四輥卷板機(jī)傳動連接板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃玉玲，王衛(wèi)強(qiáng)，曹建鋒

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

四輥卷板機(jī)是機(jī)械裝備制造業(yè)，尤其是容器類制造企業(yè)必備的非標(biāo)重型機(jī)械設(shè)備，主要用于將不同種類(材質(zhì))的鋼板按照設(shè)計(jì)、制造要求卷制成筒體類機(jī)械部件，屬于塑性成型機(jī)械設(shè)備[1]。由于四輥卷板機(jī)在卷制板材過程中，需要較大的扭轉(zhuǎn)力矩，所以傳動部件的安全性設(shè)計(jì)尤為重要。傳動部件的連接板是設(shè)計(jì)過程中需要特別注意的部件，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的連接板損壞時有發(fā)生，因此對傳動部件的連接板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)勢在必行。文獻(xiàn)[2]～[4]主要闡述了利用有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法分析和優(yōu)化四輥卷板機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件，對四輥卷板機(jī)傳動連接板的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了思路和方法。但是筆者主要通過優(yōu)化應(yīng)力集中區(qū)的結(jié)構(gòu)形式的方法來研究傳動連接板的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

1 四輥卷板機(jī)傳動連接板的結(jié)構(gòu)分析

四輥卷板機(jī)傳動部件主要是為四輥卷板機(jī)上工作輥提供轉(zhuǎn)動扭矩的,該傳動部件主要由半聯(lián)軸器、部件套、連接板和連接銷等部件組成，如圖1所示。其中連接板的設(shè)計(jì)需要考慮在工作荷載下有足夠的安全系數(shù)。由于該連接板的結(jié)構(gòu)形式不同于常規(guī)，不能完全應(yīng)用彈性力學(xué)的方法得到精確的解析解，同時在對連接板進(jìn)行有限元仿真時容易忽略連接板的應(yīng)力集中問題，從而導(dǎo)致連接板的塑形變形或斷裂破壞。

圖1 四輥卷板機(jī)傳動部件結(jié)構(gòu)簡圖1.半聯(lián)軸器 2.部件套 3.連接板 4.銷

2 四輥卷板機(jī)傳動連接板優(yōu)化分析方案

2.1 設(shè)計(jì)變量

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂最優(yōu)設(shè)計(jì)，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且重量、應(yīng)力、費(fèi)用支出等最少，加工難度較低。出于降低連接板的應(yīng)力集中和滿足企業(yè)生產(chǎn)加工需要的目的確定了三種優(yōu)化方案，如圖2所示，對應(yīng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 方案1～3對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 連接板三種優(yōu)化方案

2.2 優(yōu)化分析模型

由于分析模型的建立、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的確定等因素對優(yōu)化分析的結(jié)構(gòu)影響較大，尤其是單獨(dú)對傳動連接板的優(yōu)化分析的邊界條件的選取比較困難，邊界條件的處理不準(zhǔn)，優(yōu)化分析的結(jié)果勢必不可用，因此本次優(yōu)化分析的模型選用整套四輥卷板機(jī)的傳動部件。優(yōu)化分析中選用的材料模型及參數(shù)如表2所示。

表2 選用的材料模型及參數(shù)

2.3 優(yōu)化分析邊界條件的選取

對于四輥卷板機(jī)上輥傳動部件的優(yōu)化分析，在模擬上輥端端面約束六個方向的位移，在驅(qū)動端施加533 t·mm的驅(qū)動扭矩。建立分析模型過程中施加的接觸如下：施加了連接板和半聯(lián)軸器內(nèi)傳動部件之間的8處standard接觸方式，摩擦系數(shù)0.3，模擬連接板和半聯(lián)軸器內(nèi)傳動部件之間的接觸狀態(tài)；施加了半聯(lián)軸器和半聯(lián)軸器傳動部件之間的2處standard接觸方式，摩擦系數(shù)0.3，模擬半聯(lián)軸器和半聯(lián)軸器內(nèi)傳動部件之間的接觸狀態(tài)；施加了半聯(lián)軸器2處bonds接觸方式，摩擦系數(shù)為0.3，模擬半聯(lián)軸器和套之間的接觸狀態(tài)。網(wǎng)格劃分和邊界條件的處理如圖3所示。

圖3 四輥卷板機(jī)傳動部件網(wǎng)格圖

3 傳動連接板優(yōu)化分析結(jié)果

三個方案中傳動部件中最大應(yīng)力均出現(xiàn)在傳動連接板上內(nèi)圓角處，且隨著圓角的增大，應(yīng)力有降低的趨勢，如圖4～6所示。方案3是以前兩個方案為基礎(chǔ)的，是三個方案中最優(yōu)的，最大應(yīng)力為580.104 MPa，小于材料30Cr2Ni2Mo的屈服應(yīng)力835 MPa，且安全系數(shù)大于1.4，詳見表3數(shù)據(jù)?？紤]到三種方案中均以1.4倍的設(shè)計(jì)極限載荷加載，故可認(rèn)為方 。

圖4 方案1傳動連接板等 圖5 方案2傳動連接板等 效應(yīng)力云圖 效應(yīng)力云圖

圖6 方案3傳動連接板等效應(yīng)力云圖

表3 三種設(shè)計(jì)方案中各部件應(yīng)力大小對比 /MPa

4 結(jié) 語

(1) 以有限元為分析手段，對傳動連接板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證滿足強(qiáng)度要求的前提下，優(yōu)化后傳動連接板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。

(2) 利用分析對比方案的方法，可以快速的鎖定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并能從中找到設(shè)計(jì)規(guī)律。尤其在系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，該方法的可以最大限度的提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)感知。