周 兵，周青海，張果林，何廣翔，向樹(shù)民

(西安蘭石重工機(jī)械有限公司，陜西 西安 710054)

0 前言

多桿機(jī)構(gòu)在工程上常采用作圖法快速的獲得各桿件的受力情況，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)常修改桿長(zhǎng)參數(shù)，從而導(dǎo)致原本通過(guò)作圖法獲得的受力情況將不再滿(mǎn)足新的參數(shù)要求，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量重復(fù)性工作。在運(yùn)行過(guò)程中，受力情況可能急劇變化，導(dǎo)致設(shè)備破壞。而作圖法通常只求解某幾個(gè)特殊位置的受力情況，無(wú)法對(duì)機(jī)構(gòu)全工作情況作出詳細(xì)地描述。

通過(guò)解析法分析得到的機(jī)構(gòu)的幾何情況及受力情況可通過(guò)VB 等編寫(xiě)成程序，可快速、高效地對(duì)多桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免了大量的重復(fù)性工作，且能得到載荷變化相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。結(jié)合Ansys、Abaqus 等分析軟件可進(jìn)一步綜合的研究多桿機(jī)構(gòu)，使其滿(mǎn)足使用、控制、強(qiáng)度、疲勞、振動(dòng)、沖擊等綜合性要求。作為為鍛壓車(chē)間自由鍛造輸送物料的大噸位有軌裝出料機(jī)，其升降機(jī)構(gòu)承受來(lái)自?shī)A持物料的傾覆力矩，以及啟動(dòng)、輔助鍛造時(shí)來(lái)自壓機(jī)的沖擊，故升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到鍛造裝出料機(jī)的性能。本文使用解析法結(jié)合Ansys 軟件對(duì)15 t 有軌裝出料機(jī)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 復(fù)數(shù)法［1］求解機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系

吊掛系統(tǒng)參數(shù)及受力如圖1 所示，有軌裝出料機(jī)升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足鉗桿垂直方向的行程，故將圖1 中的x 做為因變量，其余桿長(zhǎng)長(zhǎng)度(l1、l2等)和鉸接位置參數(shù)作為參變量。l1為升降缸，其中l(wèi)2為前后轉(zhuǎn)臂、l5為前后吊桿，l6為緩沖缸。采用復(fù)數(shù)法求得圖1 所示多桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系如下。

圖1 吊掛系統(tǒng)參數(shù)及受力分析簡(jiǎn)圖ig.1 Parameters and force diagram of suspension system

2 升降機(jī)構(gòu)各連桿的受力分析

鉗桿和被夾持物料重G，重心相對(duì)于右邊的鉸接點(diǎn)的距離為y。通過(guò)受力分析可以得到如下公式:

3 電算分析結(jié)果

通過(guò)VB 編寫(xiě)電算程序，在滿(mǎn)足鉗桿垂直方向的行程900 mm，并保證舉升35 t 的重量(鉗桿+15 t 物料重量)的情況下，使平升缸、傾斜缸、緩沖缸受力足夠小并保證鉗桿在升降過(guò)程中各桿受力變化不超過(guò)5%。

優(yōu)化后桿長(zhǎng):a=2300 mm，b=1500 mm，c=230 mm，d=3060 mm，e=640 mm，f=1600 mm，L2=1280 mm，L5=1660 mm。

舉升15 t 物料時(shí)，升降機(jī)構(gòu)的受力情況:F1=43.77 kN、F2=0.76 kN、F3=218.75 kN、F4=218.77 kN、F5=43.77 kN、F7=8.07 kN、F8=218.88 kN。

4 使用Ansys workbench 進(jìn)行有限元分析

Ansys workbench為Ansys 新的集成分析平臺(tái)，與CAD 軟件互通性好，操作性強(qiáng)，便于設(shè)計(jì)工程師快速高效的完成CAE 分析，并快速的修改模型進(jìn)行優(yōu)化，其功能也越來(lái)越強(qiáng)大，將逐步取代Ansys 經(jīng)典界面［2］。

本文使用Solidworks 建模并裝配，采用ANSYS workbench 進(jìn)行分析。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示，在吊軸上施加F8=218.88 N，固定油缸耳環(huán)，并采用對(duì)稱(chēng)約束，允許斜壁轉(zhuǎn)動(dòng)。得到分析結(jié)果如圖所示，吊軸最大應(yīng)力122.54 MPa，采用42CrMo 材料，許用應(yīng)力280 MPa，故吊軸強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。斜臂最大應(yīng)力97.57 MPa，材料使用Q345，許用應(yīng)力170 MPa，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖2 升降機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram ofelevating

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了裝出料機(jī)升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和分析方法。通過(guò)方案設(shè)計(jì)、幾何公式的推導(dǎo)、受力分析、編程計(jì)算獲得優(yōu)化的力學(xué)機(jī)構(gòu)，并用CAE 軟件對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單高效，而且獲得了更為優(yōu)化的力學(xué)機(jī)構(gòu)，提高了設(shè)備的工作性能。

［1］孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門(mén)到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［3］童幸，高峰，張勇.操作機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的解耦性研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(11):15－20.

［4］傅新徐明，王偉，鄒俊，等.鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(11):49－54.

［5］李云輝.50 t 有軌裝出料機(jī)鉗口夾緊力和夾緊油缸參數(shù)計(jì)算［J］.機(jī)械工程師，2014(1):244－245.

［6］南鐵玲.外部機(jī)械化爐裝出料機(jī)的設(shè)計(jì)分析［J］.工業(yè)加熱，2010 (2):62－64.