擺架滑道間隙對擺剪強度影響的瞬態動力學分析

郭志強，趙 霞

(內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

擺架滑道間隙對擺剪強度影響的瞬態動力學分析

郭志強，趙 霞

(內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

通過瞬態動力學分析上刀架在擺架滑道中的不同間隙對擺剪強度和擺架滑道變形的影響，得出在許可范圍內間隙為0.3 mm的時候對擺剪強度以及對擺架滑道變形量影響最小。并且分析間隙在0.3 mm時擺架滑道的應力變化情況，其應力最大值不會造成擺架滑道的損壞。最后通過在企業的實際測量驗證了分析的合理性，為企業生產提供理論依據。

瞬態動力學；應力；間隙；擺架；變形

0 前言

本文研究的擺式剪切機是引進德國西馬克公司制造的剪切機，上刀架在擺架滑道中滑動，為了避免接觸性損傷在擺架滑道與上刀架之間留有0.3～0.5 mm的間隙。由于長時間的使用擺架滑道與上刀架接觸部位出現變形甚至磨損，因為剪切力的作用會對擺架的沖擊振動而造成擺剪的損壞，本文主要研究在不同間隙下對擺剪強度以及擺架滑道變形影響的瞬態動力學分析。

1 瞬態動力學分析的理論基礎

瞬態動力學分析( 亦稱時間歷程分析) 是一種用于確定結構在任意隨時間變化載荷作用下的響應技術。可以用瞬態動力學分析、確定結構在靜載荷、瞬態載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、 應變、應力等。

Ansys中瞬態動力學求解的是一般意義的運動方程，其形式可以總結為

[M]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F(t)}

(1)

式中，[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{u}為節點加速度向量；{u}為節點速度向量；{u}為節點位移向量；{F(t)}載荷向量。

利用 Ansys 對擺架以及上刀架進行瞬態動力學分析，采用模態疊加法得到結構的瞬態響應，并計算在變化載荷作用下的結構隨時間變化的應力。

1 有限元模型的建立

1.1 網格的劃分

由于擺式剪切機模型完全對稱，為了減小運算，方便網格的劃分，減少計算時間，采取模型的一半作為研究的分析對象，模型的網格劃分采用自由網格劃分，劃分網格節點數為177 054，劃分單元數量為111 896。

1.2 載荷的施加和邊界條件的選取

擺剪按照實際運動狀態施加載荷，擺剪在剪切瞬間受到最大剪切力4 250 kN，擺臂擺動速度6.5 m/min，曲軸轉矩1 430 N·m，分別在上刀架與剪刃接觸部位施加4 250 kN，在擺架上施加6.5 m/min的擺動速度使其與鋼材同步，在曲軸上施加1 430 N.m的轉矩。

在曲軸的一端限制x、y、z的位移使其不能有x、y、z方向的竄動，對擺架施加z方向上的位移約束使擺架不能在z方向上擺動，連桿與上刀架連接點施加固定約束，上刀架與擺架滑道接觸位置施加無摩擦滑動約束，如圖1所示。

圖1 擺臂以及上刀架的受載圖以及間隙示意圖Fig.1 Diagram of gap between swing arm and upper tool carrier and its loading

2 瞬態分析結果

2.1 間隙對擺剪整體強度影響的分析

為了減少擺架滑道與上刀架接觸部位的磨損，擺剪滑道與上刀架必須存在一定間隙但是不能過大，擺剪上刀架在擺架滑道中存在不合理間隙，在剪切力的作用下會產生強烈沖擊碰撞，加快了擺剪部件的損壞，影響擺剪的壽命，根據擺剪設計要求間隙允許范圍0.3～0.5 mm之間分析擺剪整體的最大應力，下面就對不同間隙對擺剪強度的影響作出分析。如圖2-4所示。

圖2 間隙為0.3 mm整體等效應力圖Fig.2 Integral equivalent stress as gap is 0.3 mm

圖3 間隙為0.4 mm整體等效應力圖Fig.3 Integral equivalent stress as gap is 0.4 mm

圖4 間隙為0.5 mm整體等效應力圖Fig.4 Integral equivalent stress as gap is 0.5 mm

由分析看出上刀架與擺架之間的間隙為0.3 mm的時候，最大等效應力為401.98 MPa當間隙為0.4 mm時，最大等效應力410.98 MPa，而間隙為0.5 mm的時候，整體最大等效應力為419.97 MPa。由于主驅動都是從曲軸端部傳入，從圖中看出曲軸端部的應力最大，在間隙為0.3 mm的時候應力有所緩解只有401.98 MPa。

從結果可以得出隨著間隙的增大，擺剪最大應力值也隨之增大。所以合理的控制上刀架與擺架的間隙，使之保持為0.3 mm時擺剪的應力最小，擺剪承受強度也最小。

2.2 間隙對于擺架滑道變形的影響分析

在擺剪實際使用過程中，由于不合理間隙的存在使擺架在剪切過程中受到不均勻的側壓力而導致擺架滑道與上刀架接觸部位受力不均勻而發生變形。下面分析不同間隙對于擺架滑道變形的影響。

由圖5-7可看出，間隙為0.3 mm時，擺架滑道變形量1.4428 mm；間隙為0.4 mm時，變形量3.7055 mm；間隙為0.5 mm時，變形量4.5527 mm。隨著上刀架在擺架滑道中的間隙增大，變形越大，在間隙允許的范圍0.3～0.5 mm內盡量減小間隙使滑道變形越小。

圖5 間隙0.3 mm擺架滑道的變形圖Fig. 5 Deformation of swing frame chute as gap is 0.3 mm

圖6 間隙0.4 mm擺架滑道的變形圖Fig.6 Deformation of swing frame chute as gap is 0.4 mm

圖7 間隙0.5 mm擺架滑道的變形圖Fig.7 Deformation of swing frame chute as gap is 0.5 mm

從圖5看出：擺架滑道最上部位變形較大，變形從滑道上部分最大依次往下看變形逐漸減小到達中間部位變形為零，再向下變形轉而為負達到最低端變形再次達到最大，此結果表明擺架滑道上下兩端變形較大而且變形方向相反，這樣在長期使用的過程中滑道與上刀架存在接觸不均勻現象而使擺架滑道部位受損。

2.3 間隙為0.3 mm時擺架滑道部位的應力分析

因為間隙在0.3 mm時，擺剪整體應力最小，擺架滑道變形量最小，下面重點分析間隙在0.3 mm的時候擺架滑道的應力分布。

圖8-9是擺架滑道的應力分布圖和對應的應力變化圖，兩圖相結合從擺架滑道最上端往下，到125 mm處應力最大0.4438 MPa隨后逐漸減小，到達滑道中部的時候應力值最小0.39 MPa，再向滑道下部看去應力又逐漸增大并且到1 400 mm的時候應力值又一次達到最大0.42 MPa，隨后又逐漸減小。兩處應力最大的部位都是在擺剪剪切過程中上刀架與滑道接觸緊密擠壓而產生的，最大的等效應力0.4438 MPa遠遠小于擺架滑道的強度極限值，擺架滑道安全。

圖8 間隙為0.3 mm的擺架滑道應力分布圖Fig.8 Stress distribution of swing frame chute as gap is 0.3 mm

圖9 間隙為0.3 mm時擺架滑道應力變化圖Fig.9 Stress curve of swing frame chute as gap is 0.3 mm

目前，擺剪上刀架與滑道之間的間隙為0.46 mm，通過在裝配過程中精準安裝；在不影響擺臂強度的情況下改變擺臂滑道的寬度或者增加上刀架在擺臂滑道中的厚度；或者在擺臂與滑道之間安裝一層0.16 mm銅片材料，使擺剪上刀架與擺臂之間的間隙保持在0.3 mm。在曲軸端部，通過在企業實際測量，擺架滑道距滑道頂部125 mm的位置布置測點，得出曲軸端部應力450 MPa與分析計算在間隙為0.4 mm時的最大應力410.98 MPa相比，誤差10%，擺架滑道部位測得0.35 MPa與計算分析值0.4438 MPa相比誤差為19.98%小于20%，驗證了載荷施加和模型的合理性。

3 結論

(1)分析不同間隙對擺剪上刀架擺架部位的應力影響和對擺架滑道的變形影響，得出間隙在0.3 mm的時候整體最大應力最小，擺架滑道最大變形量最小。

(2)在間隙為0.3 mm的時候擺架滑道上下部位有少許的應力集中但是應力相對很小在強度允許范圍內，說明間隙在0.3 mm時能夠保證擺架滑道部位不受損壞。

(3)通過實際測量驗證了理論的合理性，為企業維護擺剪提供理論依據。

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Transient dynamic analysis on effect of swing frame chutegap on pendulum shear strength

GUO Zhi-qiang, ZHAO Xia

(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In this paper, effect of gap between upper tool carrier and swing frame chute on pendulum shear strength and the chute deformation are analyzed, by means of transient dynamics analysis. Some conclusion are obtained from the analysis, in the allowed range, when gap is 0.3 mm, pendulum shear strength and swing frame chute deformation are the smallest, Stress variations distribution of swing frame chute is analyzed, and it′s maximum stress not damages the chute. The conclusion is reasonably with actual measurements, and it also provides theoretical basic fou some enterprise production.

transient dynamics; stress; clearance；rack；deformation

2015-09-05；

2015-11-15

郭志強(1963-)，男，內蒙古科技大學機械工程學院教授，研究方向：冶金機械強度分析。

TH132.4

A

1001-196X(2016)02-0079-04