郭文鑫，王仲民，鄧三鵬，祁宇明，李桂祥

(1.天津職業(yè)技術師范大學 機器人及智能裝備研究所，天津 300222； 2.天津瑞馳船舶機械有限公司，天津 300480)

0 引 言

油桶翻新自動化生產線是采用燃燒和噴砂相結合的清洗方法，并通過整形和拋光處理的新型工藝翻新廢舊油桶，具有經濟實用性強、自動化程度高、可靠性好，便于維護和改良等優(yōu)點，解決了目前廢舊油桶翻新自動化生產線領域存在的一些缺陷。油桶使用一段時間會產生變形，所以廢舊油桶通過整形來矯正桶身的變形，整形機作為生產線中重要組成部分，其工作原理為：整形輥輪壓緊油桶外壁，支撐輥輪支撐油桶內壁，同時繞自身旋轉，依靠摩擦力帶動油桶轉動，通過兩個輥輪的相互作用來達到整形的目的，使整個桶身達到規(guī)定要求的圓度，而支撐輥輪是油桶翻新整形機的執(zhí)行機構，對結構的剛度、強度要求較高[1]。運用ANSYS Workbench建立支撐輥輪有限元模型，通過靜力學和模態(tài)分析，指出結構設計中薄弱部位。

1 有限元分析

1.1 建立有限元模型

按等效剛度原則，簡化支撐輥輪結構。將銷軸、螺栓連接簡化為面接觸；忽略螺紋和無應力集中的圓角、倒角；刪除次要的孔、臺，等效分配其質量[2]；如圖1所示為支撐輥輪三維模型網格劃分。

圖1 網格劃分

1.2 有限元仿真

(1) 零部件材料

支撐輥輪是不銹鋼，其密度為7 750 kg·m3，泊松比為0.31，彈性模量為193 GPa。

(2) 定義接觸和網格劃分

無相對移動的螺釘連接，用粘接接觸，如連接法蘭與輥輪、支架；設置邊界條件，采用自動劃分網格[3]，共197277個節(jié)點，117633個單元，如圖1。

(3) 添加約束與施加載荷

支撐輥輪所受載荷復雜，包括自重、自轉轉矩及與油桶之間的壓力。其中，支撐輥輪受力F如式(1)：

F=F1×Kd+F2+F3

(1)

式中：F1為支撐輥輪自重；Kd為自重系數(shù)，一般取Kd=1.2；F2為整形輥輪壓力;F3為轉矩力。

1.3 仿真結果分析

(1) 靜力學分析

支撐輥輪在整形輥輪壓力和自身重力影響下，應力、應變如圖2所示，輥輪中間部分有最大應力1.1973 MPa，輥輪材料為45鋼，屈服極限為205 MPa，一般材料最大許用應力是其屈服極限的0.5～0.8，由于輥輪中間處的應力為1.973 MPa小于屈服許用應力，故此計算符合要求。由應力和應變圖可知，輥子在工作過程中受力和變形較大的地方是工作過程中輥面上與油桶接觸處，這些分析結果和實際情況是一致的，可借助于這些數(shù)據對輥輪進行改進，在變形較大處選用高強度的材料，提高其穩(wěn)定性；同時也可以采用在輥面上堆焊耐磨材料的方法來提高輥子的使用壽命，以降低整體的經濟成本。

(2) 模態(tài)分析

根據有限元模型及邊界條件，求得支撐輥輪前10階固有頻率，其中1～6階為軋輥的剛體模態(tài)，固有頻率為零[4]，故文中著重分析支撐輥輪前7～10階模態(tài)，如表1所示，7～10階振型云圖如圖3所示。

圖2 應力、形變云圖

表1 7～10階固有頻率

分析可知：7階振型圖中，支撐輥輪彎曲變形，繞X軸正向彎曲，最大位移5.033 6 mm，在支撐輥輪兩端；8階振型圖中，支撐輥輪彎曲變形，繞X軸正向彎曲，最大位移5.033 5 mm，在支撐輥輪兩端；9階振型圖中，支撐輥輪拉伸變形，最大位移6.046 9 mm，在支撐輥輪兩端；10階振型圖中，支撐輥輪彎曲變形，結構繞支撐輥輪X軸正負方向彎曲，在支撐輥輪兩端有最大位移5.201 5 mm。

圖3 前7～10階振型圖

支撐輥輪的振動主要發(fā)生在支撐輥輪的兩端附近，中間部分振動不明顯，整形工作時，動力通過中間部分傳向邊緣部分，振動隨著支撐輥輪外部方向逐漸增強，使支撐輥輪邊緣容易發(fā)生彎曲破壞。

2 結 論

通過對建立的支撐輥輪有限元模型進行仿真分析，可以求得其受力和變形最大的地方，并通過實際情況分析驗證了這些數(shù)據的可靠性，指出支撐輥輪結構設計中的薄弱部位，為支撐輥輪結構的改進以及材料的選擇提供了重要的依據。