邢預(yù)恩,張根保
(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,包頭 014010;2. 重慶大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,重慶 400030)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鋼管行業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)全球化和社會(huì)信息化的挑戰(zhàn),為了適應(yīng)迅速變化的市場需求,提高產(chǎn)品的競爭力,必須快速調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),縮短開發(fā)周期,從而有效地降低生產(chǎn)成本,以最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最低的成本來滿足市場的需求。
Pro/Engineer 作為一個(gè)集CAD/CAM/CAE 于一體的優(yōu)秀軟件,其強(qiáng)大的實(shí)體和智能特征造型功能使得機(jī)械設(shè)計(jì)正向著高效率、低成本、優(yōu)良可靠和一次成型的目標(biāo)發(fā)展。Pro/Engineer具有基于特征的實(shí)體建模特點(diǎn),是基于特征的實(shí)體造型軟件。三輥導(dǎo)向裝置是無縫鋼管穿孔及后臺(tái)I段的一個(gè)設(shè)備,本文將Pro/Engi-neer軟件的建模和仿真分析等模塊應(yīng)用于該裝置設(shè)計(jì)階段,可使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。
在無縫鋼管的穿軋生產(chǎn)中,頂桿的定心具有重要的意義。頂桿定心不準(zhǔn),頂頭會(huì)偏離穿軋中心線,造成毛管壁厚不均。此外,頂頭偏離軋制中心,會(huì)加劇穿軋過程的振動(dòng),增加毛管在穿軋過程中的金屬滑移,使穿軋速度降低,影響產(chǎn)量,甚至造成生產(chǎn)事故。
三輥導(dǎo)向裝置在無縫鋼管穿軋生產(chǎn)過程中的主要作用是:1)保證頂桿在穿軋過程其中心和軋制中心保持一致;2)支持頂桿,使頂桿形成一個(gè)連續(xù)梁,保證頂桿在穿軋過程中有足夠的剛度,使毛管穿軋順利進(jìn)行;3)在穿軋過程中保證頂桿繞軋制中心旋轉(zhuǎn);4)當(dāng)毛管穿軋至該組定心輥時(shí),及時(shí)張開,并抱緊毛管,使毛管中心與軋制中心保持一致,減小頂桿的振動(dòng);5)當(dāng)管坯穿軋完畢時(shí),及時(shí)打開定心輥,保證毛管能被夾送輥及時(shí)夾住,送出穿孔機(jī)。
1.2.1 結(jié)構(gòu)組成
三輥導(dǎo)向裝置主要由二部分組成。一部分是機(jī)械部分,另一部分是液壓系統(tǒng),液壓系統(tǒng)有二個(gè)液壓缸,液壓缸2與聯(lián)動(dòng)板相連,控制聯(lián)動(dòng)板的轉(zhuǎn)動(dòng),使三個(gè)輥同時(shí)夾緊,并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用。液壓缸1是與杠桿2直接相連,并固定在與聯(lián)動(dòng)板同心的軸上,它是在拔出荒管時(shí),保證輥2打開,使荒管順利取出。
1.2.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析,如圖1所示,液壓缸2推動(dòng)聯(lián)動(dòng)板運(yùn)動(dòng),聯(lián)動(dòng)板上有拉板1和拉板3,它們分別接杠桿1和杠桿3,杠桿1帶動(dòng)輥?zhàn)?,杠桿3帶動(dòng)輥?zhàn)?一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液壓缸2伸出時(shí),聯(lián)動(dòng)板順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),控制輥?zhàn)?的拉板1處于拉狀態(tài),控制輥?zhàn)?的拉板3處于推狀態(tài)。此時(shí),輥?zhàn)?、3同時(shí)處于夾緊狀態(tài)。杠桿2與液壓缸1連接,液壓缸2推動(dòng)聯(lián)動(dòng)板夾緊時(shí)液壓缸1不工作,液壓缸與聯(lián)動(dòng)板固定在同一根軸上并成一定角度,液壓缸1控制拉板2來推動(dòng)杠桿2使輥?zhàn)?也同時(shí)夾緊,以實(shí)現(xiàn)三個(gè)輥?zhàn)拥耐瑫r(shí)夾緊的運(yùn)動(dòng)過程。
圖1 三輥導(dǎo)向裝置運(yùn)動(dòng)簡圖
機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法很多,主要有圖解法和解析法。圖解法可以直觀地了解機(jī)構(gòu)的某個(gè)或某幾個(gè)位置運(yùn)動(dòng)特性,但精度較低;解析法可以獲得很高的計(jì)算精度及一系列位置,但分析計(jì)算很復(fù)雜。為了獲得較高計(jì)算精度,同時(shí)也能直觀地了解機(jī)構(gòu)的某個(gè)或某幾個(gè)位置運(yùn)動(dòng)特性,運(yùn)用Pro/Engineer動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)動(dòng)分析模塊來對(duì)拉板進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析,在這里我們沒有必要畫出真實(shí)的物理模型,采用簡化的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模就可以滿足需求,而且實(shí)現(xiàn)起來較容易。
拉板1比較特殊,它所鉸接的杠桿1,與液壓缸1連接的杠桿2是同軸的,這就容易造成拉板1與液壓缸的柱塞桿出現(xiàn)碰撞,特別是在液壓缸1運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定的情況。拉板1處在四桿機(jī)構(gòu)中,需要分析在運(yùn)動(dòng)過程中是否會(huì)存在死點(diǎn),是否會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)之初我們應(yīng)該預(yù)測到拉板1是否會(huì)出現(xiàn)上述的情況,因?yàn)樗鼘⒂绊懙綗o縫鋼管的軋制質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及設(shè)備的使用壽命。下面運(yùn)用Pro/Engineer軟件對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,判斷拉板1在運(yùn)動(dòng)中是否存在死點(diǎn)及傳動(dòng)角的大小的變化。
我們將拉板1及其周圍的相關(guān)部件簡化成簡單的四桿機(jī)構(gòu),當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其傳動(dòng)角的大小是變化的,為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能良好,設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使最小傳動(dòng)角γmin≥40°;對(duì)于高速和大功率的傳動(dòng)機(jī)械,應(yīng)使γmin≥50°。已知:各桿長L1=320mm,L2=882mm,L3=520mm,L4=894.48mm,L5=743mm。
壓力角α在20°~-13°角之間變化,應(yīng)用Pro/Engineer軟件按實(shí)際尺寸建立簡單仿真模型如圖2。機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)位置簡圖如圖3~圖5所示。
用Pro/Engineer仿真求γmin,以判斷機(jī)構(gòu)傳力性能是否良好,共分析3個(gè)位置,α的兩個(gè)極限位置和一個(gè)α=0°的位置,如圖6所示。
圖2 四桿機(jī)構(gòu)仿真模型
圖3 位置一 α=20°
圖4 位置二 α=0°
圖5 位置三 α=-13°
可見在位置1到位置3 兩個(gè)極限位置,γ的范圍是 70°~ 86°,符合γ>40°~ 50°的要求,由開始所論述的死點(diǎn)位置得出拉板1不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn),即不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象,可以完成正常的運(yùn)動(dòng)周期。
首先對(duì)該機(jī)構(gòu)定義驅(qū)動(dòng)裝置,在Pro/ Engineer軟件中使用伺服電機(jī)來代替該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置,為了更好得檢測其運(yùn)動(dòng)性能良好及是否存在死點(diǎn)等問題,我們加大了壓力角α的范圍,即-20°<α<20°,而該裝置的實(shí)際壓力角范圍是在-13°與20°之間。同時(shí)為了模擬真實(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),我們定義的電機(jī)位置圖如圖7所示。
圖6 在運(yùn)動(dòng)中測量γ的值
圖7 電機(jī)位置
通過進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得出壓力角與傳動(dòng)角隨時(shí)間變化關(guān)系,如圖8所示。
從圖上我們可以看出該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角γmin遠(yuǎn)大于40°~50°,很顯然機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能良好,也可以很清晰看到機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)位置。當(dāng)然為了降低該裝置的成本并同時(shí)滿足傳動(dòng)性能,可以調(diào)整拉板1的尺寸,對(duì)該裝置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),直到達(dá)到最優(yōu)化為目標(biāo)。
從以上的分析過程可知, 運(yùn)用Pro/ Engineer的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真,具有很大的優(yōu)越性,它使機(jī)構(gòu)造型形象化、可視化,大大提高機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)效率,并能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷, 提前進(jìn)行改善和修正,減少試制樣機(jī)的費(fèi)用,大大縮短機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期, 進(jìn)而提升整體的設(shè)計(jì)水平。
本文應(yīng)用Pro/ Engineer軟件的建模和仿真分析模塊, 成功地進(jìn)行了三輥導(dǎo)向裝置的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì),獲得了三輥導(dǎo)向裝置工作過程的動(dòng)畫圖形, 進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),進(jìn)一步提高了裝置的工作性能。綜上所述,Pro/Engineer仿真分析在鋼管的生產(chǎn)中有著巨大的應(yīng)用潛力, 它不消耗現(xiàn)實(shí)的資源和能量,卻能反映實(shí)際產(chǎn)品的有關(guān)情況。將Pro/Engineer仿真技術(shù)應(yīng)用于三輥導(dǎo)向裝置中,可提高無縫鋼管的生產(chǎn)質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。將本方案應(yīng)用到內(nèi)蒙古包鋼無縫鋼管的生產(chǎn)中,收到很好的效果,降低了鋼管的成本,提高了鋼管的質(zhì)量,更好滿足了鋼管行業(yè)不同客戶的需求。
圖8 壓力角與傳動(dòng)角隨時(shí)間變化關(guān)系
[1] 邢預(yù)恩, 要二倉. 基于AMESim的三輥導(dǎo)向裝置液壓系統(tǒng)仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2011, 03.
[2] 張良夫, 王愛國, 徐迎春. 國產(chǎn)三輥軋管機(jī)生產(chǎn)線的工藝設(shè)備特點(diǎn)[J]. 軋鋼, 2007, 2.
[3] 王曉英, 羅紅波. 基于Pro/PENGINEER Wildfire的三維實(shí)體特征建模方法[J]. 工具技術(shù), 2005, 2.
[4] 張智明, 李預(yù)斌. 精通Pro/PENGIEER 中文野火版(零件設(shè)計(jì)篇)[M]. 北京: 中國青年出版社, 2004.
[5] 林清安. PRO /ENGINNEER 零件設(shè)計(jì)高級(jí)篇[M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2000.
[6] LA I Chao-an, L IZhen-nan. The Key Technology about Application Development of P/E[J]. Computer applications 2001, 9.