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      端框翻轉(zhuǎn)吊具優(yōu)化設(shè)計

      2020-06-22 14:21:38劉慧芬崔衛(wèi)國張曉強孫宇超鄭娜娜
      機械工程與自動化 2020年3期
      關(guān)鍵詞:吊梁吊具轉(zhuǎn)軸

      劉慧芬,崔衛(wèi)國,張曉強,孫宇超,李 青,鄭娜娜

      (1.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司,山西 長治 046000;2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐長治地區(qū)軍事代表室,山西 長治 046000)

      0 引言

      鋁合金端框作為某產(chǎn)品的關(guān)鍵零件,其自身精度高低對發(fā)射筒體的裝配精度影響很大,而鋁合金端框作為薄壁環(huán)狀零件,加工過程繁瑣,需要在車床與銑床間轉(zhuǎn)運,且在銑床上加工時需進行兩次翻轉(zhuǎn),如果用傳統(tǒng)吊裝方法進行翻轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)運,會嚴(yán)重影響其精度。

      本文針對端框的自身特點,對傳統(tǒng)吊裝方案進行優(yōu)化,提出了一種新型的端框翻轉(zhuǎn)吊具。首先通過UG軟件建模得到了該吊具的三維模型,然后借助ANSYS Workbench軟件對翻轉(zhuǎn)吊具的重要零部件進行仿真分析,最終得出優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)模型。

      1 端框翻轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

      1.1 翻轉(zhuǎn)吊具實體模型的建立

      該吊具主要由吊梁、質(zhì)心調(diào)整裝置(包括導(dǎo)軌、滑塊、調(diào)節(jié)螺桿)、夾緊塊、回轉(zhuǎn)軸等組成。吊梁由長方鋼管和短方鋼管焊接而成,其中長方鋼管與短方鋼管的截面尺寸相同,均為100 mm×100 mm×5 mm,長方鋼管上方焊接有支耳,在支耳上打孔用于連接銷軸,起吊時,將吊帶分別穿過兩根銷軸進行起吊,短方鋼管兩側(cè)通過軸承與回轉(zhuǎn)軸連接固定;回轉(zhuǎn)軸通過螺釘連接質(zhì)心調(diào)整裝置,進而連接夾緊塊,起到夾緊工件的作用。該吊具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

      本吊具通過在吊梁上安裝軸承,實現(xiàn)了靠人力翻轉(zhuǎn)工件,方便快捷。由于工件加工過程中的狀態(tài)不同,翻轉(zhuǎn)時的質(zhì)心也不同,為保證順利翻轉(zhuǎn),設(shè)置了質(zhì)心調(diào)整裝置,在進行翻轉(zhuǎn)操作前,將工件與夾緊塊、滑塊的合質(zhì)心調(diào)整到與回轉(zhuǎn)軸中心在同一水平線上,即可實現(xiàn)輕松翻轉(zhuǎn)。

      該吊具為四點夾緊機構(gòu),四個夾緊塊的布置位置如圖2所示。兩側(cè)夾緊塊的角度分別為120°,通過左右兩側(cè)四個夾緊塊將工件夾緊,保證在翻轉(zhuǎn)到90°時通過左右兩側(cè)夾緊塊的夾持力將工件夾緊,很大程度上消除了只靠摩擦力夾緊時的不可靠因素。

      圖1 吊具結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 夾緊塊布置

      1.2 重要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

      重要零部件的結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到該吊具的使用安全性和整體穩(wěn)定性?,F(xiàn)根據(jù)吊具的使用狀態(tài),對吊具關(guān)鍵件回轉(zhuǎn)軸、質(zhì)心調(diào)整裝置中的導(dǎo)軌和滑塊進行優(yōu)化設(shè)計。

      優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)軸為一階梯軸,小圓柱端與軸承、套筒相連,大圓柱端起固定軸承內(nèi)圈的作用,其上銑出四方臺階,并在端部開有螺紋孔,用于連接導(dǎo)軌。回轉(zhuǎn)軸裝配示意圖如圖3所示。

      該裝置中的導(dǎo)軌為矩形導(dǎo)軌,如圖4所示。該導(dǎo)軌上下面上的螺紋孔用于連接上下蓋板,蓋板上開有Φ22通孔,用于連接調(diào)節(jié)螺桿。導(dǎo)軌側(cè)面正中心有一圓形凸臺,其上開有方形槽和圓孔,與回轉(zhuǎn)軸上的四方臺階和螺紋孔配合。裝配時,將回轉(zhuǎn)軸上四方臺階插入導(dǎo)軌方形槽內(nèi),并使用螺釘將回轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)軌固定。

      滑塊為“工”字形結(jié)構(gòu),如圖5所示。小端矩形端用于插入導(dǎo)軌矩形槽中,其上螺紋通孔與調(diào)節(jié)螺桿相連,用于調(diào)整質(zhì)心,另一端開有兩個對稱的方形槽和6個Φ20通孔,其中孔1用于放置轉(zhuǎn)動銷,孔2、孔3用于放置止動銷。孔1、孔3用于夾緊工件時使用,孔1、孔2用于工裝存放時使用,此時將孔3內(nèi)的止動銷拔下,插入孔2即可。如此采用兩個銷與夾緊塊支耳連接實現(xiàn)夾緊工件的目的,滑塊與夾緊塊、導(dǎo)軌的裝配示意圖如圖6所示。

      圖3 回轉(zhuǎn)軸裝配示意圖 圖4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

      圖5 滑塊結(jié)構(gòu)示意圖 圖6 滑塊裝配示意圖

      2 翻轉(zhuǎn)吊具重要零部件的仿真分析

      為了保證該吊具整體結(jié)構(gòu)的安全可靠性,現(xiàn)對該吊具的重要零部件進行仿真分析。在保證安全系數(shù)的前提下,進行了輕量化設(shè)計,縮短了制造周期,節(jié)約了生產(chǎn)成本。

      2.1 翻轉(zhuǎn)吊具吊梁的仿真分析

      翻轉(zhuǎn)吊具吊梁由不同長度的方鋼管拼焊而成,為使計算結(jié)果更加真實,該吊梁整體運用四面體網(wǎng)格進行劃分,對其局部進行了網(wǎng)格加密,吊具吊梁的網(wǎng)格劃分如圖7所示。

      圖7 吊具吊梁網(wǎng)格劃分

      由于被吊物體質(zhì)量為250 kg,因此,將吊梁上面銷軸固定,在兩側(cè)方鋼管下端鋼管內(nèi)圓柱面上分別施加豎直向下的1 250 N遠端載荷,最終得到該吊梁的仿真分析結(jié)果,如圖8、圖9所示。

      圖8 吊具吊梁應(yīng)力云圖 圖9 吊具吊梁總位移云圖

      從圖8可以看出:吊梁的最大應(yīng)力為41.262 MPa,最大應(yīng)力分布在短方鋼管下方的邊界。方鋼管采用Q345A,材料的屈服極限為345 MPa,故吊梁的安全系數(shù)為8.4,吊梁起吊翻轉(zhuǎn)安全可靠。

      從圖9可以看出:吊具吊梁的最大變形位置在短方鋼管的邊界,最大位移為2.26 mm。變形量小,吊梁起吊翻轉(zhuǎn)安全可靠。

      2.2 回轉(zhuǎn)軸的仿真分析

      作為連接吊梁和質(zhì)心調(diào)整裝置的關(guān)鍵零件,回轉(zhuǎn)軸的強度直接關(guān)系到該吊具的使用安全性和整體穩(wěn)定性。通過對回轉(zhuǎn)軸進行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件和施加載荷,對該回轉(zhuǎn)軸進行仿真分析?;剞D(zhuǎn)軸采用四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖10所示。

      圖10 回轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格劃分

      進行邊界條件設(shè)置時,對回轉(zhuǎn)軸圓柱端的棱線施加固定約束,在四方臺階某一面上施加垂直于該面的指向軸心的載荷,載荷大小為1 250 N。經(jīng)過計算得到回轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力云圖,如圖11所示。

      從圖11可以看出:回轉(zhuǎn)軸最大應(yīng)力分布在回轉(zhuǎn)軸四方臺階尖點位置,最大應(yīng)力為109.03 MPa。轉(zhuǎn)接耳材料為Q345A,材料的屈服極限為345 MPa,安全系數(shù)為3.17,故回轉(zhuǎn)軸強度滿足吊具使用要求。

      圖11 回轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖

      3 結(jié)束語

      通過對傳統(tǒng)吊裝方法進行分析研究,并結(jié)合產(chǎn)品自身特點和加工需求,設(shè)計出端框?qū)S梅D(zhuǎn)吊具。不僅滿足車間翻轉(zhuǎn)要求,而且保證了產(chǎn)品精度。

      根據(jù)有限元離散化理論,對翻轉(zhuǎn)吊具吊梁和回轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵零部件的實體模型進行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、施加載荷等操作,最后通過計算得到有限元分析結(jié)果。

      使用強度校核理論比對應(yīng)力應(yīng)變云圖計算結(jié)果,在滿足最低安全系數(shù)的前提下,適當(dāng)減小重要零部件的外形尺寸,不僅實現(xiàn)了輕量化設(shè)計,且節(jié)約了生產(chǎn)制造成本,最終得到優(yōu)化后的端框翻轉(zhuǎn)吊具模型。分析結(jié)果表明:該翻轉(zhuǎn)吊具安全可靠,強度能滿足端框翻轉(zhuǎn)的使用要求。

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