周青海,周 兵,向樹民,唐海濤,陳 哲,張 慧，尚英軍

(西安蘭石重工機械有限公司，陜西 西安 710054)

操作機平行升降及傾斜機構設計

周青海,周 兵,向樹民,唐海濤,陳 哲,張 慧，尚英軍

(西安蘭石重工機械有限公司，陜西 西安 710054)

操作機的升降及傾斜機構是一個復雜的空間多桿機構，是操作機完成平行升降、俯仰、側移、偏擺運動的主運動機構，也是吸收快鍛壓機鍛造沖擊的緩沖機構，其結構設計的好壞直接影響到操作機使用性能。本文通過解析法分析得到其幾何方程組及受力情況方程組，快速、高效的對平行升降及傾斜機構進行設計，避免了大量的重復性工，并得到了載荷變化相對穩(wěn)定的結構。結合ANSYS軟件進行了進一步綜合的研究多桿機構，使其滿足了強度、疲勞、沖擊等綜合性要求。

操作機；平行升降傾斜機構；受力分析；優(yōu)化設計

0 前言

鍛造操作機是鍛造車間實現(xiàn)自動化的重要設備，其慣性大、承載能力強，通常用于夾持鍛件配合鍛造壓機完成鍛造工藝，也可以用于坯料的運輸和堆放等[1]。目前世界上最主要的鍛造操作機生產(chǎn)商主要集中在歐洲，例如德國的SMS公司、DDS公司和捷克的ZDAS公司等。我國鍛造操作機的研究起步較晚，水平相對落后，國產(chǎn)鍛造操作機的鍛造能力、速度、能耗以及材料利用率等與國際先進水平都有較大的差距[2]。

為了減小國產(chǎn)鍛造操作機與進口操作機的差距，蘭石重工研制了10～800 kN的操作機。隨著操作機工稱載荷與夾持的增大，其承受的鍛造沖擊以及運動時的慣性也就越大，對操作機平行升降及傾斜機構的要求越來越高。因此，就要對平行升降及傾斜機構進行深入的研究。本文介紹的就是使用解析法結合ANSYS軟件對30 t鍛造操作機升降及傾斜機構的研究。

1 復數(shù)法[3]求解機構的幾何關系

圖1 操作機平行升降及傾斜機構簡圖Fig.1 The sketch of lifting and tilting mechanism for forging manipulator

本文采用參數(shù)標記方法，例如：∠HCx表示直線HC與x軸正方向的夾角，B點為坐標原點，x軸正方向向右，y軸正方向向下。

用復數(shù)法求得圖1所示多桿機構的幾何關系如下

(1)

(2)

(3)

I點坐標：(xI,yI)=(xE-xC,yE-yc)

(4)

H點坐標：

(5)

K點坐標：

cos∠KIy)

(6)

D點坐標：

∠DCE))

(7)

2 受力分析

取鉗桿為研究對象，得到

FK=(Fkx,Fky)=

(8)

(9)

取桿EG為研究對象,對E點取矩得到

(10)

FE=(FEx,FEy)=(FGx+FFcos∠FJx,

(11)

(12)

FB=(FBx,FBy)=Fkx+FDx,Fky+FDy

(13)

四邊形DCEH受力情況

FD=(FDx,FDy)=(FAcos∠CEx,

FAsin∠CBx)

(14)

對C點取矩得到

(yD-yc)-FDy(xc-xD)]/[cos∠HLx(yH-yc)+

sin∠HLx(xH-xc)]

(15)

(16)

3 計算結果

通過以上得到的公式，寫入excel計算表格，通過不同桿長對比，在保證舉升30 t的物重，且鉗桿自重30 t，使平升缸、傾斜缸、緩沖缸受力足夠小并保證鉗桿在平升降過程中各桿受力變化不超過5%。

得到受力情況優(yōu)化后的固定點坐標和各桿長，如表1、表2所示。

表1 固定點坐標值

表2 優(yōu)化后各桿長度

4 使用ANSYSworkbench進行有限元分析

ANSYS workbench為ANSYS新的集成分析平臺，與CAD軟件互通性好，操作性強，便于設計工程師快速高效的完成CAE分析，并快速修改模型進行優(yōu)化，其功能也原來越強大，將逐步取代ANSYS經(jīng)典界面[4]，邊界條件如圖2所示。

圖2 邊界條件Fig.2 Boundary conditions

圖3 應力云圖Fig.3 Stress nephogram

本文使用Solidworks建模并裝配，采用ANSYS workbench進行分析。由于操作機左右對稱，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提升計算速度，取一半進行研究，簡化后的模型如圖2所示。本次分析將在吊軸上施加15 t的遠程載荷FA、15 t的遠程載荷FB，固定油缸耳環(huán)，并采用對稱約束，允許前后轉臂轉動。得到分析結果如圖3所示，后轉臂最大應力123.7 MPa，采用Q345-A材料，許用應力170 MPa，故強度滿足要求。其余零件的最大應力也小于許用應力，故強度滿足要求。

5 總結

本文通過分析，得到了一種鍛造操作機升降及傾斜機構的幾何參數(shù)以及各桿件受力大小的公式，并通過制造成excel計算表格，通過該表格，對30 t鍛造操作機升降及傾斜機構的桿長進行了分組計算對比，對比了不同桿長時各桿件的受力情況，然后確定了一組較優(yōu)的計算結果作為各桿長度。最后通過Solidwork建立了該機構的三維模型，使用ANSYS進行了有限元分析。

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Design of lifting and tilting mechanism for forging manipulator

ZHOU Qing-hai，ZHOU Bing， XIANG Shu-min，TANG Hai-tao，CHEN Zhe，ZHANG hui，SHANG Ying-jun

(Xi’an LS Heavy Machinnery Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China)

The lifting and tilting mechanism of forging manipulator is a complex spatial multi-bar mechanism，which is the buffering mechanism that absorb the impact of forging，and which is to complete the major-motion of the forging manipulator too，such as parallel lifting, tilting, swaying and yawing. And the quality of structure design would impact on the operation of machine performance directly. This paper get the formulas of the geometry and stress of multi-bar linkage through analytical methods，then the large amount of repeated works will be avoided. Combined with the ANSYS, it can further study the multi-bar linkage，then it will meet the requirements of strength, fatigue strength and impact.

forging manipulator；lifting and tilting mechanism；force analysis；optimization design

2015-08-09；

2015-09-04

周青海 (1980-)，男，工程師，主要從事精鍛機、快鍛壓機、鍛造操作機、重型卷板機等非標設備的設計研發(fā)工作。

TG315.9

A

1001-196X(2016)03-0079-04