GQ40F钢筋切断机偏心轴-连杆机构接触分析与研究

肖强，刘中，卫青珍

(太原科技大学，太原 030024)

GQ40F钢筋切断机偏心轴-连杆机构接触分析与研究

肖强，刘中，卫青珍

(太原科技大学，太原 030024)

针对钢筋切断机中偏心轴-连杆机构的接触问题，以GQ40F型钢筋切断机为例，利用Solid Works建立机构三维模型并导入ANSYS Workbench，通过有限元法对结构进行静力学分析、静态接触分析和模态分析，得到连杆机构总变形云图、应力云图、静态接触分析云图和前15阶模态振型图。并根据分析结果提出相应的改进措施。

钢筋切断机;连杆机构;接触分析

在实际生产过程中，钢筋切断机是一种应用广泛的钢筋加工机械。偏心轴-连杆机构(如图1所示)是钢筋切断机重要的组成部分。偏心轴-连杆机构包括偏心轴、铜套、连杆、冲切刀座、动刀片等零部件。钢筋切断机的动刀片通过螺钉安装在冲切刀座一端上，冲切刀座另一端以一定的间隙量与连杆小端部分配合，铜套外圆以一定的过盈量压装在连杆大端上，铜套内孔与偏心轴之间间隙配合。在钢筋切断机工作过程中，偏心轴、铜套、连杆的接触状态和接触应力都将发生随机改变。偏心轴、铜套、连杆的摩擦接触是一个三维多体接触问题，也是一个非线性问题。因此，对该机构进行结构静力学分析、静态接触分析和动力学模态分析，得到连杆机构总变形云图、应力云图、接触分析云图和各阶振型图，并根据分析结果提出相应的改进措施，对生产实际有一定的指导意义。

1 接触压力理论分析

由于铜套与连杆之间的过盈量而产生装配接触面的接触压力P，两两配合的零部件之间处于二向应力状态。根据弹性力学平面问题的力学、几何、物理三大方程，导出如下公式［1］:

式中:P——接触压力;

δ——过盈量;

R1——轴的内径;

R2——轴与轴承接触面半径;

R3——轴承外径;

E1、E2——轴承与轴材料的弹性模量;

μ1、μ2——轴承与轴材料的泊松比。

2 有限元分析过程

2.1 建立三维模型

为了方便网格划分，节约计算资源，缩短计算时间，将对偏心轴-连杆机构三维模型进行简化［2］:

(1)忽略中心孔和工艺孔。因为中心孔不足以影响结构的模态，工艺孔是为了找到加工基准而设计的，对机构特性影响很小，同时也避免划分网格时出现畸形网格。

(2)忽略各结构的倒角与圆角。因为它们的缺失不足以影响结构的模态，但是它们的出现将使得划分单元时耗费大量的时间，甚至产生不能划分的错误。

(3)为缩短计算机分析时间，提高分析精度，去掉冲切刀座和动刀片上的螺孔，并去掉弹簧垫圈，因为它们对整体的分析结果影响很小。

在Solid Works中建立如图1所示的钢筋切断机偏心轴-连杆机构三维模型。

图1 三维模型Fig.1 3-D model

2.2 有限元分析

有限元分析包括导入几何体模型、创建分析项目、添加材料库、添加材料属性、创建接触、划分网格、施加载荷与约束、后处理等，同时应遵循以下原则［3］:

(1)选择的单元应该正常反映出机构的结构特点。对于三维模型来说，选择的单元为实体(Solid)。

(2)结构简化应保证有足够的计算精度。在进行有限元分析时，零部件的简化主要为对分析结果影响不大的部分，如孔、螺纹孔、圆角、倒角等。

(3)网格划分要适当。就三维模型而言，网格划分方法有自动法、四面体法、六面体主导法、扫掠法等，同时也要选择合适的网格尺寸及网格疏密程度。

(4)设置适当的载荷和约束。在进行动力学分析时，载荷应为惯性载荷;静力学分析时，应选择力载荷。根据需限制的自由度数来选择固定约束或位移约束。

(5)接触的定义包括确定接触类型、正确选择目标面等，目标面选择刚度较大、网格较粗的面，当凹凸面接触时应选择凹面为目标面。轴孔配合时，一般选择孔为目标面。间隙配合时接触类型选择Frictional，过渡配合时接触类型选择Rough.

偏心轴-连杆机构模型的材料属性如表1所示，接触定义如表2所示。

表1 偏心轴-连杆机构模型的材料属性Tab.1 Material properties of eccentric shaft-connecting rod mechanism

表2 偏心轴-连杆机构模型的目标面及接触定义Tab.2 Target surfaces and contact pairs of eccentric shaft-connecting rod mechanism

网格划分方法为自动网格划分法(Automatic)，单元数为5 689，节点数为14 939.

电动机额定功率为3 kW、额定转速为2 870 r/min，经过传动比分配及各级传动效率分配，GQ40F钢筋切断机各轴功率P、转速n、转矩T如表3所示。

转速n1=n0/i01(r/min)

功率P1=P0η01(kW)

转矩T1=9 550P1/n1(N·m)

进行有限元结构静力学分析和接触分析时，工况选为钢筋切断机切断钢筋最大冲切力瞬间。载荷A处为加载转矩，由表3可知偏心轴处转矩为4 139.741 N·m，用Moment(力矩载荷)表示;B处为冲切力，GQ40F型钢筋切断机的最大冲切力［4］为4.38×105N，用Force(集中力)表示;C处为冲切刀座滑动导轨约束，用Displacement(位移约束)表示; D、E两处为轴瓦支撑，该工况下为全约束，用Fixed Support(固定约束)近似处理。［5］加载和约束如图2所示。

表3 GQ40F各轴功率、转速、转矩表Tab.3 Technical parameters of every axle for GQ40F reinforcing steel cutting machine

图2 加载和约束图Fig.2 Figure Scheme of load and constraint

3 计算结果与分析

3.1 结构静力学分析

利用建立好的有限元模型对机构进行结构静力学分析，得到图3所示总变形云图、图4所示应力分析云图。

根据结构静力学分析，可得出以下结论:

(1)由图3可知，最大变形发生在动刀片处，最大变形量为0.442 88 mm.这是由于在钢筋切断机切断钢筋瞬间动刀片受较大冲击力的缘故。

(2)由图4可知，最大von-Mises应力发生在连杆小端圆弧处，而连杆材料ZG310-570的强度极限σb=570 MPa，故连杆静强度满足强度条件。

(3)偏心轴轴肩处也存在一定的应力集中。

图3 总变形云图Fig.3 The total deformation nephogram

图4 应力分析云图Fig.4 The stress nephogram

3.2 静态接触分析

利用建立好的有限元模型对机构进行静态接触分析，得到图5接触压力云图、图6渗透云图。

图5 接触压力云图Fig.5 The contact stress nephogram

根据静态接触分析，可得出以下结论:

(1)由图5可知，最大接触压力出现在铜套与连杆大端接触处，最大接触压力值为320.31 MPa.

(2)由图6可知，最大渗透发生在铜套与连杆大端接触处。这与铜套与连杆大端之间的过盈装配相符合。

图6 渗透云图Fig.6 The penetrate nephogram

根据接触应力理论分析，铜套与连杆大端装配时存在过盈量，根据式(1)，算得接触压力为该处的接触压力为308.27 MPa.有限元分析结果比理论分析结果大，从该结果可看出:一方面，在进行有限元分析建模时对一些结构进行简化，对分析结果有一定影响;另一方面，说明该结构存在需要优化改进的地方。

3.3 模态分析

对建立好的有限元模型进行模态分析，用Displacement(位移约束)表示冲切刀座滑动导轨约束，用Fixed Support(固定约束)近似处理偏心轴两端的轴瓦支撑，然后设置分析频率阶数为15阶，求解得到前15阶固有振动频率和振型模态图。前15阶固有振动频率和振型描述如表4所示［6］。

振型模态图仅列出第6阶、第11阶，分别如图7、图8所示。

图7 第6阶振型模态图Fig.7 The sixth modes mode of the model

4 改进措施与分析

根据结构静力学分析结果，针对连杆小端圆弧处应力集中的问题，在不影响机构总体尺寸和结构的前提下，可适当增大该圆弧半径(由R10增大至R20)，以缓解该处应力集中的问题，改进后应力分析云图如图9所示，由图9可知，此时连杆小端圆弧处应力集中问题可明显缓解，可提高其使用寿命。

表4 前15阶振动固有频率和振型表Tab.4 The first fifteen natural vibration frequency and modes of vibration

图8 第11阶振型模态图Fig.8 The eleventh mode of the model

针对偏心轴轴肩处出现一定应力集中的问题，可增大圆角半径或采用内凹圆角，用来缓解偏心轴轴肩处受力较大的问题。

图9 改进后应力分析云图Fig.9 The stress nephogram of an improved model

根据静态接触分析的结果，针对铜套处接触压力大的问题，可根据钢筋切断机运行时铜套工作环境为低速、重载及变载荷，换用铝锌合金(如ZZnAl10-5)制成的轴瓦［7］，改进后的接触压力云图如图10所示，连杆与轴套接触处接触压力减小，与理论值相近，此外，铝锌合金市场价格比目前使用的铜基合金材料便宜。

5 结语

根据接触应力理论分析，并通过在Solid Works中对某型钢筋切断机偏心轴-连杆机构进行精确建模，并进行结构静力学分析、静态接触分析和模态分析，得到偏心轴-连杆机构静力学与静态接触参数，通过分析可知，有限元分析云图中机构变形、应力等参数变化趋势与理论值逼近，说明了所建模型的正确性，并根据分析结果提出相应改进措施，为实际生产提供了参考依据。

图10 改进后接触应力云图Fig.10 The contact stress nephogram of an improved model

通过提取模型前15阶固有振动频率和振型，分析得知偏心轴-连杆机构频率在5 050.9Hz附近时，动态性能较差，在使用过程中应避免在该频率附近工作，以免发生共振，也可加装减振器或者隔振装置等来减振。

［1］郑元荣.过盈配合件装配力的估算［J］.机械工艺师，1992(7):27-28.

［2］许少云.钢筋切断机有限元分析与动力学研究［D］.太原:太原科技大学，2014.

［3］张福星.基于ANSYS Workbench的深沟球轴承接触应力有限元分析［J］.机械设计与制造，2012(10):222-224.

［4］高蕊.钢筋切断机切断过程分析及最大冲切力的计算［J］.建筑机械，1995(11):23-25.

［5］黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册［M］.北京:人民邮电出版社，2013.

［6］赵明安，孙大刚，张海龙，等.大型风力机叶片三维建模及模态分析［J］.太原科技大学学报，2012，33(3):190-193.

［7］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.第八版.北京:高等教育出版社，2006.

Study on Frictional Contact Problems of Eccentric Shaft-Connecting Rod Mechanism for Reinforcing Steel Cutting Machine

XIAO Qiang，LIU Zhong，WEI Qing-zhen
(Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

To solve the problem of crank-shaft mechanism for reinforcing steel cutting machine GQ40F，a 3-D model of crank-shaft mechanism was built by using Solid Works，then the model was imported to the finite element software ANSYS Workbench.Through static structure analysis，static contact analysis and modal analysis in ANSYS Workbench，the nephograms of deformation，stress，contact analysis and 15 modes of vibration of the mechanism were obtained，and two improvement structures of the block based on analysis results were proposed.

reinforcing steel cutting machine，eccentric shaft-connecting rod mechanism，frictional contact problems

TH113

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.02.010

1673-2057(2015)02-0132-05

2014-12-15

肖强(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助设计与制造。