折彎機(jī)滑塊結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計

丘冠軍

摘 要：綜合分析折彎機(jī)的滑塊結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高折彎機(jī)的工作性能。對影響折彎機(jī)滑塊直線度的因素進(jìn)行了探討，滑塊彈性變形的理論數(shù)據(jù)為折彎機(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)，結(jié)合折彎機(jī)的實(shí)際情況，使用軟件建立了有限元分析模型，分析了其受力情況和敏感度，說明了各模型尺寸與彈性變形的數(shù)據(jù)關(guān)系，以此制訂可行的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計；折彎機(jī)；敏感度分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TG305 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.090

文章編號：2095-6835（2015）15-0090-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了前所未有的發(fā)展時期，折彎機(jī)在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的折彎機(jī)設(shè)計存在著許多問題，不僅不利于折彎機(jī)的運(yùn)行，而且影響了加工質(zhì)量。所以如何對折彎機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高加工質(zhì)量成為了人們關(guān)心的問題，下面就此進(jìn)行討論分析。

1 創(chuàng)建分析模型

1.1 模型建立

數(shù)控液壓折彎機(jī)主要由床身、滑塊、撓度補(bǔ)償、換模裝置、后擋料裝置、安全防護(hù)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。折彎時，兩側(cè)油缸對滑塊產(chǎn)生向下的折彎力，滑塊通過球面塊與油缸活塞桿球鉸連接。在滑塊的背面，有4對導(dǎo)向輪對滑塊的上下運(yùn)動提供平面約束?；瑝K下部通過快速換模裝置連接折彎模具的上模。下模工作臺中部安裝有數(shù)組不同斜度的楔塊和電動推桿組成的維拉補(bǔ)償裝置用以補(bǔ)償工作臺的變形。折彎機(jī)滑塊在運(yùn)行到下極限位置時，油缸處于保壓狀態(tài)，此時的滑塊與床身、油缸之間不會產(chǎn)生相對位移，滑塊處于靜力平衡狀態(tài)。這里主要對此時的滑塊變形情況進(jìn)行有限元分析。

1.2 材料的力學(xué)性能

折彎機(jī)滑塊采用厚度為50 mm的Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板與4塊80 mm×200 mm的連接板焊接而成，其材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能

1.3 滑塊的載荷與約束

WDB100-3100型數(shù)控液壓折彎機(jī)的公稱壓力是1 000 kN，在靜力平衡狀態(tài)時，受到兩側(cè)油缸向下的壓力和模具向上的反作用力。在滑塊的下端面和肩部50 mm×80 mm兩端面分別施加1 000 kN向上、500 kN向下的壓力。因為在靜力平衡狀態(tài)時，滑塊與床身之間不會產(chǎn)生相對位移，因此在滑塊背部安裝導(dǎo)向輪的四個平面上創(chuàng)建位移約束。

1.4 結(jié)果分析

圖1 位移曲線圖

對滑塊的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立靜態(tài)分析，得到滑塊的位移云圖，從中可以看出滑塊的最大位移為0.382 mm，調(diào)取下端面一條棱邊的位移曲線圖，如圖1所示。從曲線圖上可

以看到滑塊變形呈對稱狀態(tài)分布，最大位移點(diǎn)位于下端面的中間部位，并且在全長3 100 mm的范圍內(nèi)均有變形發(fā)生，變形量為0.04～0.382 mm。

2 優(yōu)化方案的比較

將滑塊的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修改，重新建立模型進(jìn)行有限元分析。通過指定設(shè)計變量，在給定的變化范圍內(nèi)對新模型進(jìn)行敏感度分析，從而確定設(shè)計尺寸與最大變形量的線性關(guān)系，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持，并得出可行的優(yōu)化方案。

2.1 滑塊加厚

在原設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，將滑塊厚度尺寸50 mm定義為設(shè)計變量，定義變化范圍為40～80 mm，并建立敏感度分析，可得到滑塊厚度與最大變形量的線性關(guān)系，如圖2所示。從關(guān)系圖中可以看出，當(dāng)滑塊厚度從40 mm增加到80 mm時，滑塊的最大變形量從0.70 mm減小到了0.13 mm。因此，增加滑塊厚度可以減小滑塊的剛度變形。

圖2 滑塊厚度與最大變形量的線性關(guān)系圖

2.2 滑塊加筋

在原設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，在滑塊背部增加一處長3 000 mm、高100 mm、寬50 mm的筋板，重新劃分網(wǎng)格，施加約束與載荷并進(jìn)行有限元分析，得到位移云圖和位移曲線圖。通過與原模型的分析結(jié)果進(jìn)行對比可得，增加加強(qiáng)筋后，滑塊的最大變形量由原來的0.382 mm減小到了0.315 mm。同時，將筋板厚度尺寸50 mm定義為設(shè)計變量，變化范圍為40～60 mm，并建立敏感度分析，可得到筋板厚度與最大變形量的線性關(guān)系，如圖3所示。從曲線圖上可以看出，筋板厚度從40 mm增加到60 mm，最大變形量僅僅減小了0.025 mm。

圖3 筋板厚度與最大變形量線性關(guān)系圖

2.3 改變滑塊下端面的受力位置

考慮到加載后的滑塊在全長范圍內(nèi)均有變形，嘗試改變滑塊的設(shè)計結(jié)構(gòu)。重新施加載荷與約束，并劃分網(wǎng)格劃分、建立有限元分析，得到新結(jié)構(gòu)的位移云圖，如圖4所示。從位移云圖上可以看出，改變結(jié)構(gòu)后，滑塊的最大變形量從原來的0.382 mm

減小到0.108 mm，滑塊的變形得到了很好的改善。為進(jìn)一步找出受力位置與最大變形量的關(guān)系，將滑塊厚度方向的位置尺寸12 mm定義為設(shè)計變量，定義變化范圍為10～24 mm，經(jīng)過敏感度分析，得到受力位置與最大變形量的線性關(guān)系，如圖5所示。從曲線圖上可以看出，當(dāng)位置尺寸在12左右時，滑塊的最大變形量最小，也就是滑塊下端面的受力位置在板厚中央時，滑塊的變形量最小。

圖4 位移曲線圖

圖5 受力位置與最大變形量的線性關(guān)系圖

2.4 方案比較

綜合分析上述結(jié)果，三種優(yōu)化方案都在一定程度上減小了滑塊的最大變形量。方案一通過加厚滑塊可在很大程度上減小滑塊變形，但同時也大大增加了滑塊重量，增加了制造成本，因此在實(shí)際設(shè)計中應(yīng)慎重選擇；方案二增加加強(qiáng)筋對減小滑塊變形的效果不是很明顯，同時也增加了滑塊本身的重量，增加了制造成本，給操作帶來了不便，因此，增加加強(qiáng)筋的方法并不可?。环桨溉淖兪芰ξ恢媚軌蚝芎玫馗纳苹瑝K在工作時的受力狀況，減小滑塊的剛性變形，該方案僅僅改變了滑塊的結(jié)構(gòu)尺寸，不會增加生產(chǎn)制造成本?？梢?，在三個方案中，方案三是最經(jīng)濟(jì)有效的。

3 結(jié)束語

綜上所述，上文使用有限元方法對折彎機(jī)滑塊的剛性進(jìn)行了分析，探討了影響滑塊變形關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的敏感度，得出了滑塊各設(shè)計參數(shù)與最大變形量的線性關(guān)系，并對比了幾種優(yōu)化方案，找出了引起滑塊變形的主要原因，這樣的分析方法和優(yōu)化設(shè)計值得我們在工業(yè)生產(chǎn)中推廣利用。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕