魏 鵬

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

鋁板軋制過程中，高溫鋁板在工作輥的擠壓下產(chǎn)生大的塑性變形，工作輥表面很容易產(chǎn)生粘鋁現(xiàn)象，粘鋁后的工作輥不僅會影響板帶表面質(zhì)量，還會引起軋機纏輥、加速輥面磨損。為了清除工作輥輥面的鋁粉和粘附物，提高板帶材的表面質(zhì)量，近年來新設(shè)計的現(xiàn)代化鋁板帶熱軋機均配置有高速旋轉(zhuǎn)且?guī)лS向竄動的刷輥，有效地解決了這一難題。所以，刷輥已成為鋁板熱軋機必備的關(guān)鍵組成部分。因此，刷輥結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。

以2400 mm軋機工作輥刷輥為例，對其軸向竄動機構(gòu)進(jìn)行分析，利用Inventor軟件的參數(shù)化設(shè)計和運動仿真功能，對竄動過程進(jìn)行全面分析，實現(xiàn)精確的設(shè)計目標(biāo)。

1 竄動機構(gòu)的設(shè)計條件及要求

軸向竄動機構(gòu)是刷輥的一項核心功能，實際應(yīng)用中，刷輥的竄動量、竄動頻率等參數(shù)都是影響清刷使用的重要因素。在滿足竄動量的前提下，竄動頻率太低會影響清刷效果，竄動頻率太高會產(chǎn)生沖擊載荷，給刷輥連接部位帶來較大的破壞?，F(xiàn)確定刷輥的竄動量為±20 mm，針對不同的竄動頻率，利用Inventor軟件驗證刷輥連接部位的位移(竄動量)，并分析該部位在一個完整的竄動周期內(nèi)所有運動狀態(tài)下的速度、加速度變化情況，確定合理的竄動頻率，避免在刷輥連接部位出現(xiàn)較大沖擊。

2 運動機構(gòu)的簡化與三維模型的建立

通常，竄動機構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，通過偏心輪帶動連桿機構(gòu)，實現(xiàn)刷輥軸向往復(fù)運動。將其簡化為偏心輪連桿機構(gòu)，如圖1所示。

圖1 偏心輪連桿機構(gòu)簡圖Figure 1 Eccentric wheel connecting rod mechanism

圖中A、B、C、D組成平面連桿機構(gòu)，與△CDE(剛體)相連，其中A、D為兩個固定鉸接點，E點為刷輥連接點。AB桿作為動力源，以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，帶動整套機構(gòu)實現(xiàn)刷輥的往復(fù)運動。設(shè)計目標(biāo)為：

(1)滿足要求的竄動量；

(2)計算分析完整周期內(nèi)E點的運動狀態(tài)。即E點的速度VE的變化規(guī)律，進(jìn)而求導(dǎo)計算E點的加速度AE的變化規(guī)律。通過分析該點速度與加速度值的變化趨勢，來確定所選擇的竄動頻率的合理性。

假設(shè)該機構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，則E點瞬態(tài)速度為：

平面機構(gòu)中，由于△CDE為剛性體，DC桿和DE桿角速度相等，同為ω3。那么：

該偏心輪連桿機構(gòu)運動過程中，角度θ1在0～2π之間周期性變化，角度θ2也在某一角度區(qū)間值周期性變化，機構(gòu)中變量間關(guān)系復(fù)雜，采用解析法運用微積分，計算量大，計算繁鎖。如采用圖解法概念相對明確、簡單，但精度不高。利用Inventor軟件的參數(shù)化設(shè)計和運動仿真功能，可兼顧兩種傳統(tǒng)計算方案的優(yōu)缺點，較精確地確定該連桿機構(gòu)的各種動態(tài)矢量。

圖2 偏心輪連桿機構(gòu)的三維模型Figure 2 3D model of eccentric wheel connecting rod mechanism

根據(jù)竄動機構(gòu)的受力簡圖，建立偏心輪連桿機構(gòu)的三維模型，如圖2所示。模型由連桿1(偏心輪)，連桿2和剛體1組成，兩個固定鉸接點采用固定約束，三個可移動構(gòu)件之間的活動鉸接點采用銷軸連接，采用裝配環(huán)境中的插入約束。為了保證分析過程的準(zhǔn)確性，三維模型中連桿長度、偏心輪的偏心量、固定鉸接點的相對位置必須與平面受力簡圖一致。另外，在Inventor進(jìn)入仿真環(huán)境之前，檢查各個構(gòu)件的約束關(guān)系和機構(gòu)的自由度，刪除冗余約束，確定機構(gòu)在手動操作的模式下可動，也可采用驅(qū)動約束來檢查連桿機構(gòu)的運動狀態(tài)，避免出現(xiàn)機構(gòu)死點或運動狀態(tài)跳躍性變化的情況，以此來驗證機構(gòu)運動的可行性。

3 Inventor運動仿真的設(shè)計步驟

確定了竄動機構(gòu)裝配關(guān)系后，進(jìn)入Inventor運動仿真界面。在運動仿真之前，需進(jìn)一步確定以下幾點內(nèi)容：

(1)確定機械裝置狀態(tài)和冗余度信息

偏心輪連桿機構(gòu)的實體數(shù)為4，移動實體數(shù)為3，自由度(dom)=1，冗余度(r)=0，根據(jù)《機械原理》連桿機構(gòu)設(shè)計條件，機構(gòu)運動可行。

(2)機構(gòu)關(guān)鍵點運動類型的選擇

根據(jù)三維模型圖(圖2)中的設(shè)計要求，點A、D兩個固定點設(shè)置為鉸鏈(旋轉(zhuǎn))運動，B、C兩個連接點設(shè)置為柱面運動。

(3)驅(qū)動條件的設(shè)定

該機構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，帶動偏心輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)。那么，模型中設(shè)定驅(qū)動條件為：在連桿1(偏心輪)上加載恒定轉(zhuǎn)距，并在驅(qū)動特性中輸入恒定角速度。

(4)關(guān)鍵部位矢量參數(shù)的確定

模型中E點與刷輥剛性連接，所以，將此點確定為運動仿真中參數(shù)信息輸出點，在輸出圖示器中添加設(shè)計過程所關(guān)注的幾個矢量參數(shù)：位移、速度和加速度。一般，選擇機構(gòu)中某固定鉸接點建立運動仿真相對坐標(biāo)系，在輸出軌跡曲線中勾選各項矢量所對應(yīng)的坐標(biāo)系軸，所以，在仿真輸出圖示器界面中(圖3)確定E點位移、速度、加速度的相對坐標(biāo)軸分別為Py、Vy、Ay。

圖3 運動仿真輸出圖示器界面Figure 3 Interface of dynamic simulation output graphic display

該偏心輪連桿機構(gòu)中E點的矢量參數(shù)值是設(shè)計過程中最重要的設(shè)計輸入條件，刷輥的竄動量為±20 mm，即E點的相對位移恒定，那么，我們在驅(qū)動特性中改變連桿1(偏心輪)的角速度和時間周期，進(jìn)而分析不同竄動頻率時E點的速度和加速度變化值，即刷輥在一個完整周期內(nèi)竄動過程中速度和加速度的動態(tài)值。

圖4 不同竄動頻率E點矢量參數(shù)曲線圖Figure 4 Vector parameters curves of E point at different movement frequencies

4 矢量參數(shù)曲線分析和結(jié)論

設(shè)定該機構(gòu)動態(tài)仿真的三種狀態(tài)，即刷輥竄動頻率分別為15次min、20次min、30次min，通過運動仿真得出三種設(shè)定條件下E點的位移、速度與加速度的曲線圖，如圖4所示。

在三種不同竄動頻率條件下，選出在一個完整周期內(nèi)特殊時間點位置的矢量極限值，用于判斷該偏心輪連桿機構(gòu)設(shè)計是否合理。刷輥竄動機構(gòu)的矢量極限值對比見表1。

結(jié)合E點矢量參數(shù)曲線圖(圖4)和矢量極限值(表1)可以得出結(jié)論：設(shè)計竄動量ΔP=40 mm，滿足±20 mm的設(shè)計要求，矢量曲線圓滑過渡，未出現(xiàn)跳躍性變化，證明該機構(gòu)設(shè)計合理。

另外，隨著刷輥竄動頻率的增加，刷輥的竄動速度V和加速度A的最大極限值呈遞增趨勢，曲線斜度不斷增大，尤其是當(dāng)竄動頻率為30次min時，刷輥運動時加速度曲線斜度非常大。根據(jù)曲線圖分析，速度最大值出現(xiàn)在14和34周期時間點，加速度最大值出現(xiàn)在12和整周期時間點(即運動方向切換的位置)。運動機構(gòu)中，加速度值的變化幅度是造成機械機構(gòu)沖擊甚至破壞的重要因素，在運動方向切換時，刷輥加速度對刷輥連接部位造成較大的沖擊。所以，在連桿機構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)加速度變化值較大的情況。

為了兼顧刷輥的清刷效果，在保證刷輥連接部位不受較大沖擊或滿足強度要求的前提下，該刷輥竄動機構(gòu)的竄動頻率優(yōu)選15～20次min之間。如刷輥對竄動頻率有更高要求時，應(yīng)對偏心連桿機構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，如調(diào)整偏心輪的偏心距、固定鉸接點的位置、剛體形狀尺寸等等，也可考慮增加連桿機構(gòu)和鏈接部位的強度，以適應(yīng)更高竄動頻率時所產(chǎn)生的沖擊載荷。

5 結(jié)語

在機械機構(gòu)設(shè)計中，利用Inventor軟件的參數(shù)化設(shè)計及運動仿真功能，可分析運動機構(gòu)在各種載荷條件下的運動特征，適應(yīng)于多種運動工況，類似于這種連桿機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計，借助Inventor軟件的輔助功能會顯得更便捷，高效。這種簡捷實用的途徑和模式對完善機構(gòu)設(shè)計方案、提高工作效率等具有十分重要的意義。