油桶翻新整形機(jī)支撐輥輪有限元分析

郭文鑫，王仲民，鄧三鵬，祁宇明，李桂祥

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)器人及智能裝備研究所，天津 300222； 2.天津瑞馳船舶機(jī)械有限公司，天津 300480)

0 引 言

油桶翻新自動(dòng)化生產(chǎn)線是采用燃燒和噴砂相結(jié)合的清洗方法，并通過(guò)整形和拋光處理的新型工藝翻新廢舊油桶，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、可靠性好，便于維護(hù)和改良等優(yōu)點(diǎn)，解決了目前廢舊油桶翻新自動(dòng)化生產(chǎn)線領(lǐng)域存在的一些缺陷。油桶使用一段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生變形，所以廢舊油桶通過(guò)整形來(lái)矯正桶身的變形，整形機(jī)作為生產(chǎn)線中重要組成部分，其工作原理為：整形輥輪壓緊油桶外壁，支撐輥輪支撐油桶內(nèi)壁，同時(shí)繞自身旋轉(zhuǎn)，依靠摩擦力帶動(dòng)油桶轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩個(gè)輥輪的相互作用來(lái)達(dá)到整形的目的，使整個(gè)桶身達(dá)到規(guī)定要求的圓度，而支撐輥輪是油桶翻新整形機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度要求較高[1]。運(yùn)用ANSYS Workbench建立支撐輥輪有限元模型，通過(guò)靜力學(xué)和模態(tài)分析，指出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中薄弱部位。

1 有限元分析

1.1 建立有限元模型

按等效剛度原則，簡(jiǎn)化支撐輥輪結(jié)構(gòu)。將銷(xiāo)軸、螺栓連接簡(jiǎn)化為面接觸；忽略螺紋和無(wú)應(yīng)力集中的圓角、倒角；刪除次要的孔、臺(tái)，等效分配其質(zhì)量[2]；如圖1所示為支撐輥輪三維模型網(wǎng)格劃分。

圖1 網(wǎng)格劃分

1.2 有限元仿真

(1) 零部件材料

支撐輥輪是不銹鋼，其密度為7 750 kg·m3，泊松比為0.31，彈性模量為193 GPa。

(2) 定義接觸和網(wǎng)格劃分

無(wú)相對(duì)移動(dòng)的螺釘連接，用粘接接觸，如連接法蘭與輥輪、支架；設(shè)置邊界條件，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格[3]，共197277個(gè)節(jié)點(diǎn)，117633個(gè)單元，如圖1。

(3) 添加約束與施加載荷

支撐輥輪所受載荷復(fù)雜，包括自重、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩及與油桶之間的壓力。其中，支撐輥輪受力F如式(1)：

F=F1×Kd+F2+F3

(1)

式中：F1為支撐輥輪自重；Kd為自重系數(shù)，一般取Kd=1.2；F2為整形輥輪壓力;F3為轉(zhuǎn)矩力。

1.3 仿真結(jié)果分析

(1) 靜力學(xué)分析

支撐輥輪在整形輥輪壓力和自身重力影響下，應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D2所示，輥輪中間部分有最大應(yīng)力1.1973 MPa，輥輪材料為45鋼，屈服極限為205 MPa，一般材料最大許用應(yīng)力是其屈服極限的0.5～0.8，由于輥輪中間處的應(yīng)力為1.973 MPa小于屈服許用應(yīng)力，故此計(jì)算符合要求。由應(yīng)力和應(yīng)變圖可知，輥?zhàn)釉诠ぷ鬟^(guò)程中受力和變形較大的地方是工作過(guò)程中輥面上與油桶接觸處，這些分析結(jié)果和實(shí)際情況是一致的，可借助于這些數(shù)據(jù)對(duì)輥輪進(jìn)行改進(jìn)，在變形較大處選用高強(qiáng)度的材料，提高其穩(wěn)定性；同時(shí)也可以采用在輥面上堆焊耐磨材料的方法來(lái)提高輥?zhàn)拥氖褂脡勖?，以降低整體的經(jīng)濟(jì)成本。

(2) 模態(tài)分析

根據(jù)有限元模型及邊界條件，求得支撐輥輪前10階固有頻率，其中1～6階為軋輥的剛體模態(tài)，固有頻率為零[4]，故文中著重分析支撐輥輪前7～10階模態(tài)，如表1所示，7～10階振型云圖如圖3所示。

圖2 應(yīng)力、形變?cè)茍D

表1 7～10階固有頻率

分析可知：7階振型圖中，支撐輥輪彎曲變形，繞X軸正向彎曲，最大位移5.033 6 mm，在支撐輥輪兩端；8階振型圖中，支撐輥輪彎曲變形，繞X軸正向彎曲，最大位移5.033 5 mm，在支撐輥輪兩端；9階振型圖中，支撐輥輪拉伸變形，最大位移6.046 9 mm，在支撐輥輪兩端；10階振型圖中，支撐輥輪彎曲變形，結(jié)構(gòu)繞支撐輥輪X軸正負(fù)方向彎曲，在支撐輥輪兩端有最大位移5.201 5 mm。

圖3 前7～10階振型圖

支撐輥輪的振動(dòng)主要發(fā)生在支撐輥輪的兩端附近，中間部分振動(dòng)不明顯，整形工作時(shí)，動(dòng)力通過(guò)中間部分傳向邊緣部分，振動(dòng)隨著支撐輥輪外部方向逐漸增強(qiáng)，使支撐輥輪邊緣容易發(fā)生彎曲破壞。

2 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)建立的支撐輥輪有限元模型進(jìn)行仿真分析，可以求得其受力和變形最大的地方，并通過(guò)實(shí)際情況分析驗(yàn)證了這些數(shù)據(jù)的可靠性，指出支撐輥輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱部位，為支撐輥輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及材料的選擇提供了重要的依據(jù)。