Pro/Engineer在三辊导向装置运动系统的应用研究

邢预恩，张根保

（1. 内蒙古科技大学 机械学院，包头 014010；2. 重庆大学 机械学院，重庆 400030）

0 引言

随着社会经济的快速发展，钢管行业面临着经济全球化和社会信息化的挑战，为了适应迅速变化的市场需求，提高产品的竞争力，必须快速调整产品结构，缩短开发周期，从而有效地降低生产成本，以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本来满足市场的需求。

Pro/Engineer 作为一个集CAD/CAM/CAE 于一体的优秀软件，其强大的实体和智能特征造型功能使得机械设计正向着高效率、低成本、优良可靠和一次成型的目标发展。Pro/Engineer具有基于特征的实体建模特点，是基于特征的实体造型软件。三辊导向装置是无缝钢管穿孔及后台I段的一个设备，本文将Pro/Engi-neer软件的建模和仿真分析等模块应用于该装置设计阶段，可使设计达到最优化。

1 三辊导向装置

在无缝钢管的穿轧生产中，顶杆的定心具有重要的意义。顶杆定心不准，顶头会偏离穿轧中心线，造成毛管壁厚不均。此外，顶头偏离轧制中心，会加剧穿轧过程的振动，增加毛管在穿轧过程中的金属滑移，使穿轧速度降低，影响产量，甚至造成生产事故。

1.1 三辊导向装置的作用

三辊导向装置在无缝钢管穿轧生产过程中的主要作用是：1）保证顶杆在穿轧过程其中心和轧制中心保持一致；2）支持顶杆，使顶杆形成一个连续梁，保证顶杆在穿轧过程中有足够的刚度，使毛管穿轧顺利进行；3）在穿轧过程中保证顶杆绕轧制中心旋转；4）当毛管穿轧至该组定心辊时，及时张开，并抱紧毛管，使毛管中心与轧制中心保持一致，减小顶杆的振动；5）当管坯穿轧完毕时，及时打开定心辊，保证毛管能被夹送辊及时夹住，送出穿孔机。

1.2 结构组成及机构的运动分析

1.2.1 结构组成

三辊导向装置主要由二部分组成。一部分是机械部分，另一部分是液压系统，液压系统有二个液压缸，液压缸2与联动板相连，控制联动板的转动，使三个辊同时夹紧，并实现导向作用。液压缸1是与杠杆2直接相连，并固定在与联动板同心的轴上，它是在拔出荒管时，保证辊2打开，使荒管顺利取出。

1.2.2 机构的运动分析

根据机构运动简图进行机构的运动分析，如图1所示，液压缸2推动联动板运动，联动板上有拉板1和拉板3，它们分别接杠杆1和杠杆3，杠杆1带动辊子1，杠杆3带动辊子3一起运动。当液压缸2伸出时，联动板顺时针方向转动，控制辊子1的拉板1处于拉状态，控制辊子3的拉板3处于推状态。此时，辊子1、3同时处于夹紧状态。杠杆2与液压缸1连接，液压缸2推动联动板夹紧时液压缸1不工作，液压缸与联动板固定在同一根轴上并成一定角度，液压缸1控制拉板2来推动杠杆2使辊子2也同时夹紧，以实现三个辊子的同时夹紧的运动过程。

图1 三辊导向装置运动简图

2 三辊导向装置运动系统仿真

机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。图解法可以直观地了解机构的某个或某几个位置运动特性，但精度较低；解析法可以获得很高的计算精度及一系列位置，但分析计算很复杂。为了获得较高计算精度，同时也能直观地了解机构的某个或某几个位置运动特性，运用Pro/Engineer动态仿真运动分析模块来对拉板进行机构运动分析，在这里我们没有必要画出真实的物理模型，采用简化的四连杆机构进行建模就可以满足需求，而且实现起来较容易。

拉板1比较特殊，它所铰接的杠杆1，与液压缸1连接的杠杆2是同轴的，这就容易造成拉板1与液压缸的柱塞杆出现碰撞，特别是在液压缸1运动不稳定的情况。拉板1处在四杆机构中，需要分析在运动过程中是否会存在死点，是否会出现卡死现象。在设计之初我们应该预测到拉板1是否会出现上述的情况，因为它将影响到无缝钢管的轧制质量、生产效率以及设备的使用寿命。下面运用Pro/Engineer软件对机构运动过程进行动态仿真分析，判断拉板1在运动中是否存在死点及传动角的大小的变化。

2.1 四杆机构仿真模型

我们将拉板1及其周围的相关部件简化成简单的四杆机构，当机构运转时，其传动角的大小是变化的，为了保证机构传动性能良好，设计时通常应使最小传动角γmin≥40°；对于高速和大功率的传动机械，应使γmin≥50°。已知：各杆长L1＝320mm，L2＝882mm，L3＝520mm，L4＝894.48mm，L5＝743mm。

压力角α在20°～－13°角之间变化，应用Pro/Engineer软件按实际尺寸建立简单仿真模型如图2。机构各运动位置简图如图3～图5所示。

用Pro/Engineer仿真求γmin，以判断机构传力性能是否良好，共分析3个位置，α的两个极限位置和一个α=0°的位置，如图6所示。

图2 四杆机构仿真模型

图3 位置一 α＝20°

图4 位置二 α＝0°

图5 位置三 α＝－13°

可见在位置1到位置3 两个极限位置，γ的范围是 70°～ 86°，符合γ＞40°～ 50°的要求，由开始所论述的死点位置得出拉板1不会出现死点，即不会出现卡死现象，可以完成正常的运动周期。

2.2 运行仿真模型

首先对该机构定义驱动装置，在Pro/ Engineer软件中使用伺服电机来代替该机构的驱动装置，为了更好得检测其运动性能良好及是否存在死点等问题，我们加大了压力角α的范围，即－20°＜α＜20°，而该装置的实际压力角范围是在－13°与20°之间。同时为了模拟真实机构运动，我们定义的电机位置图如图7所示。

图6 在运动中测量γ的值

图7 电机位置

通过进行运动学仿真得出压力角与传动角随时间变化关系，如图8所示。

2.3 仿真研究分析

从图上我们可以看出该机构传动角γmin远大于40°～50°，很显然机构传动性能良好，也可以很清晰看到机构不存在死点位置。当然为了降低该装置的成本并同时满足传动性能，可以调整拉板1的尺寸，对该装置进行合理的设计，直到达到最优化为目标。

从以上的分析过程可知, 运用Pro/ Engineer的机构运动仿真,具有很大的优越性，它使机构造型形象化、可视化,大大提高机构的设计开发效率,并能尽早发现设计缺陷, 提前进行改善和修正,减少试制样机的费用,大大缩短机械产品的开发周期, 进而提升整体的设计水平。

3 结束语

本文应用Pro/ Engineer软件的建模和仿真分析模块, 成功地进行了三辊导向装置的虚拟样机设计,获得了三辊导向装置工作过程的动画图形, 进行适当的改进,进一步提高了装置的工作性能。综上所述，Pro/Engineer仿真分析在钢管的生产中有着巨大的应用潜力, 它不消耗现实的资源和能量，却能反映实际产品的有关情况。将Pro/Engineer仿真技术应用于三辊导向装置中，可提高无缝钢管的生产质量，降低生产成本。将本方案应用到内蒙古包钢无缝钢管的生产中，收到很好的效果，降低了钢管的成本，提高了钢管的质量，更好满足了钢管行业不同客户的需求。

图8 压力角与传动角随时间变化关系

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