摆架滑道间隙对摆剪强度影响的瞬态动力学分析

郭志强，赵 霞

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

摆架滑道间隙对摆剪强度影响的瞬态动力学分析

郭志强，赵 霞

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

通过瞬态动力学分析上刀架在摆架滑道中的不同间隙对摆剪强度和摆架滑道变形的影响，得出在许可范围内间隙为0.3 mm的时候对摆剪强度以及对摆架滑道变形量影响最小。并且分析间隙在0.3 mm时摆架滑道的应力变化情况，其应力最大值不会造成摆架滑道的损坏。最后通过在企业的实际测量验证了分析的合理性，为企业生产提供理论依据。

瞬态动力学；应力；间隙；摆架；变形

0 前言

本文研究的摆式剪切机是引进德国西马克公司制造的剪切机，上刀架在摆架滑道中滑动，为了避免接触性损伤在摆架滑道与上刀架之间留有0.3～0.5 mm的间隙。由于长时间的使用摆架滑道与上刀架接触部位出现变形甚至磨损，因为剪切力的作用会对摆架的冲击振动而造成摆剪的损坏，本文主要研究在不同间隙下对摆剪强度以及摆架滑道变形影响的瞬态动力学分析。

1 瞬态动力学分析的理论基础

瞬态动力学分析( 亦称时间历程分析) 是一种用于确定结构在任意随时间变化载荷作用下的响应技术。可以用瞬态动力学分析、确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、 应变、应力等。

Ansys中瞬态动力学求解的是一般意义的运动方程，其形式可以总结为

[M]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F(t)}

(1)

式中，[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；{u}为节点加速度向量；{u}为节点速度向量；{u}为节点位移向量；{F(t)}载荷向量。

利用 Ansys 对摆架以及上刀架进行瞬态动力学分析，采用模态叠加法得到结构的瞬态响应，并计算在变化载荷作用下的结构随时间变化的应力。

1 有限元模型的建立

1.1 网格的划分

由于摆式剪切机模型完全对称，为了减小运算，方便网格的划分，减少计算时间，采取模型的一半作为研究的分析对象，模型的网格划分采用自由网格划分，划分网格节点数为177 054，划分单元数量为111 896。

1.2 载荷的施加和边界条件的选取

摆剪按照实际运动状态施加载荷，摆剪在剪切瞬间受到最大剪切力4 250 kN，摆臂摆动速度6.5 m/min，曲轴转矩1 430 N·m，分别在上刀架与剪刃接触部位施加4 250 kN，在摆架上施加6.5 m/min的摆动速度使其与钢材同步，在曲轴上施加1 430 N.m的转矩。

在曲轴的一端限制x、y、z的位移使其不能有x、y、z方向的窜动，对摆架施加z方向上的位移约束使摆架不能在z方向上摆动，连杆与上刀架连接点施加固定约束，上刀架与摆架滑道接触位置施加无摩擦滑动约束，如图1所示。

图1 摆臂以及上刀架的受载图以及间隙示意图Fig.1 Diagram of gap between swing arm and upper tool carrier and its loading

2 瞬态分析结果

2.1 间隙对摆剪整体强度影响的分析

为了减少摆架滑道与上刀架接触部位的磨损，摆剪滑道与上刀架必须存在一定间隙但是不能过大，摆剪上刀架在摆架滑道中存在不合理间隙，在剪切力的作用下会产生强烈冲击碰撞，加快了摆剪部件的损坏，影响摆剪的寿命，根据摆剪设计要求间隙允许范围0.3～0.5 mm之间分析摆剪整体的最大应力，下面就对不同间隙对摆剪强度的影响作出分析。如图2-4所示。

图2 间隙为0.3 mm整体等效应力图Fig.2 Integral equivalent stress as gap is 0.3 mm

图3 间隙为0.4 mm整体等效应力图Fig.3 Integral equivalent stress as gap is 0.4 mm

图4 间隙为0.5 mm整体等效应力图Fig.4 Integral equivalent stress as gap is 0.5 mm

由分析看出上刀架与摆架之间的间隙为0.3 mm的时候，最大等效应力为401.98 MPa当间隙为0.4 mm时，最大等效应力410.98 MPa，而间隙为0.5 mm的时候，整体最大等效应力为419.97 MPa。由于主驱动都是从曲轴端部传入，从图中看出曲轴端部的应力最大，在间隙为0.3 mm的时候应力有所缓解只有401.98 MPa。

从结果可以得出随着间隙的增大，摆剪最大应力值也随之增大。所以合理的控制上刀架与摆架的间隙，使之保持为0.3 mm时摆剪的应力最小，摆剪承受强度也最小。

2.2 间隙对于摆架滑道变形的影响分析

在摆剪实际使用过程中，由于不合理间隙的存在使摆架在剪切过程中受到不均匀的侧压力而导致摆架滑道与上刀架接触部位受力不均匀而发生变形。下面分析不同间隙对于摆架滑道变形的影响。

由图5-7可看出，间隙为0.3 mm时，摆架滑道变形量1.4428 mm；间隙为0.4 mm时，变形量3.7055 mm；间隙为0.5 mm时，变形量4.5527 mm。随着上刀架在摆架滑道中的间隙增大，变形越大，在间隙允许的范围0.3～0.5 mm内尽量减小间隙使滑道变形越小。

图5 间隙0.3 mm摆架滑道的变形图Fig. 5 Deformation of swing frame chute as gap is 0.3 mm

图6 间隙0.4 mm摆架滑道的变形图Fig.6 Deformation of swing frame chute as gap is 0.4 mm

图7 间隙0.5 mm摆架滑道的变形图Fig.7 Deformation of swing frame chute as gap is 0.5 mm

从图5看出：摆架滑道最上部位变形较大，变形从滑道上部分最大依次往下看变形逐渐减小到达中间部位变形为零，再向下变形转而为负达到最低端变形再次达到最大，此结果表明摆架滑道上下两端变形较大而且变形方向相反，这样在长期使用的过程中滑道与上刀架存在接触不均匀现象而使摆架滑道部位受损。

2.3 间隙为0.3 mm时摆架滑道部位的应力分析

因为间隙在0.3 mm时，摆剪整体应力最小，摆架滑道变形量最小，下面重点分析间隙在0.3 mm的时候摆架滑道的应力分布。

图8-9是摆架滑道的应力分布图和对应的应力变化图，两图相结合从摆架滑道最上端往下，到125 mm处应力最大0.4438 MPa随后逐渐减小，到达滑道中部的时候应力值最小0.39 MPa，再向滑道下部看去应力又逐渐增大并且到1 400 mm的时候应力值又一次达到最大0.42 MPa，随后又逐渐减小。两处应力最大的部位都是在摆剪剪切过程中上刀架与滑道接触紧密挤压而产生的，最大的等效应力0.4438 MPa远远小于摆架滑道的强度极限值，摆架滑道安全。

图8 间隙为0.3 mm的摆架滑道应力分布图Fig.8 Stress distribution of swing frame chute as gap is 0.3 mm

图9 间隙为0.3 mm时摆架滑道应力变化图Fig.9 Stress curve of swing frame chute as gap is 0.3 mm

目前，摆剪上刀架与滑道之间的间隙为0.46 mm，通过在装配过程中精准安装；在不影响摆臂强度的情况下改变摆臂滑道的宽度或者增加上刀架在摆臂滑道中的厚度；或者在摆臂与滑道之间安装一层0.16 mm铜片材料，使摆剪上刀架与摆臂之间的间隙保持在0.3 mm。在曲轴端部，通过在企业实际测量，摆架滑道距滑道顶部125 mm的位置布置测点，得出曲轴端部应力450 MPa与分析计算在间隙为0.4 mm时的最大应力410.98 MPa相比，误差10%，摆架滑道部位测得0.35 MPa与计算分析值0.4438 MPa相比误差为19.98%小于20%，验证了载荷施加和模型的合理性。

3 结论

(1)分析不同间隙对摆剪上刀架摆架部位的应力影响和对摆架滑道的变形影响，得出间隙在0.3 mm的时候整体最大应力最小，摆架滑道最大变形量最小。

(2)在间隙为0.3 mm的时候摆架滑道上下部位有少许的应力集中但是应力相对很小在强度允许范围内，说明间隙在0.3 mm时能够保证摆架滑道部位不受损坏。

(3)通过实际测量验证了理论的合理性，为企业维护摆剪提供理论依据。

[1] 高得平. 机械工程中的有限元法基础[M]. 西安:西北工业大学出版社, 2011.

[2] 周桓,陈伶，胡建民. 摆式剪板机刀架设计[J]. 锻压装备与制造技术,2011，39:20-21.

[3] 邹家祥. 轧钢机械(第三版)[M].冶金工业出版社, 2007.

[4] 丁皓江编. 弹性和塑性力学中的有限单元法[M].北京:机械工业出版社,2012:155-165.

[5] 尚晓江，邱峰，赵海峰，等. ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

Transient dynamic analysis on effect of swing frame chutegap on pendulum shear strength

GUO Zhi-qiang, ZHAO Xia

(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In this paper, effect of gap between upper tool carrier and swing frame chute on pendulum shear strength and the chute deformation are analyzed, by means of transient dynamics analysis. Some conclusion are obtained from the analysis, in the allowed range, when gap is 0.3 mm, pendulum shear strength and swing frame chute deformation are the smallest, Stress variations distribution of swing frame chute is analyzed, and it′s maximum stress not damages the chute. The conclusion is reasonably with actual measurements, and it also provides theoretical basic fou some enterprise production.

transient dynamics; stress; clearance；rack；deformation

2015-09-05；

2015-11-15

郭志强(1963-)，男，内蒙古科技大学机械工程学院教授，研究方向：冶金机械强度分析。

TH132.4

A

1001-196X(2016)02-0079-04