韓立光，秦寶榮，趙海寶，王淑花

(特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江杭州 310014)

基于AWE的陶粒混凝土砌塊切割機主軸的分析與優(yōu)化

韓立光，秦寶榮，趙海寶，王淑花

(特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江杭州 310014)

建立了陶?；炷疗鰤K切割機主軸的三維模型，通過AWE軟件對其進行了有限元分析，得到鋸片軸最大應(yīng)力、變形及其分布情況，并對其進行模態(tài)分析，提取其前幾階自然頻率及振型，然后根據(jù)分析結(jié)果對鋸片軸進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為鋸片軸的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

陶?；炷疗鰤K;切割機主軸;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計

陶?；炷疗鰤K是一種符合國家建筑節(jié)能要求的新型自保溫墻體材料。砌塊采用模具成型，金剛石圓鋸切割的成型方法［1］。由于砌塊成分復(fù)雜，切割過程中鋸切力復(fù)雜多變。切割機主軸作為金剛石圓盤鋸的關(guān)鍵部件，直接承受切割弧區(qū)傳來的鋸切交變載荷和驅(qū)動扭矩，其應(yīng)力分布、變形程度以及振動特性直接決定著整機運行的平穩(wěn)性，砌塊的表面加工質(zhì)量及鋸片的使用壽命等［2］。因此，確定切割機主軸在鋸切過程中的最大應(yīng)力、最大變形及其分布位置、固有頻率和振型，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，對降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益有一定意義。

本文借助 ANSYS Workbench 軟件［3］，通過模擬切割過程的實際工況，對砌塊切割機主軸進行有限元分析，得到主軸最大應(yīng)力值和變形量及其分布云圖。通過模態(tài)分析確定了其前幾階固有頻率和振型，并在此基礎(chǔ)上以主軸質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大變形為目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)了對主軸的優(yōu)化［4］。

1 切割機主軸模型的建立

1.1 鋸片驅(qū)動、安裝方法

本文設(shè)計的砌塊切割機鋸片驅(qū)動、安裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中鋸片6、間隔部件7通過銷軸5與驅(qū)動部件4連接，驅(qū)動部件4通過平鍵與鋸片軸連接，鋸片軸通過支承2固定于支承座1內(nèi)，減速電機帶動鋸片軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)鋸片切割扭矩的傳遞。

鋸切過程中，鋸片軸在鋸片安裝部位承受切割弧區(qū)坯料對鋸片的進給壓力;驅(qū)動部件安裝部位承受鋸切阻力產(chǎn)生的阻力矩，鋸片勻速轉(zhuǎn)動，阻力矩與減速電機的輸入扭矩平衡。

圖1 鋸片安裝結(jié)構(gòu)圖

1.2 切割機主軸受力分析

鋸切過程中，鋸片軸直接承受鋸片切割砌塊坯料產(chǎn)生的鋸切反力和減速電機輸入的扭轉(zhuǎn)力矩?；炷龄徢信c磨削尤其是蠕動磨削類似，鋸切力可以分解為法向力Fni和切向力Fti。根據(jù)磨削力的經(jīng)驗公式［5］:

式中:切削深度 ap=600mm，鋸片直徑 ds=1 600mm。據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗知:進給速度 vw=325mm/min，鋸片轉(zhuǎn)速 n=479r/min，電機功率P=45kW，切割速度 vs=2πnds/2=40m/s。根據(jù) Mamalis［6］提供的數(shù)據(jù): ε =0.6，k［C1］γ=61N/mm2，代入式(1)、(2)中可得:Fni=1 268.8N，F(xiàn)ti=159.8N。

將鋸片所受鋸切反力等效轉(zhuǎn)換為軸心處的一對力(Fni和Fti)和附加力矩，將附加力矩進行疊加，即鋸片軸在驅(qū)動部件安裝部位受到的阻力矩T2，其與減速電機的輸入扭矩中T1互為一對平衡力矩，故有T2=T1=9 550P/n=897.2N·m，轉(zhuǎn)換為對鍵槽側(cè)面的壓力為17.48MPa。鋸片軸受力示意圖如圖2所示。

圖2 切割機主軸受力示意圖

1.3 主軸有限元模型的建立

分析過程中，忽略對分析結(jié)果沒有實質(zhì)性影響的幾何特征，保留驅(qū)動部件處的鍵槽。在CAD軟件中建模并導(dǎo)入DM平臺，在鋸片安裝部位、支承位置處軸表面進行Imprint face分割。

主軸的材料選用45#鋼，其密度 ρ為7 800 kg/m3，彈性模量為 210GPa，泊松比為 0.3。整體采用Hex Dominant Method來劃分六面體網(wǎng)格，單元大小設(shè)置為12mm，共生成147 562個節(jié)點和41 593個單元。

首先施加自重，在鋸片安裝表面施加Remote force(分量為Fni和Fti)，在鋸片軸驅(qū)動部件安裝部位鍵槽受力側(cè)表面施加壓力17.48MPa，支承部件施加圓柱約束，在扭矩輸入表面施加全約束(如圖3所示)。

2 分析結(jié)果及討論

2.1 應(yīng)力分析

在靜力載荷作用下，主軸的最大應(yīng)力發(fā)生在主軸與驅(qū)動部件連接鍵槽的受力面以及軸階區(qū)域(如圖4 所示)，最大值為32.942MPa，45#鋼最小抗壓強度 σb=375MPa，許用應(yīng)力［σ］ = σb/1.5=250MPa。顯然滿足結(jié)構(gòu)的強度要求，并且主軸有很大的質(zhì)量冗余。

圖3 主軸載荷及邊界約束

圖4 主軸應(yīng)力分布

2.2 變形分析

最大變形量出現(xiàn)在切割機主軸與鋸片切割弧區(qū)對應(yīng)側(cè)的中間部位(如圖5所示)，變形最大值為0.067 2mm，屬于小變形，滿足主軸的剛度要求。

圖5 主軸變形分布

2.3 主軸模態(tài)分析

不考慮主軸的受載情況，只保留其位移約束條件。由于倒角、螺紋、鍵槽等特征對主軸的質(zhì)量影響甚微，因此忽略其對模態(tài)的影響。主軸的低階模態(tài)對其性能影響較大［7］，故只對其前6階模態(tài)進行擴展，其自然頻率和振型如圖6所示。

圖6 鋸片軸各階振型

由圖6可以看出，第一、二階振型分別表現(xiàn)為鋸片軸中間區(qū)域在XZ平面和XY平面內(nèi)的彎曲變形;第三階振型在非扭矩傳入端主軸徑向變形;第四、五階振型分別表現(xiàn)為鋸片安裝區(qū)域在XZ平面和XY平面內(nèi)的“S”形彎曲變形;第六階振型表現(xiàn)為鋸片軸在非動力輸入端和驅(qū)動部件安裝部位的徑向變形。由上述分析發(fā)現(xiàn):振動變形量較大的部位集中在鋸片軸中間部位，在滿足加工需求的情況下，減小主軸支承跨距是提高切割機床剛度和強度有效途徑。本文中設(shè)計的切割機主軸轉(zhuǎn)速為479r/min，減速電機工作頻率在9Hz左右，距離主軸各低階自然頻率較遠，故不會產(chǎn)生共振。

3 切割機主軸的優(yōu)化設(shè)計

本設(shè)計的目的是在滿足安裝鋸片部位撓度要求的條件下，使主軸質(zhì)量最?。?－9］。選擇對整體性能影響最大的主軸直徑D、支承跨距L為設(shè)計變量，即設(shè)計變量為:

以鋸片軸的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù):

約束條件如下:

a.強度約束，切割機主軸在工作時應(yīng)力不超過許用切應(yīng)力［τ］。

b.邊界約束。

根據(jù)安裝鋸片以及支承處直徑，選擇主軸直徑范圍為90≤D≤150，也即90≤X1≤150。

根據(jù)主軸上所安裝的鋸片、驅(qū)動部件、間隔部件、鎖緊螺母的結(jié)構(gòu)尺寸，再考慮實際情況，最終選取跨距范圍為2 240≤L≤2 600，也即2 240≤X2≤2 600。

優(yōu)化結(jié)果為:鋸片軸總變形量隨軸徑D和支承跨距L變化的響應(yīng)曲面如圖7所示，等效應(yīng)力隨軸徑D和支承跨距L變化的響應(yīng)曲面如圖8所示，質(zhì)量隨軸徑D和支承跨距L變化的響應(yīng)曲面如圖9所示。

圖7 總變形量隨軸徑D和支承跨距L的變化

由圖7～圖9可以看出，每個點對應(yīng)一個直徑D、支承跨距L和一個響應(yīng)參數(shù)的值。從敏感度的角度可以看出，支承跨距L對變形的影響大于直徑D的影響。

圖8 等效應(yīng)力隨軸徑D和支承跨距L的變化

圖9 質(zhì)量隨軸徑D和支承跨距L的變化

通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)計算得到一組最優(yōu)解。對最優(yōu)解的參數(shù)進行修正并運行新的“Simulation”，優(yōu)化前后參數(shù)及分析結(jié)果對比見表1。

由表1可知，優(yōu)化后主軸的等效應(yīng)力有所減小，其值為32.327MPa，總變形稍微有所增加，其值為0.067 9mm，主軸總質(zhì)量減少近33kg。由此可見，基于AWE切割機主軸的優(yōu)化設(shè)計，對切割機主軸的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

表1 優(yōu)化前后結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文在理論鋸切力的基礎(chǔ)上，通過AWE軟件對陶?；炷疗鰤K切割機主軸進行了靜力分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果對鋸片軸進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到較為合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為鋸片軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。鋸片軸在實際工況載荷作用下的強度和剛度有待進一步的實驗驗證。

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Analysis and Optimization of the Spindle of Ceramisite-reinforced Concrete Block Cutting Machine Based on AWE

HAN Liguang，QIN Baorong，ZHAO Haibao，WANG Shuhua
(Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)

It establishes 3D model of the spindle of the concrete block special cutting machine.Based on software of AWE，it realizes the finite element analysis and obtaines the maximum stress，strain and the distribution.In view of the shaft modal analysis，it desceibes the low order inherent vibration frequencies and modes，applies the goal-driven optimization method in the optimal design of the spindle，it shows the optimal structure parameters.This provides the reliable theory reference for the spindle＇s design.

Ceramisite-reinforced Concrete Block;Spindle;Finite Element Analysis;Optimization

TH122

A

2095－509X(2013)02－0006－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.02.002

2012－09－03

韓立光(1986—)，男，河南周口人，浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為機械設(shè)計。