装出料机升降机构的设计

周 兵，周青海，张果林，何广翔，向树民

(西安兰石重工机械有限公司，陕西 西安 710054)

0 前言

多杆机构在工程上常采用作图法快速的获得各杆件的受力情况，但在实际工程设计时，为满足设计要求，经常修改杆长参数，从而导致原本通过作图法获得的受力情况将不再满足新的参数要求，导致产生了大量重复性工作。在运行过程中，受力情况可能急剧变化，导致设备破坏。而作图法通常只求解某几个特殊位置的受力情况，无法对机构全工作情况作出详细地描述。

通过解析法分析得到的机构的几何情况及受力情况可通过VB 等编写成程序，可快速、高效地对多杆机构进行优化，避免了大量的重复性工作，且能得到载荷变化相对稳定的结构。结合Ansys、Abaqus 等分析软件可进一步综合的研究多杆机构，使其满足使用、控制、强度、疲劳、振动、冲击等综合性要求。作为为锻压车间自由锻造输送物料的大吨位有轨装出料机，其升降机构承受来自夹持物料的倾覆力矩，以及启动、辅助锻造时来自压机的冲击，故升降机构设计的合理与否直接关系到锻造装出料机的性能。本文使用解析法结合Ansys 软件对15 t 有轨装出料机升降机构进行受力分析和结构优化。

1 复数法［1］求解机构的几何关系

吊挂系统参数及受力如图1 所示，有轨装出料机升降机构设计必须满足钳杆垂直方向的行程，故将图1 中的x 做为因变量，其余杆长长度(l1、l2等)和铰接位置参数作为参变量。l1为升降缸，其中l2为前后转臂、l5为前后吊杆，l6为缓冲缸。采用复数法求得图1 所示多杆机构的几何关系如下。

图1 吊挂系统参数及受力分析简图ig.1 Parameters and force diagram of suspension system

2 升降机构各连杆的受力分析

钳杆和被夹持物料重G，重心相对于右边的铰接点的距离为y。通过受力分析可以得到如下公式:

3 电算分析结果

通过VB 编写电算程序，在满足钳杆垂直方向的行程900 mm，并保证举升35 t 的重量(钳杆+15 t 物料重量)的情况下，使平升缸、倾斜缸、缓冲缸受力足够小并保证钳杆在升降过程中各杆受力变化不超过5%。

优化后杆长:a=2300 mm，b=1500 mm，c=230 mm，d=3060 mm，e=640 mm，f=1600 mm，L2=1280 mm，L5=1660 mm。

举升15 t 物料时，升降机构的受力情况:F1=43.77 kN、F2=0.76 kN、F3=218.75 kN、F4=218.77 kN、F5=43.77 kN、F7=8.07 kN、F8=218.88 kN。

4 使用Ansys workbench 进行有限元分析

Ansys workbench为Ansys 新的集成分析平台，与CAD 软件互通性好，操作性强，便于设计工程师快速高效的完成CAE 分析，并快速的修改模型进行优化，其功能也越来越强大，将逐步取代Ansys 经典界面［2］。

本文使用Solidworks 建模并装配，采用ANSYS workbench 进行分析。简化后的模型如图2所示，在吊轴上施加F8=218.88 N，固定油缸耳环，并采用对称约束，允许斜壁转动。得到分析结果如图所示，吊轴最大应力122.54 MPa，采用42CrMo 材料，许用应力280 MPa，故吊轴强度满足要求。斜臂最大应力97.57 MPa，材料使用Q345，许用应力170 MPa，强度满足要求。

图2 升降机构应力云图Fig.2 Stress nephogram ofelevating

5 结束语

本文探讨了装出料机升降机构设计的思路和分析方法。通过方案设计、几何公式的推导、受力分析、编程计算获得优化的力学机构，并用CAE 软件对其进行强度分析。设计过程简单高效，而且获得了更为优化的力学机构，提高了设备的工作性能。

［1］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS Workbench 13.0从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2012.

［3］童幸，高峰，张勇.操作机主运动机构的解耦性研究［J］.机械工程学报，2010，46(11):15－20.

［4］傅新徐明，王伟，邹俊，等.锻造操作机液压系统设计与仿真［J］.机械工程学报，2010，46(11):49－54.

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