邢預(yù)恩，張根保

（1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，包頭 014010；2. 重慶大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼管行業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)全球化和社會信息化的挑戰(zhàn)，為了適應(yīng)迅速變化的市場需求，提高產(chǎn)品的競爭力，必須快速調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，縮短開發(fā)周期，從而有效地降低生產(chǎn)成本，以最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最低的成本來滿足市場的需求。

Pro/Engineer 作為一個集CAD/CAM/CAE 于一體的優(yōu)秀軟件，其強(qiáng)大的實(shí)體和智能特征造型功能使得機(jī)械設(shè)計(jì)正向著高效率、低成本、優(yōu)良可靠和一次成型的目標(biāo)發(fā)展。Pro/Engineer具有基于特征的實(shí)體建模特點(diǎn)，是基于特征的實(shí)體造型軟件。三輥導(dǎo)向裝置是無縫鋼管穿孔及后臺I段的一個設(shè)備，本文將Pro/Engi-neer軟件的建模和仿真分析等模塊應(yīng)用于該裝置設(shè)計(jì)階段，可使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。

1 三輥導(dǎo)向裝置

在無縫鋼管的穿軋生產(chǎn)中，頂桿的定心具有重要的意義。頂桿定心不準(zhǔn)，頂頭會偏離穿軋中心線，造成毛管壁厚不均。此外，頂頭偏離軋制中心，會加劇穿軋過程的振動，增加毛管在穿軋過程中的金屬滑移，使穿軋速度降低，影響產(chǎn)量，甚至造成生產(chǎn)事故。

1.1 三輥導(dǎo)向裝置的作用

三輥導(dǎo)向裝置在無縫鋼管穿軋生產(chǎn)過程中的主要作用是：1）保證頂桿在穿軋過程其中心和軋制中心保持一致；2）支持頂桿，使頂桿形成一個連續(xù)梁，保證頂桿在穿軋過程中有足夠的剛度，使毛管穿軋順利進(jìn)行；3）在穿軋過程中保證頂桿繞軋制中心旋轉(zhuǎn)；4）當(dāng)毛管穿軋至該組定心輥時，及時張開，并抱緊毛管，使毛管中心與軋制中心保持一致，減小頂桿的振動；5）當(dāng)管坯穿軋完畢時，及時打開定心輥，保證毛管能被夾送輥及時夾住，送出穿孔機(jī)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

三輥導(dǎo)向裝置主要由二部分組成。一部分是機(jī)械部分，另一部分是液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)有二個液壓缸，液壓缸2與聯(lián)動板相連，控制聯(lián)動板的轉(zhuǎn)動，使三個輥同時夾緊，并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用。液壓缸1是與杠桿2直接相連，并固定在與聯(lián)動板同心的軸上，它是在拔出荒管時，保證輥2打開，使荒管順利取出。

1.2.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，如圖1所示，液壓缸2推動聯(lián)動板運(yùn)動，聯(lián)動板上有拉板1和拉板3，它們分別接杠桿1和杠桿3，杠桿1帶動輥?zhàn)?，杠桿3帶動輥?zhàn)?一起運(yùn)動。當(dāng)液壓缸2伸出時，聯(lián)動板順時針方向轉(zhuǎn)動，控制輥?zhàn)?的拉板1處于拉狀態(tài)，控制輥?zhàn)?的拉板3處于推狀態(tài)。此時，輥?zhàn)?、3同時處于夾緊狀態(tài)。杠桿2與液壓缸1連接，液壓缸2推動聯(lián)動板夾緊時液壓缸1不工作，液壓缸與聯(lián)動板固定在同一根軸上并成一定角度，液壓缸1控制拉板2來推動杠桿2使輥?zhàn)?也同時夾緊，以實(shí)現(xiàn)三個輥?zhàn)拥耐瑫r夾緊的運(yùn)動過程。

圖1 三輥導(dǎo)向裝置運(yùn)動簡圖

2 三輥導(dǎo)向裝置運(yùn)動系統(tǒng)仿真

機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。圖解法可以直觀地了解機(jī)構(gòu)的某個或某幾個位置運(yùn)動特性，但精度較低；解析法可以獲得很高的計(jì)算精度及一系列位置，但分析計(jì)算很復(fù)雜。為了獲得較高計(jì)算精度，同時也能直觀地了解機(jī)構(gòu)的某個或某幾個位置運(yùn)動特性，運(yùn)用Pro/Engineer動態(tài)仿真運(yùn)動分析模塊來對拉板進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，在這里我們沒有必要畫出真實(shí)的物理模型，采用簡化的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模就可以滿足需求，而且實(shí)現(xiàn)起來較容易。

拉板1比較特殊，它所鉸接的杠桿1，與液壓缸1連接的杠桿2是同軸的，這就容易造成拉板1與液壓缸的柱塞桿出現(xiàn)碰撞，特別是在液壓缸1運(yùn)動不穩(wěn)定的情況。拉板1處在四桿機(jī)構(gòu)中，需要分析在運(yùn)動過程中是否會存在死點(diǎn)，是否會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)之初我們應(yīng)該預(yù)測到拉板1是否會出現(xiàn)上述的情況，因?yàn)樗鼘⒂绊懙綗o縫鋼管的軋制質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及設(shè)備的使用壽命。下面運(yùn)用Pro/Engineer軟件對機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程進(jìn)行動態(tài)仿真分析，判斷拉板1在運(yùn)動中是否存在死點(diǎn)及傳動角的大小的變化。

2.1 四桿機(jī)構(gòu)仿真模型

我們將拉板1及其周圍的相關(guān)部件簡化成簡單的四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時，其傳動角的大小是變化的，為了保證機(jī)構(gòu)傳動性能良好，設(shè)計(jì)時通常應(yīng)使最小傳動角γmin≥40°；對于高速和大功率的傳動機(jī)械，應(yīng)使γmin≥50°。已知：各桿長L1＝320mm，L2＝882mm，L3＝520mm，L4＝894.48mm，L5＝743mm。

壓力角α在20°～－13°角之間變化，應(yīng)用Pro/Engineer軟件按實(shí)際尺寸建立簡單仿真模型如圖2。機(jī)構(gòu)各運(yùn)動位置簡圖如圖3～圖5所示。

用Pro/Engineer仿真求γmin，以判斷機(jī)構(gòu)傳力性能是否良好，共分析3個位置，α的兩個極限位置和一個α=0°的位置，如圖6所示。

圖2 四桿機(jī)構(gòu)仿真模型

圖3 位置一 α＝20°

圖4 位置二 α＝0°

圖5 位置三 α＝－13°

可見在位置1到位置3 兩個極限位置，γ的范圍是 70°～ 86°，符合γ＞40°～ 50°的要求，由開始所論述的死點(diǎn)位置得出拉板1不會出現(xiàn)死點(diǎn)，即不會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，可以完成正常的運(yùn)動周期。

2.2 運(yùn)行仿真模型

首先對該機(jī)構(gòu)定義驅(qū)動裝置，在Pro/ Engineer軟件中使用伺服電機(jī)來代替該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動裝置，為了更好得檢測其運(yùn)動性能良好及是否存在死點(diǎn)等問題，我們加大了壓力角α的范圍，即－20°＜α＜20°，而該裝置的實(shí)際壓力角范圍是在－13°與20°之間。同時為了模擬真實(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動，我們定義的電機(jī)位置圖如圖7所示。

圖6 在運(yùn)動中測量γ的值

圖7 電機(jī)位置

通過進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真得出壓力角與傳動角隨時間變化關(guān)系，如圖8所示。

2.3 仿真研究分析

從圖上我們可以看出該機(jī)構(gòu)傳動角γmin遠(yuǎn)大于40°～50°，很顯然機(jī)構(gòu)傳動性能良好，也可以很清晰看到機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)位置。當(dāng)然為了降低該裝置的成本并同時滿足傳動性能，可以調(diào)整拉板1的尺寸，對該裝置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，直到達(dá)到最優(yōu)化為目標(biāo)。

從以上的分析過程可知, 運(yùn)用Pro/ Engineer的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真,具有很大的優(yōu)越性，它使機(jī)構(gòu)造型形象化、可視化,大大提高機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)效率,并能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷, 提前進(jìn)行改善和修正,減少試制樣機(jī)的費(fèi)用,大大縮短機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期, 進(jìn)而提升整體的設(shè)計(jì)水平。

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用Pro/ Engineer軟件的建模和仿真分析模塊, 成功地進(jìn)行了三輥導(dǎo)向裝置的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì),獲得了三輥導(dǎo)向裝置工作過程的動畫圖形, 進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),進(jìn)一步提高了裝置的工作性能。綜上所述，Pro/Engineer仿真分析在鋼管的生產(chǎn)中有著巨大的應(yīng)用潛力, 它不消耗現(xiàn)實(shí)的資源和能量，卻能反映實(shí)際產(chǎn)品的有關(guān)情況。將Pro/Engineer仿真技術(shù)應(yīng)用于三輥導(dǎo)向裝置中，可提高無縫鋼管的生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。將本方案應(yīng)用到內(nèi)蒙古包鋼無縫鋼管的生產(chǎn)中，收到很好的效果，降低了鋼管的成本，提高了鋼管的質(zhì)量，更好滿足了鋼管行業(yè)不同客戶的需求。

圖8 壓力角與傳動角隨時間變化關(guān)系

[1] 邢預(yù)恩, 要二倉. 基于AMESim的三輥導(dǎo)向裝置液壓系統(tǒng)仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2011, 03.

[2] 張良夫, 王愛國, 徐迎春. 國產(chǎn)三輥軋管機(jī)生產(chǎn)線的工藝設(shè)備特點(diǎn)[J]. 軋鋼, 2007, 2.

[3] 王曉英, 羅紅波. 基于Pro/PENGINEER Wildfire的三維實(shí)體特征建模方法[J]. 工具技術(shù), 2005, 2.

[4] 張智明, 李預(yù)斌. 精通Pro/PENGIEER 中文野火版(零件設(shè)計(jì)篇)[M]. 北京: 中國青年出版社, 2004.

[5] 林清安. PRO /ENGINNEER 零件設(shè)計(jì)高級篇[M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2000.

[6] LA I Chao-an, L IZhen-nan. The Key Technology about Application Development of P/E[J]. Computer applications 2001, 9.