是主要的因素。

動(dòng)力學(xué);solidworks;雙偏心;擺剪

動(dòng)力學(xué)主要研究力對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)擺剪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以對(duì)剪切過(guò)程中各主要部件的受力，剪切過(guò)程中的動(dòng)能、沖擊等力學(xué)因素進(jìn)行深入的了解。武漢科技大學(xué)、燕山大學(xué)，武鋼冷軋廠、西安重型機(jī)械研究所、武漢鋼鐵設(shè)計(jì)院都對(duì)飛剪進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)分析研究［1-3］。一些學(xué)者應(yīng)用虛擬機(jī)技術(shù)，在ADAMS中對(duì)擺式飛剪機(jī)剪切過(guò)程中進(jìn)行仿真并對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化［4］。

要進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)仿真，需正確設(shè)置擺剪各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此在設(shè)置時(shí)，把整個(gè)飛剪機(jī)構(gòu)視為剛體，定義上下刀座、連桿等主要構(gòu)件的重力、質(zhì)量屬性，之后再進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。分析空載時(shí)，加載雙偏心主軸、擺動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線，各主要部件的重力;分析加載時(shí)，除空載條件外，還需將剪切過(guò)程中剪刃所受的x向、y向的剪切力分別施加到上下剪刃。Solidworks是優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件，具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)的分析能力［5］，本文將運(yùn)用solidworks-motion軟件對(duì)雙偏心曲柄擺剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，重點(diǎn)考察空載、加載時(shí)曲柄的扭矩，關(guān)鍵零件的受力。

1　三維模型的建立

首先，根據(jù)零件的真實(shí)尺寸建模，主要零部件有雙偏心主軸，連桿，上下刀座，上下剪刃等。

圖1為雙偏心主軸的零件圖，它是刀座的最主要部件之一，一端與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的減速機(jī)相連，其中大偏心量為75mm，小偏心量為5mm，大偏心的最大位置于小偏心的最大位置對(duì)稱成180°。主軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)提高下剪刃，壓下上剪刃實(shí)現(xiàn)剪切，通過(guò)提高上剪刃，壓下下剪刃實(shí)現(xiàn)分離。

圖2為連桿的三維模型，它的作用主要是連接主軸和上刀座，傳遞壓力或拉力，并且在主軸的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)上下刀座實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

下圖3是上下刀座的三維模型，其中上刀座由一直徑260 mm的銷軸與連桿相連，上刀座上的四個(gè)圓柱通套穿入四根導(dǎo)柱，剪切過(guò)程中上刀座沿導(dǎo)柱上下滑動(dòng)。下刀座固定在導(dǎo)柱的下端，在擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和偏心軸的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，與上刀座實(shí)現(xiàn)剪切。上下剪刃分別安裝在上下刀座上，由鎖緊液壓缸鎖緊。

各主要零部件的模型建立后，對(duì)其進(jìn)行裝配，按照擺剪實(shí)際的接觸、相對(duì)位置，采用配合工具里面的同軸，平行等條件為約束，建立的雙偏心擺剪的三維模型，如圖5所示。

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，按照擺剪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，需要給雙偏心主軸和擺動(dòng)曲柄各加載旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

準(zhǔn)備仿真分析之前，對(duì)虛擬樣機(jī)的整體模型進(jìn)行最后的檢驗(yàn)，SolidWorks提供了干涉檢查工具，用以檢查裝配體各個(gè)零部件之間的干涉情況，找出建模過(guò)程隱含的錯(cuò)誤，確保能順利完成仿真分析過(guò)程。

由于雙偏心主軸存在著一個(gè)大偏心量和一個(gè)小偏心，所以其初始角度不同，兩剪刃的開口是不一樣的，同樣轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程兩剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡、咬入剪切時(shí)刻、速度變化規(guī)律都是不同的，因此研究了不同起始相位角對(duì)各參數(shù)的研究規(guī)律。以擺剪開口最大位置時(shí)雙偏心擺剪的啟動(dòng)相位角為0，取相位角分別為0°，45°，60°，69°，86°，98°。

2　空載狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)分析

首先考察了不同啟動(dòng)相位角時(shí)，雙偏心主軸所受的扭矩，如圖6所示。可以看出，隨著啟動(dòng)相位角的增加，在剪切前，主軸所受到的扭矩減小，隨時(shí)間的持續(xù)增加，并且相位角越小，峰值越大，基本上在達(dá)到最大值后剪切時(shí)刻，但從45°到98°時(shí)峰值相差不多。隨著剪切進(jìn)行主軸的扭矩減小，達(dá)到最小前剪切完畢。同時(shí)可以看到，啟動(dòng)角大于45°時(shí)，所受啟動(dòng)力矩都為正值，而在0°時(shí)啟動(dòng)力矩與其它幾種情況的方向是相反的。由于主軸在啟動(dòng)開始時(shí)的一段時(shí)間轉(zhuǎn)速逐漸增大，因此，所受的驅(qū)動(dòng)力矩增大。

圖7為上剪刃在剪切時(shí)刻的動(dòng)能與Y向速度。可以看出，隨著啟動(dòng)相位角的增加，上刀座的總動(dòng)能呈減小趨勢(shì)。

同時(shí)，啟動(dòng)相位角從0°到45°時(shí)剪切時(shí)刻的Y向速度減小，在45°時(shí)達(dá)到最大779 mm/s，而從45°到98°時(shí)，剪刃速度呈減小趨勢(shì)。

45°啟動(dòng)相位角時(shí)，雖然空載扭矩不是最小的，但其值與其它相位角時(shí)相差并不大，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，其剪切時(shí)的垂直速度是最大的。因此雙偏心主軸的啟動(dòng)相位角為45°左右時(shí)是比較合理的。

3　加載狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)有限元軟件對(duì)剪切過(guò)程進(jìn)行仿真，得到剪切過(guò)程中的各種參數(shù)。提取剪切過(guò)程的上下刀座所受到兩個(gè)方向的力，分別為X向、Y向，其值隨剪切過(guò)程的變化規(guī)律如圖8所示。

剪切過(guò)程中，作用在上下剪刃上的力迅速?gòu)牧氵_(dá)到最大值，然后又變?yōu)榱悖瑢?shí)際作用時(shí)間很小，約為0．067 s，將上述圖中X、Y向的力加載到Solidworks仿真模型中，在上下剪刃上分別加上大小相等、方向相反的外載荷，模擬剪切棒材時(shí)所受的剪切力。

通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出主軸扭矩如圖9所示。雙偏心主軸啟動(dòng)相位角為45°時(shí)，扭矩為2．5× 108N·mm。

接下來(lái)分析雙偏心主軸的受力情況。雙偏心主軸是整個(gè)擺剪驅(qū)動(dòng)起來(lái)的主要受力部件，研究不同啟動(dòng)角時(shí)主軸的應(yīng)力分布，可以從側(cè)面考察啟動(dòng)角處于何止時(shí)對(duì)主軸的影響最小。下表1分別為不同啟動(dòng)相位角時(shí)主軸應(yīng)力變化規(guī)律。

表1　不同相位角下的主軸最大應(yīng)力

圖10為不同啟動(dòng)相位角時(shí)主軸的應(yīng)力分布云圖，可以看出，啟動(dòng)角為0°時(shí)，主軸最大應(yīng)力位于驅(qū)動(dòng)側(cè)機(jī)架軸承的軸端處，其值為29 MPa;

啟動(dòng)角為45°時(shí)，應(yīng)力值急劇減小，最大值僅為5 MPa，并且應(yīng)力在整個(gè)軸向分布較為均勻。

啟動(dòng)角為60°時(shí)，最大應(yīng)力集中位于驅(qū)動(dòng)側(cè)小偏心軸段處，應(yīng)力突然增大，其值為103 MPa;

啟動(dòng)角為69°時(shí)，應(yīng)力分布又趨于均勻，最大值處于驅(qū)動(dòng)軸端，其值為66 MPa;

啟動(dòng)角為86°時(shí)，最大應(yīng)力集中分布在大偏心周處，其值為75 MPa。

由以上可以分析得出，啟動(dòng)角為0～45°范圍內(nèi)，雙偏心主軸所受應(yīng)力較小;而在60°時(shí)應(yīng)力值發(fā)生急劇變化，高達(dá)103 MPa;而大于60°時(shí)，最大應(yīng)力降低，并呈降低趨勢(shì)。

雙偏心主軸的各軸段都安裝有軸承，應(yīng)力集中分布在某一軸段時(shí)(例如0°、60°)，說(shuō)明該段受到剪力較大，該段上安裝的軸承所受的壓力也就較大。這種情況下，使得對(duì)稱的兩個(gè)軸承受力不對(duì)稱，造成軸承破壞。

因此，綜合考慮，啟動(dòng)角為45°時(shí)，主軸所受應(yīng)力分布最均勻，最大應(yīng)力值最小。

擺剪在剪切擺動(dòng)過(guò)程中，上刀座沿著四根導(dǎo)柱上下滑動(dòng)，為了防止導(dǎo)柱與上刀座直接接觸，在刀座的上下位置增加銅套，減小摩擦磨損。同時(shí)，銅套呈錐狀，由中間錐和內(nèi)錐套組成。當(dāng)銅套磨損后或由于沖擊發(fā)生塑性變形后，導(dǎo)致銅套與導(dǎo)柱的間隙加大，從而使振動(dòng)量加大，因此，可以通過(guò)緊固螺栓，減小間隙。銅套的屈服應(yīng)力較小，因此應(yīng)盡可能的降低其所受到的摩擦力、內(nèi)應(yīng)力。圖11為導(dǎo)柱銅套的結(jié)構(gòu)圖。

圖12為銅套與導(dǎo)柱剪的摩擦力隨剪切時(shí)間的變化規(guī)律。可以看到，啟動(dòng)時(shí)摩擦力瞬時(shí)達(dá)到最大值570 N，后逐漸減小，0．18 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值354 N，直到1．03 s，擺剪速度降低。摩擦力開始增加，1．2 s左右達(dá)到穩(wěn)定值。

圖13為剪切過(guò)程中不同時(shí)刻銅套內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律。由此圖發(fā)現(xiàn)，剪切過(guò)程中銅套的mises應(yīng)力最大值在20～30 MPa之間，遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力，其最大值基本出現(xiàn)在銅套的頂部及根部，并集中在一側(cè)分布，由此可知，剪切過(guò)程中的沖擊力對(duì)銅套磨損的影響不大，而摩擦是主要的因素，因此在擺剪的使用過(guò)程中應(yīng)保證銅套與導(dǎo)柱間的干油潤(rùn)滑。

4　結(jié)論

1)應(yīng)用solidworks建立雙偏心曲柄擺式飛剪的三維模型，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。

2)45°相位角啟動(dòng)，空切時(shí)主軸扭矩較小，剪切時(shí)，上剪刃的垂直速度最大，達(dá)到779 mm/s;主軸扭矩為2．5×108N·mm，并且應(yīng)力分布最均勻，最大應(yīng)力值最小。

3)剪切過(guò)程中，銅套與導(dǎo)柱間的摩擦力穩(wěn)定值354 N，銅套的MISES應(yīng)力最大值在20～30 MPa之間，遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力。

［1］卞致瑞，劉洪生．四連桿式棒材飛剪剪切機(jī)構(gòu)參數(shù)化CAD系統(tǒng)研究［J］．冶金設(shè)備，2007(5):32－34．

［2］柯春林．雙偏心擺式飛剪機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及剪切過(guò)程模擬［D］．燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2011:6－7．

［3］吳小露．450T雙偏心擺式飛剪機(jī)故障診斷與對(duì)策［D］．燕山大學(xué)，2010．

［4］張文峰．基于虛擬技術(shù)的擺式飛剪剪切過(guò)程優(yōu)化［J］．機(jī)械工程師，2007(8):43－45．

［5］倪紅兵，趙杰．基于SolidWorks的摩托車架焊接夾具設(shè)計(jì)［J］．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，12(4):53－56．

Dynamic Analysis of Couple Off-Center Flying Shear Based on Solidworks

GAO Ya-nan，BAO Yuan-tong，MEI Yan-li，ZHANG Quan-yu，CHENG Yi
(Department of Automotive Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

A three-dimensional model of couple off-center flying shear is established applying Solidworks and dynamics research is done using SolidWorks-motion．The torque changes of the double eccentric shaft with upload and load is studied，and the influence of double eccentric shaft start-up phase angle to the stress of key component．The simulation results show that:when the double eccentric shaft start-up phase angle is 45°，the spindle torque is small and the vertical velocity of up shear blade is the largest for 779 mm/s．After loading，the main shaft torque is 2．5×108N·mm，the stress distribution in the spindle with minimum value is more homogeneous．The effect of the impact to copper bushing in the process of shearing is less than the wear．The friction is the main factors．

dynamics;Solidworks;double eccentric;pendulum shear

TG333．2

A

1008-9446(2015)02-0032-05

2014-12-02

高亞男(1982－)，男，河北承德人，承德石油高等專科學(xué)校汽車系講師，工程師，博士，研究方向?yàn)榻饘僮冃芜^(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬。