傅 旻，金麗媛，張 文，唐 鑫

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

連鑄鋼坯生產(chǎn)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追蹤，消除混坯事件的發(fā)生，需對(duì)鋼坯進(jìn)行在線標(biāo)示。鋼坯標(biāo)示機(jī)構(gòu)是標(biāo)示設(shè)備的核心組件，機(jī)構(gòu)在PLC程序控制、氣動(dòng)控制及伺服控制的作用下，完成指定字符的標(biāo)示[1]。由于設(shè)備生產(chǎn)工況較為惡劣，機(jī)構(gòu)在標(biāo)示過(guò)程中可能受到諸如側(cè)向碰撞等突發(fā)情況的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成威脅。

1 標(biāo)示機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

1.1 標(biāo)示機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理

標(biāo)示機(jī)構(gòu)參照直角坐標(biāo)型機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)中每一個(gè)桿件可視為一個(gè)剛體，給定剛體上任一點(diǎn)的位置和姿態(tài)，則剛體在空間上可用唯一的位姿矩陣進(jìn)行描述；對(duì)標(biāo)示機(jī)構(gòu)工作空間內(nèi)一點(diǎn)P（x，y，z），沿矢量[pij]=px[i]+py[j]+pz[k]平移，得到用于描述桿件平移變換的齊次坐標(biāo)變換矩陣[2]：

其中[i]、[j]、[k]分別為直角坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的單位矢量。機(jī)構(gòu)中，X、Y向的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)槍體沿鋼坯端面的字符書(shū)寫(xiě)，Z向運(yùn)動(dòng)用于補(bǔ)償因鋼坯尺寸收縮等因素造成的標(biāo)示距離差：每書(shū)寫(xiě)一個(gè)字符，機(jī)構(gòu)根據(jù)測(cè)試儀器反饋的數(shù)據(jù)信息對(duì)標(biāo)示距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證標(biāo)示的正常進(jìn)行。標(biāo)示機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 標(biāo)示機(jī)構(gòu)使用工況分析

圖1 標(biāo)示機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

連鑄鋼坯由液壓剪裁斷或火焰切割后，經(jīng)輸送輥運(yùn)送至鋼坯擋板處等待標(biāo)示。受裁斷設(shè)備或切割原理的限制，鋼坯斷面質(zhì)量一致性較差，常伴有熱切積瘤，斷面易產(chǎn)生一定的傾角（3°左右）；鋼坯裁斷后經(jīng)輸送輥輸送至標(biāo)示位置時(shí)，鋼坯軸線與輸送輥之間有形成夾角的可能。而標(biāo)示機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中沿各軸的運(yùn)行速度為Vmax=500mm/s，故在標(biāo)示過(guò)程中，受控制系統(tǒng)特性及機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的限制，標(biāo)示槍體易與鋼坯端面發(fā)生碰撞；因槍體價(jià)格昂貴，自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，雖外設(shè)槍體防護(hù)罩，但槍體及其連接裝置所受外力不能及時(shí)削減時(shí)，過(guò)大的碰撞力仍會(huì)損害槍體護(hù)罩，進(jìn)而縮短槍體使用壽命，對(duì)機(jī)構(gòu)的正常工作造成危害。

針對(duì)機(jī)構(gòu)標(biāo)示過(guò)程中，可能發(fā)生的與鋼坯側(cè)向碰撞的情況，對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行碰撞仿真，對(duì)標(biāo)示機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞后的受力情況進(jìn)行分析。

ABAQUS是一款基于有限元方法的工程模擬軟件，其中ABAQUS/Explicit是其主要分析模塊之一。ABAQUS/Explicit采用顯示動(dòng)力學(xué)有限元格式，適合于分析受沖擊載荷并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜相互接觸作用結(jié)構(gòu)的瞬間動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題；利用中心差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行顯式的時(shí)間積分[3]。

2 標(biāo)示機(jī)構(gòu)碰撞仿真與分析

2.1 碰撞模型的設(shè)計(jì)

這里考慮最不利工況：當(dāng)鋼坯超出標(biāo)示位，而Z向絲杠未能及時(shí)響應(yīng)對(duì)槍頭位置進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可能存在的槍頭與鋼坯的側(cè)面碰撞。設(shè)定槍體以500mm/s的速度與?400mm鋼坯碰撞，碰撞發(fā)生后，槍體防護(hù)罩與鋼坯的軸向接觸深度為5mm，這里為簡(jiǎn)化分析，僅以標(biāo)示組件為例對(duì)碰撞情況進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。

圖2 標(biāo)示組件碰撞模型

標(biāo)示組件中：槍體防護(hù)罩選用強(qiáng)度、硬度均較高的GB17395-1988不銹鋼無(wú)縫鋼管，其余部件選用的材料為Q235，對(duì)應(yīng)材料屬性如表1所示。

表1 材料基本屬性

2.2 碰撞模型的前處理

將UG中建立好的模型以.x＿t的格式導(dǎo)入至ABAQUS工作界面。定義各個(gè)零部件的材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；為提高計(jì)算精度對(duì)模型中規(guī)則結(jié)構(gòu)采用六面體單元C3D8R、不規(guī)則結(jié)構(gòu)采用四面體單元C3D4進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)本次模擬仿真的主要研究對(duì)象——標(biāo)示組件中的槍體防護(hù)罩，在仿真時(shí)將應(yīng)變梯度較大的槍頭防護(hù)罩進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化；創(chuàng)建動(dòng)態(tài)、顯式分析步，碰撞分析時(shí)間Time Period為3.0×10-2s[4,5]。考慮標(biāo)示組件沿X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)以Vmax=500mm/s的速度與鋼坯發(fā)生碰撞。為模擬工況，限定圖2中對(duì)應(yīng)的4.回字形連接塊的自由度，使其只能延X(jué)方向平動(dòng)。

2.3 碰撞仿真結(jié)果及分析

標(biāo)示組件在與鋼坯發(fā)生碰撞過(guò)程中的最大Mises發(fā)生在碰撞后的0.0042s，對(duì)應(yīng)的最大Mises應(yīng)力云圖如圖3(a)所示，圖3(b)為碰撞發(fā)生的0.0096s作用力傳至連接立梁的應(yīng)力云圖。

圖3 碰撞Mises應(yīng)力云圖

通過(guò)圖3的Mises應(yīng)力云圖不難發(fā)現(xiàn)，碰撞過(guò)程中模型中的最大應(yīng)力超過(guò)380MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出結(jié)構(gòu)材料的屈服極限。為了進(jìn)一步考察最危險(xiǎn)點(diǎn)槍頭防護(hù)罩處的受力情況，本文提取了槍頭防護(hù)罩和鋼坯碰撞點(diǎn)的Mises應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖4所示。

圖4 Mises應(yīng)力曲線圖

由上圖的曲線可知： 整個(gè)碰撞過(guò)程持續(xù)了大約0.01s，碰撞點(diǎn)Mises應(yīng)力值在0.0042s時(shí)達(dá)到最大，為388.7Mpa，且在最大值點(diǎn)附近Mises應(yīng)力值有微小波動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況可知，鋼坯在線標(biāo)示時(shí)，紅熱鋼坯的溫度一般為600℃，機(jī)構(gòu)單次標(biāo)示時(shí)間持續(xù)約40s后退回，遠(yuǎn)離鋼坯標(biāo)示面；故槍頭防護(hù)罩在標(biāo)示過(guò)程中會(huì)吸收大量的輻射熱，導(dǎo)致材料溫度升高；根據(jù)材料特性：在t<150℃時(shí)：所選不銹鋼的許用應(yīng)力為220Mpa；且隨溫度的增高，許用應(yīng)力逐漸減小。碰撞發(fā)生后，槍體防護(hù)罩所受應(yīng)力值遠(yuǎn)大于材料許用應(yīng)力，不能起到保護(hù)槍體的作用[6]，進(jìn)而損壞槍體；若碰撞力不能得到及時(shí)釋放，較大的碰撞力經(jīng)槍體防護(hù)罩等部件的傳遞，將以力偶的形式作用于槍體連接座，進(jìn)而影響連接立梁及回字連接塊固定端的受力，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致停機(jī)，延誤生產(chǎn)。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)構(gòu)在標(biāo)示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中與鋼坯發(fā)生側(cè)向碰撞后會(huì)發(fā)生損壞，槍體防護(hù)罩的真實(shí)受損情況如圖5所示。

圖5 槍體防護(hù)罩受損情況

從圖5可以看出，槍體防護(hù)罩與鋼坯發(fā)生碰撞后受損嚴(yán)重，防護(hù)罩在碰撞力的作用下，前端嚴(yán)重變形，已不能保證槍體的正常使用。這與ABAQUS的計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

2.4 標(biāo)示機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

為有效緩解碰撞力對(duì)槍體及標(biāo)示機(jī)構(gòu)的損害，需對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一種帶斜楔的旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置，保護(hù)裝置原理圖如圖6所示：正常工作時(shí)，斜楔頂柱在彈簧壓力作用下，楔形面緊貼連接塊凹槽，不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，裝置能夠保證機(jī)構(gòu)的標(biāo)示需求；當(dāng)槍頭與鋼坯發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞力使斜楔沿連接塊凹槽擠出，彈簧受力壓縮，同時(shí)帶動(dòng)槍頭旋轉(zhuǎn)。當(dāng)碰撞力較小，斜楔頂柱未完全脫離凹槽時(shí)，保護(hù)裝置可自行復(fù)位；當(dāng)碰撞力過(guò)大，頂柱斜楔脫離連接塊凹槽時(shí)，需手動(dòng)復(fù)位，如圖6(a)所示（虛線表示機(jī)構(gòu)受撞擊，發(fā)生旋轉(zhuǎn)后的狀態(tài)，其中F1為槍頭防護(hù)裝置所受碰撞力，F(xiàn)N為斜楔對(duì)連接塊作用力）。

圖6 旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置示意圖

綜合考慮槍頭防護(hù)裝置所受碰撞力的大小及材料許用應(yīng)力的限制，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置中涉及的彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)：當(dāng)碰撞時(shí)的撞擊力F1達(dá)到材料許用應(yīng)力值的80%時(shí)，彈簧壓縮，帶動(dòng)斜楔脫離連接塊的楔形凹槽，槍體連接座發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)槍體及其防護(hù)裝置偏移，從而起到保護(hù)槍體的作用。經(jīng)過(guò)樣機(jī)的試制生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)線上，當(dāng)機(jī)構(gòu)受到側(cè)向撞擊時(shí)，設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠有效吸收、緩解沖擊力作用，并發(fā)生旋轉(zhuǎn)；裝置效果圖如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置

此外，為了方便操作人員及時(shí)了解槍頭及其保護(hù)裝置的使用情況，碰撞發(fā)生后，當(dāng)保護(hù)裝置發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，在遠(yuǎn)離熱源一側(cè)設(shè)置的電子報(bào)警裝置即產(chǎn)生信號(hào)，方便人員了解生產(chǎn)情況，并做出停機(jī)、檢修等操作。

3 結(jié)論

鋼坯標(biāo)示機(jī)構(gòu)在使用過(guò)程中可能受到來(lái)自鋼坯徑向碰撞力的作用，通過(guò)ABAQUS對(duì)標(biāo)示過(guò)程中可能出現(xiàn)的碰撞現(xiàn)象的模擬仿真，得出機(jī)構(gòu)在碰撞過(guò)程中承受的最大Mises應(yīng)力；根據(jù)碰撞分析結(jié)果提出旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)能夠有效緩解機(jī)構(gòu)受到的碰撞力，避免槍體及機(jī)構(gòu)的機(jī)械損壞，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論參考，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 傅旻,宗慶勛.小方坯端面標(biāo)識(shí)設(shè)備寫(xiě)字機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,29(2):54-59.

[2] 張鐵,謝存禧.機(jī)器人學(xué)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2003.

[3] 莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[4] 基于Abaqus的木材侵徹性能的仿真研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(1):125-128.

[5] 周玉乾,朱永戰(zhàn),王躍功.基于ABAQUS的液壓支架整架非線性有限元分析 [J].煤礦機(jī)械,2010,31(11):92-94.

[6] 藺月敬,何永,黃歡.基于ABAQUS的某火炮擊發(fā)機(jī)構(gòu)碰撞仿真分析[J].兵工自動(dòng)化,2012,31(10):8-11.