劉 云，段麗娟

在特厚板翻板機所翻轉(zhuǎn)的鋼板中，厚度在150~200 mm的鋼板占到70%以上，鋼板的總重可達30 t，由此將使翻轉(zhuǎn)臂所受沖擊大大增加，相比普通翻板機其設計強度和扭矩也必須充分滿足載荷要求。

1 結(jié)構(gòu)特點及原理

本次設計的翻板機為曲柄搖桿式結(jié)構(gòu)，由兩個四連桿機構(gòu)組成，兩個四連桿機構(gòu)之間互相聯(lián)系。工作時由一套連桿帶動一個同步軸轉(zhuǎn)動，再由同步軸帶動幾個，甚至十幾個翻轉(zhuǎn)臂同時進行翻轉(zhuǎn)，使鋼板在長度方向上得到支撐。翻板機的工作過程分啟動階段，交接階段和返回階段，翻板機翻轉(zhuǎn)動作是可連續(xù)的和可逆的（見圖1）。翻板機可以對特厚鋼板進行180°翻轉(zhuǎn)。

2 同步軸和翻轉(zhuǎn)臂的過盈計算

翻板機在連續(xù)工作過程中是靠同步軸來傳遞大扭矩的，所以同步軸和翻轉(zhuǎn)臂之間的配合非常重要，如果過盈量不足，翻轉(zhuǎn)臂和同步軸之間會發(fā)生相對運動，將不能完成翻板動作，如果過盈量過大，不僅將會增加裝配難度，而且單個零件的設計強度也得相應提高，增加制造成本。

圖1 翻板機結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 模型的建立

根據(jù)翻板機圖紙建立過盈配合的套、軸計算模型，在建模過程中有所簡化，建模工作在dell T7500工作站上完成，軟件為UG NX 5.0（見圖2、圖3）。

圖2 軸套配合幾何模型

圖3 軸、套模型主要尺寸

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型導入ANSYS Workbench中，采用六面體單元對模型進行有限元網(wǎng)格劃分。軸共劃分為17 709個單元、67 882個節(jié)點；套共劃分為24 600個單元、104 665個節(jié)點（見圖4）。

圖4 軸、套有限元網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件及載荷

由于計算對象為軸套配合處的接觸面，因此需要首先定義軸與套的接觸區(qū)域（見圖5）?？纵S配合為?340H7/x6，最大過盈量為0.626 mm、最小過盈量為0.554 mm。計算按最小過盈量進行，設置接觸面上的單側(cè)過盈量為0.277 mm。由于只計算過盈配合，所以不必施加載荷，只需設置軸的端面為固定約束即可（見圖6）。

2.4 計算結(jié)果

通過ANSYS Workbench計算可得：在上述工況條件下，該軸、套過盈配合的 (von-Mises)最大應力為272.83 MPa（見圖7、圖8）。接觸區(qū)域配合面上的最大壓強為165.54 MPa、最小壓強為88.728 MPa（見圖 9）。

根據(jù)配合面壓強與傳遞轉(zhuǎn)矩關(guān)系

圖5 軸、套過盈配合接觸區(qū)域定義

圖6 計算模型載荷布置情況

圖7 計算模型von-Mises應力分布云圖

圖8 軸向剖面上von-Mises應力分布云圖

圖9 接觸區(qū)域上的壓強分布云圖

式中，μ—配合面摩擦系數(shù)，取0.1；d—配合直徑(mm)；l—配合長度 (mm)；T—傳遞的轉(zhuǎn)矩(N mm)；P—配合面壓強 (MPa)。

計算該過盈配合可傳遞的最小轉(zhuǎn)矩為8.707×108N·mm。

根據(jù)翻板機工作過程可知在水平狀態(tài)時鋼板對軸的力矩最大。當翻轉(zhuǎn)面積為4 000 mm×6 000 mm的鋼板時，結(jié)合翻轉(zhuǎn)臂和連接臂尺寸可得鋼板重心到軸的距離為2 798 mm，根據(jù)上述計算得到轉(zhuǎn)矩可知該過盈配合可翻轉(zhuǎn)的工件重量為31.1 t。

3 工作扭矩計算

翻板機的實際工作扭矩是由兩個翻轉(zhuǎn)臂疊加而成的，兩個翻轉(zhuǎn)臂根據(jù)翻轉(zhuǎn)的位置不同，其受力不同，進而導致扭矩也在不斷變化，如今通過計算機由動力學仿真模型完成大量的計算，把翻板機的動作過程完整地模擬出來，所得到的計算結(jié)果準確可靠。

3.1 動力學仿真模型的建立

根據(jù)圖紙建立翻板機動力學分析模型。該模型為翻板機單（右）側(cè)的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，主要由翻轉(zhuǎn)臂、連接臂、連接板、壓桿、壓桿頭和曲柄組成。其中翻轉(zhuǎn)臂質(zhì)量為1.2 t；連接臂質(zhì)量為1.07 t；連接板質(zhì)量為1.63 t；壓桿質(zhì)量為2.38 t；壓桿頭質(zhì)量為0.865 t；曲柄質(zhì)量為1.97 t（見圖10）。

圖10 翻板機單（右）側(cè)機構(gòu)幾何模型

3.2 仿真計算

機構(gòu)動力學仿真計算采用ADAMS。將模型導入ADAMS中，并對模型中各構(gòu)件的連接關(guān)系進行定義：翻轉(zhuǎn)臂與連接臂、連接臂與軸、軸與連接板之間以及壓桿與壓桿頭為固定副連接；連接板與壓桿、壓桿頭與曲柄以及曲柄與曲柄軸之間為旋轉(zhuǎn)副連接。整個機構(gòu)進行動力學分析時計算每個構(gòu)件的重量，且翻轉(zhuǎn)鋼板重量為30 t。在曲柄與曲柄軸之間施加轉(zhuǎn)速驅(qū)動（3 rpm）。

通過ADAMS軟件對曲柄轉(zhuǎn)動一周（360°）時機構(gòu)的動力學特性進行計算，得到該翻轉(zhuǎn)臂運動角度曲線（見圖11），翻轉(zhuǎn)臂的角速度分布曲線（見圖12）和系統(tǒng)的輸入扭矩特性曲線（見圖13）。

圖11 翻轉(zhuǎn)臂運動角度曲線

圖12 翻轉(zhuǎn)臂角速度分布曲線

圖13 系統(tǒng)輸入扭矩曲線

經(jīng)過對翻板機單（右）側(cè)工作機構(gòu)的仿真計算，得到曲柄軸的最大輸入扭矩為70 t·m。因減速機輸出端帶動翻板機左右兩側(cè)的工作機構(gòu)同時動作，而經(jīng)過同樣計算另一側(cè)空載最大輸入扭矩為15 t·m，所以總扭矩應為 85 t·m。

4 結(jié) 語

由于該翻板機節(jié)省能源，安全可靠，后期維護費用低，可以用在鋼廠中厚板車間使用，尤其在翻轉(zhuǎn)厚鋼板方面有更加突出優(yōu)勢，能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強產(chǎn)品競爭力。