大口徑增強(qiáng)管道纏繞機(jī)模具芯軸滑塊結(jié)構(gòu)仿真分析

黃舒彥，蘇昭群

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建福州 350000）

0 引言

新型大口徑管道被稱為新生的應(yīng)用技術(shù)[1]，已被廣泛應(yīng)用于市政排污、煤礦通風(fēng)及瓦斯輸送等工程，應(yīng)用和發(fā)展前景十分廣闊[2]。目前我國主要大口徑增強(qiáng)管生產(chǎn)廠家均引進(jìn)國外設(shè)備，并且產(chǎn)量無法滿足目前國內(nèi)市場需求[3]。芯軸是大口徑增強(qiáng)管纏繞機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能對保證管材成型的圓度，提高纏繞效率及降低功耗具有重要意義。大口徑纏繞機(jī)在工作過程中需要利用芯軸直徑變化來完成脫模，因此芯軸中應(yīng)設(shè)計一種滑動裝置，使其能夠在軸向外力作用下實現(xiàn)徑向尺寸變化。

本文應(yīng)用ANSYS軟件對滑動裝置中的滑塊進(jìn)行仿真分析，對其施加固定約束載荷，分析其最大變形位移與最大應(yīng)力變化特征，為大口徑纏繞機(jī)芯軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 纏繞機(jī)模具芯軸滑動架結(jié)構(gòu)及建模

1.1 滑動架結(jié)構(gòu)及其特點

模具芯軸主要由八邊形架體、弧形板和滑動裝置3部分構(gòu)成，直徑為3 000 mm。滑動裝置與弧形板分為A、B兩種，共8組，交錯均布在等邊八邊形架體上，采用45 kW交流變頻電機(jī)驅(qū)動，如圖1。每塊弧形板由7個滑動架支承進(jìn)行升降，每個升降架裝有2個滑塊。大口徑復(fù)合管成型后通過滑動架的水平移動帶動弧形板徑向升降，先控制滑動裝置將弧形板A下降到一定高度，待四組弧形板A全部下降完成后，再下降弧形板B，從而實現(xiàn)芯軸直徑變化，使復(fù)合管與之完全脫離。

在工作過程中滑動裝置需進(jìn)行機(jī)械動作并承受熱和載荷，其結(jié)構(gòu)見圖2。圖中，連桿帶動滑塊中間架沿固定滑動架的槽作水平直線運(yùn)動，滑塊中間架和滑塊固定連接，利用滑塊的斜面使升降滑動架進(jìn)行垂直直線運(yùn)動。

1.2 滑塊模型與網(wǎng)格劃分

滑塊安裝在固定滑動支架兩側(cè)，直接帶動升降架在垂直方向移動，為保證精度，需分析其在工作條件下的變形特征。通過Solidworks建立其幾何模型，并將模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行分析，設(shè)置材料為結(jié)構(gòu)鋼，特性如表1。

表1 材料參數(shù)

對模型進(jìn)行Automatic網(wǎng)格劃分，尺寸為5 mm，并對預(yù)計發(fā)生應(yīng)力集中的圓角部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，尺寸為0.5 mm。劃分完成后共87 655個單元，151 837個節(jié)點，如圖3。

2 滑塊的靜力學(xué)分析

根據(jù)滑塊受力特點，在滑塊的螺栓孔位置添加固定約束。工作時弧形板、升降滑動架、管材和纖維帶的自重以及纏繞過程中纖維張力等多種力都會作用于滑塊，為簡化計算，將載荷設(shè)定為作用在滑塊與升降滑動架接觸斜面上的垂直作用力。對大口徑纏繞機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)簡化后，滑塊主要受到弧形板重力G1、升降滑動架及附件重力G2、管材和纖維帶的重力G3以及纖維帶張力T的作用。設(shè)每塊弧形板配置的滑動架數(shù)量為n，纖維帶張力的方向與水平面的夾角為φ。纖維帶纏繞時芯軸受到纖維帶一組對稱張力的影響，其徑向分量為[4]：

式中夾角φ按一般工況取10°，設(shè)備參數(shù)如表2所示，代入式（2）計算，可得滑塊斜面所受載荷為4 456 N。

表2 設(shè)備參數(shù)

由于局部坐標(biāo)系的Z方向是芯軸直徑的誤差敏感方向，選取Z方向變形情況及應(yīng)力進(jìn)行分析求解，得到變形云圖（圖4）和應(yīng)力分布云圖（圖5）。由圖可知，滑塊在Z方向上的最大變形的位置發(fā)生在左端斜面處，在最大變形位移為0.0067mm，變形量較小。滑塊所受應(yīng)力最集中點位于滑塊中部圓角處，最大應(yīng)力值為45.49MPa，遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力。

3 滑塊的穩(wěn)態(tài)熱學(xué)分析

在生產(chǎn)過程中，芯軸會持續(xù)工作1 h到1.5 h，工作溫度為180℃左右，最高可達(dá)200℃[5]，因此也需要考慮熱變形帶來的影響。由于芯軸在長時間工作后逐步達(dá)到熱平衡狀態(tài)，溫升不再與起步階段相同，較為平穩(wěn)，溫度增加較小，因此，本文采用穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)方式進(jìn)行分析。

熱傳遞的方式分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種。由于溫升較小，根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律，熱輻射在熱傳遞中的占比很小，可以忽略，因此主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對流對熱場的影響。其中熱傳導(dǎo)部分由溫度梯度以及熱導(dǎo)率決定。熱傳導(dǎo)根據(jù)傅立葉定律：

式中q—熱流密度；k—導(dǎo)熱系數(shù)為溫度梯度。

工程中多使用牛頓冷卻方程來計算對流換熱量：

對于表面上任意點，有：

式中α—導(dǎo)熱系數(shù)；T1和T2分別為固體表面溫度與周圍流體溫度。

根據(jù)經(jīng)驗，滑塊與空氣的對流換熱取5W/（m2·℃），金屬接觸取450 W/（m2·℃），環(huán)境溫度25℃，對滑塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升仿真[6]。

由仿真結(jié)果可知，零件在Z方向上的變形最嚴(yán)重的區(qū)域?qū)ΨQ出現(xiàn)在左右兩端與升降架發(fā)生接觸的斜面處，最大變形方向為Z軸負(fù)方向，變形量為0.046 mm（圖6）,最大應(yīng)力為68.47 MPa（圖7），小于許用應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文對大口徑纏繞機(jī)芯軸的滑塊進(jìn)行仿真，完成對滑塊的受力分析和網(wǎng)格劃分，在對其施加約束與載荷后發(fā)現(xiàn)由于在工作時處于高溫狀態(tài)，相較于靜力載荷，溫度對滑塊的變形和應(yīng)力影響更為嚴(yán)重，在誤差敏感方向上的熱變形最大達(dá)到0.046 mm，最大熱應(yīng)力值達(dá)到68.47 MPa，滿足使用要求。在左端斜面處，機(jī)械變形會對熱變形進(jìn)行補(bǔ)償，使在Z方向的最大變形量降低14.6%，有利于保證芯軸精度。