趙向杰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程中心，陜西 西安 710089)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)手柄是低壓開關(guān)常用的一種輔助操作機(jī)構(gòu)，可在開關(guān)柜柜門上操作安裝在開關(guān)柜內(nèi)的斷路器，作為手動(dòng)助力機(jī)構(gòu)，方便使用者輕松控制開關(guān)分合閘。其防護(hù)等級(jí)為IP56，能起到一定的隔離作用。同時(shí)通過內(nèi)置在轉(zhuǎn)軸內(nèi)的鎖定功能，它可以在斷路器處于合閘或脫扣位置時(shí)禁止打開柜門[1]，以防止施工人員誤操作而引起觸電事故。為保證用電安全，旋轉(zhuǎn)手柄操作機(jī)構(gòu)必須保證開關(guān)的可靠分、合閘。但是由于大電流等級(jí)的工業(yè)用開關(guān)其合閘與分閘操作時(shí)的機(jī)構(gòu)阻力較大，這就對(duì)旋轉(zhuǎn)手柄內(nèi)部零件的疲勞強(qiáng)度提出了較高的要求。

為較為準(zhǔn)確地計(jì)算零件的疲勞強(qiáng)度，本文將利用ADAMS和ANSYS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，建立旋轉(zhuǎn)手柄操作機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，分析關(guān)鍵零件在不同約束條件下的受力情況，得到零件內(nèi)部不同位置的應(yīng)力變化曲線，結(jié)合這些數(shù)據(jù)對(duì)零件疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)通過機(jī)械壽命試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 機(jī)構(gòu)工作原理

操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)柄的輸入行程角與轉(zhuǎn)盤的輸出行程角相等且為90°,同時(shí)當(dāng)在轉(zhuǎn)柄上施加6 N·M的轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)盤需輸出6 N·M的扭矩。操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-轉(zhuǎn)柄；2-轉(zhuǎn)臂；3-推桿；4-導(dǎo)向塊；5-轉(zhuǎn)盤；6-機(jī)座

該方案是通過操縱轉(zhuǎn)柄2帶動(dòng)與其固聯(lián)在一起的轉(zhuǎn)臂3轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過鉸接在轉(zhuǎn)臂上的導(dǎo)向塊5推動(dòng)推桿4，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤6轉(zhuǎn)動(dòng)。相較于老產(chǎn)品上采用的錐齒輪傳動(dòng)方案，該設(shè)計(jì)具有體積更小，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[2]，機(jī)械效率高，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度高且能實(shí)現(xiàn)反向自鎖的優(yōu)點(diǎn)。

本研究以上述方案為原型制作了實(shí)體樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了操作實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 方案一樣品變形圖示

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)的輸入、輸出轉(zhuǎn)矩都是6 N·M，制樣時(shí)除轉(zhuǎn)臂3及推桿4選用45#鋼外，其余零件均為塑料材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出：轉(zhuǎn)臂3發(fā)生了較明顯的變形，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出改進(jìn)和優(yōu)化[3]。

2 機(jī)構(gòu)分析

轉(zhuǎn)臂在運(yùn)動(dòng)過程中承受彎矩與扭矩的組合作用，需具備較高的強(qiáng)度和剛度[4]。由于零件幾何形狀不規(guī)則且結(jié)構(gòu)特征較復(fù)雜，手工計(jì)算該零件在受載情況下的應(yīng)力和變形較為困難[5]。因此本研究借助ADAMS軟件對(duì)整個(gè)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)手柄的動(dòng)力學(xué)仿真

據(jù)此可得到轉(zhuǎn)臂各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副處的約束反力。本研究取其中的峰值作為邊界條件，在ANSYS[6]中建立轉(zhuǎn)臂的有限元模型，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)求解，其結(jié)果圖4所示。

圖4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

最后本研究依據(jù)仿真的應(yīng)力云圖對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。由計(jì)算結(jié)果可看出：該轉(zhuǎn)臂在承載時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)臂固定端與懸臂部分的交界面以及右端為避免與導(dǎo)向塊干涉而去料的薄壁部分?？疾炝慵恼w受力情況，為改善轉(zhuǎn)臂的剛度，減小受力后構(gòu)件的變形和分布?jí)毫εc磨損且不影響構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可考慮在機(jī)構(gòu)中引入虛約束，具體實(shí)現(xiàn)形式是給零件懸臂一側(cè)增加支撐鉸鏈，轉(zhuǎn)臂新舊方案對(duì)比如圖5所示(該鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與整個(gè)轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合)。

圖5 轉(zhuǎn)臂新舊方案對(duì)比

本研究對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析，該機(jī)構(gòu)由6個(gè)零件組成，除機(jī)座外共有活動(dòng)零件5個(gè)，該機(jī)構(gòu)屬于空間機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)間各零件連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 機(jī)構(gòu)連接關(guān)系圖

轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)更改后，機(jī)構(gòu)中有兩個(gè)位置存在虛約束，分別是導(dǎo)向塊與轉(zhuǎn)臂的連接處以及轉(zhuǎn)臂與機(jī)座的連接處。導(dǎo)向塊與轉(zhuǎn)臂間使用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，所以可算作一個(gè)運(yùn)動(dòng)副。轉(zhuǎn)臂與手柄間、推桿與轉(zhuǎn)盤之間都是剛性連接，因此均可視為一個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。除機(jī)座外共有3個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，則該機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=3×6-(5-2)×5-2×1=1

由計(jì)算結(jié)果可知，只需在轉(zhuǎn)柄端施加轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)確定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，符合原設(shè)計(jì)意圖。

3 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

為保證產(chǎn)品的使用壽命要求，僅考慮靜強(qiáng)度及在工況動(dòng)載荷作用下的強(qiáng)度條件是不夠的，還需對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求的操作壽命N=2.5×104,屬于高周疲勞范圍，由于該轉(zhuǎn)臂的材料擬定為調(diào)質(zhì)后的45號(hào)鋼，取其材料循環(huán)基數(shù)N0=107。因零件在承載運(yùn)行時(shí)的循環(huán)特性值r未知，無法確定材料的持久疲勞極限值σr∞，從而無法計(jì)算零件在循環(huán)次數(shù)N=2.5×104時(shí)對(duì)應(yīng)的的疲勞極限σrN。為得到轉(zhuǎn)臂承在外力作用下的應(yīng)力循環(huán)特性值r,需要準(zhǔn)確分析零件內(nèi)部各點(diǎn)處應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系。借助ADAMS與ANSYS的剛?cè)狁詈戏抡婵梢暂^準(zhǔn)確地計(jì)算該零件內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，繼而計(jì)算出循環(huán)特性值。

本研究利用ADAMS/View Flex模塊進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡嫘枰冉⑷嵝泽w[7]，選用在ANSYS中建立好MNF模態(tài)中性文件再調(diào)入動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境的方式完成。合理建立柔性體文件需要對(duì)零件進(jìn)行受力分析，在其有限元模型上建立恰當(dāng)?shù)耐饴?lián)節(jié)點(diǎn)以便于在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中施加約束。本研究取各轉(zhuǎn)動(dòng)副中心及轉(zhuǎn)臂左端面圓的圓心為外聯(lián)節(jié)點(diǎn)，將其與周圍零件特征面上的節(jié)點(diǎn)自由度耦合后生成剛性區(qū)域，作為動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)的施力點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 采用剛性區(qū)域法生成的模態(tài)中性文件

最后本研究利用ANSYS環(huán)境生成MNF文件[8]，其中包含節(jié)點(diǎn)20 707個(gè)，包含外連節(jié)點(diǎn)4個(gè)，抽取的模態(tài)階數(shù)為45。

機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中，轉(zhuǎn)臂所承受的外力通過運(yùn)動(dòng)副間的接觸施加在該零件上。為全面了解邊界條件的改動(dòng)對(duì)零件強(qiáng)度的影響，對(duì)添加轉(zhuǎn)臂與機(jī)座間虛約束轉(zhuǎn)動(dòng)副前后兩種情況分別做了分析，轉(zhuǎn)臂上其余運(yùn)動(dòng)副處受力情況是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。本文利用ADAMS/View Flex模塊建立轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9-11]，按照實(shí)驗(yàn)條件添加載荷及約束，考查轉(zhuǎn)臂在運(yùn)動(dòng)過程中在外載作用下的受力和變形情況。本文為方便解析將鉸鏈處約束反力分解為Z軸方向分力和Y軸方向分力考察，不同約束情況下各分力變化曲線如圖8所示。

由仿真結(jié)果可知：轉(zhuǎn)臂支腳移除前后其余運(yùn)動(dòng)副受力情況差別較大,為能更加準(zhǔn)確地估算該零件的疲勞壽命需要關(guān)注轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)過程中其內(nèi)部的應(yīng)力分布及變化情況。筆者提取柔性體內(nèi)部點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)[12]，此處按照應(yīng)力值由高到低的順序提取前40個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖8 剛?cè)狁詈戏抡?/p>

圖9 轉(zhuǎn)臂內(nèi)部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布情況

分析節(jié)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)可知：添加虛約束前后轉(zhuǎn)臂內(nèi)部各點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)變化很大，零件內(nèi)部產(chǎn)生的最大應(yīng)力減小了一半。按照第四強(qiáng)度理論，當(dāng)零件內(nèi)部的Von Mises應(yīng)力值達(dá)到許用應(yīng)力值時(shí)即發(fā)生塑性變形，而此處的許用應(yīng)力值應(yīng)取零件的疲勞極限。取等效應(yīng)力值大小靠前的5個(gè)節(jié)點(diǎn)研究其應(yīng)力循環(huán)特性，轉(zhuǎn)臂內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化情況如圖10所示。

由圖10可知：在鉸鏈添加前所考察的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)均為不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力，而添加了鉸鏈之后各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)特性值r≈-1。

材料疲勞極限與強(qiáng)度關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式如表1所示。

圖10 轉(zhuǎn)臂內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化情況

材料對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限拉伸?-1L彎曲?-1扭轉(zhuǎn)τ-1結(jié)構(gòu)鋼≈0.23(?a+?b)≈0.27(?a+?b)≈0.15(τa+τb)鑄鐵≈0.4?b≈0.45?b≈0.36?b鋁合金≈0.4?b/6+75≈0.4?b/6+75≈0.4?-1L青銅≈0.21?b

近似可求得材料在該工況下的疲勞極限σ-1=0.27(σs+σb)=411.9 MPa。對(duì)比圖10中兩種工況下的仿真結(jié)果可看出：原方案缺少虛約束鉸鏈時(shí)其多個(gè)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力超過疲勞極限，而添加鉸鏈后零件內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值整體下降了一半且變化趨于平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)所需的疲勞強(qiáng)度要求?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，本研究按照新設(shè)計(jì)方案重新制作了樣機(jī)并進(jìn)行了機(jī)械壽命試驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示(樣機(jī)在完成25 000次操作后未見任何變形)。

圖11 機(jī)械壽命試驗(yàn)

4 結(jié)束語

本文首先通過研究虛約束對(duì)機(jī)構(gòu)零件受力情況的影響以及分析在不同約束條件下零件的應(yīng)力特性，對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；其次為較準(zhǔn)確地計(jì)算零件的疲勞強(qiáng)度[13]，利用ANSYS建立了關(guān)鍵零件的模態(tài)中性文件，在ADAMS/View Flex的剛?cè)狁詈檄h(huán)境中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到關(guān)鍵零件在運(yùn)動(dòng)過程中內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，作為應(yīng)力應(yīng)變法計(jì)算疲勞強(qiáng)度的輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算了零件的疲勞極限；最后以該設(shè)計(jì)方案制作了樣機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了機(jī)械壽命實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其滿足25 000次操作壽命要求，從一定程度上說明了設(shè)計(jì)計(jì)算及剛?cè)狁詈戏治鰯?shù)據(jù)的可靠性。