徑-軸向軋環實驗機的導向機構運動學分析和優化

王 進

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

徑-軸向軋環實驗機的導向機構運動學分析和優化

王 進

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

導向機構是徑-軸向軋環設備的關鍵構件之一，對軋環過程能否平穩順利進行和環件成形有重要影響。文章分析了徑-軸向軋環實驗機導向機構的運動特點，運用解析法對該機構進行了運動學分析，得到了抱角和油缸擺角的關系。基于動力學仿真軟件ADAMS建立了實驗機導向機構的參數化的虛擬樣機模型，并以油缸轉動時的最小擺角為目標函數，以各部件的裝配位置為設計變量，對實驗機的導向機構進行了優化，經迭代計算，使得油缸擺角比原設計減小了24.9%。研究結論為徑-軸向軋環機實驗機導向機構的優化設計提供了理論依據。

徑-軸向軋環機；導向機構；運動學；參數化虛擬樣機模型；優化設計

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-204-03

引言

以前的研究大多是針對于導向機構的運動規律研究、力學研究和數值模擬研究，許思廣對臥式隨動雙導向輥的運動進行過一些試驗研究、解析研究和模擬研究。左治江[1]研究了冷輾擴中單輥隨動導向運動規律。但是對于徑-軸向導向機構的油缸的最佳安裝位置和擺動幅度控制研究較少。本文根據實驗機的實際設計方案，對導向機構進行優化設計，使油缸在抱輥轉動時其擺動幅度減小。為實驗機的設計提供理論依據。

1、環件外徑擴大速度

由于徑-軸向軋環實驗機導向機構為圍繞主輥兩側的對稱結構，固以下只分析其中一邊的導向機構，圖1是徑-軸向環實驗機導向機構工作原理簡圖。導向輥隨著環件長大做下弧線運動[2]，控制導向輥的油缸也隨導向輥的運動而被壓縮和擺動。成形環件的尺寸越大，油缸壓縮量越大，其擺角也隨之變化。

圖1 徑-軸向軋環實驗機導向機構工作原理圖

根據體積不變原理，并忽略軸向寬展，可得到外徑Rt和圓心Ot表達式[3]：

分別對(1)和(2)求導即可得到環件外徑長大速度和環件圓心移動速度：

2、利用解析法對導向機構的運動學分析

圖2 導向機構虛擬樣機模型

圖3 導向機構運動分析示意圖

圖2為導向機構虛擬樣機模型，圖3為導向機構運動分析示意圖。P1為導向輥轉軸中心位置，P2為導向輥油缸前鉸鏈位置，P3為導向輥油缸后鉸鏈位置。即根據導向輥繞導向輥轉軸運動，即有如上表達式：

3、建立參數化的虛擬樣機模型

虛擬樣機模型的幾何參數參照實際小型徑向軋環設備導向機構的實際尺寸，取環件初始內徑r0=100mm、外徑R0=300mm、進給速度v=2mm?s-1、軋制時間t=5s。建立如圖2所示的導向機構虛擬樣機模型。在環件軋制過程中，為確保導向輥各部件不發生干涉，即將各部件按實際尺寸在動力學仿真軟件ADAMS中進行建模，這樣可以獲得理想的運動學仿真結果。

3.1 設計變量的確定

以主輥圓心位置為坐標原點，建立如圖2所示的坐標系。油缸擺角β與導向輥轉軸中心坐標、油缸前段固定座相對于導向輥機架位置、油缸后段固定座相對于導向輥機架位置有關的函數，故以導向輥轉軸中心安裝位置、油缸前段固定座安裝位置、油缸后段固定座安裝位置作為設計變量，具體如表1所示。各設計變量取值范圍作以下說明：1、導向輥轉軸安裝位置取值范圍根據主輥上主板尺寸設定；2、油缸前端固定座安裝位置范圍根據導向輥臂長設定；3、油缸后端固定座安裝位置則根據徑向軋環機機架決定。

表1 設計變量

3.2 外界驅動的施加

根據公式（3）、（4）、（5）可計算出的環件外徑擴大速度和環件圓心移動速度。在ADAMS中分別用函數表達式加載到移動副中。

4、虛擬樣機模型驗證

為檢驗導向機構的虛擬樣機模型的可靠性，將由以上解析公式計算得到的以導向輥轉軸轉角為橫坐標和以油缸擺角為縱坐標的關系與仿真結果進行對比。從圖4和圖5中可以看出，仿真得到的導向力比解析值略大，這是由于虛擬樣機仿真是動態過程，各構件還受到了慣性力的影響。但是解析和仿真得到的彈簧力以及導向力變化趨勢基本一致，這也證明了虛擬樣機模型的正確性。

圖5 解析法變化曲線圖

圖4 ADAMS仿真變化曲線圖

5、參數化虛擬樣機優化結果對比

在ADAMS/view的優化工具箱中選定優化目標、設計變量和約束條件，經過多次迭代，自動得到優化后的導向機構模型如圖（b）所示。

圖6 優化前后導向輥示意圖

表2 優化前后結果對比

在優化前后目標函數和各設計變量的值如表5-1。與原設計相比，優化后導向機構運動過程中的油缸的最小擺角減小了24.9%。優化前后導向機構的油缸的最小擺角（縱坐標）與轉軸轉角（橫坐標）曲線如圖7所示，優化后的曲線比優化前更平緩，這也有利于環件的穩定軋制。且由表2可知油缸前段固定座安裝位置對油缸擺角的影響最大，而導向輥轉軸位置縱坐標的影響最小。由此可知，在設計導向機構時，將可將油缸前段固定座安裝在預訂位置，則可以使油缸的擺角盡可能減小，從而使導向輥運動更加平穩。

圖7 優化前后導向油缸擺角隨轉軸轉角的變化對比

6、結論

通過對徑-軸向軋環機的導向機構的運動學分析和優化設計，可得如下結論：

（1）對徑-軸向導向機構進行了運動學和力學的解析，得到了導向機構轉軸轉角和油缸擺角之間的關系。

（2）建立了以油缸的最小擺角為目標函數的虛擬樣機優化模型，經過多次迭代，使得各設計變量得到了不同程度的優化，最終使得油缸擺角較大幅度下降，使得環件軋制過程，油缸運動更加平穩。

[1] 華林,左治江,錢東升.環件冷輾擴中單輥隨動導向運動規律研究[J].中國機械工程,2006,(9):953-957.

[2] 莊仲凱,王強,談玉龍等.徑-軸向輾環機軸向軋制機構結構分析[J].精密成形工程,2012,4(5):30-36.

[3] L.B.Pan, L.Hua and J.Lan,3D FE simulation and analysis on radialaxial large ring rolling, Materials Science Forum, (2007) 1903-1906.

Operation Analysis And Optimization Of Guide Mechanism Of Radial Axial Ring Rolling Mill

Wang Jin
( School of Automotive Engineering of Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )

Guide mechanism is one of the key components of the radial axial ring rolling equipment. It has important influence on the smooth running of the ring rolling process and the forming of the ring. This paper analyzes the motion characteristics of radial axial ring rolling experiment machine guide mechanism, using the analytical method of kinematic analysis of the mechanism, the holding angle and swing angle between cylinder The virtual prototype model of parametric test machine guide mechanism establishment based on the dynamics simulation software ADAMS, and the minimum cylinder rotation angle as the objective function, the assembly position of each component as design variables, the guiding mechanism of the experimental machine were optimized by iterative calculation, the cylinder angle than the original design reduced by 24.9%. The research conclusions provide the theoretical basis for the optimization design of the guide mechanism of the small diameter ring rolling mill.

Radial axial ring rolling mill; Steering mechanism, Kinematics; The virtual prototype model of para -meterized; The optimization design

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-204-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.070

王進，（1989.2-）碩士研究生。就讀于武漢理工大學汽車工程學院，車輛工程專業。