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      摘要：利用NXNastran 建立夾持機(jī)構(gòu)有限元模型，綜合考慮鍛件下傾角和零件強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，分析了多種不同夾持力夾持最重負(fù)載的工況，得出最優(yōu)夾持力。研究對(duì)于優(yōu)化夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

 
      鍛造操作機(jī)是一種夾持鍛坯配合壓機(jī)完成送進(jìn)、轉(zhuǎn)動(dòng)、精整等動(dòng)作的輔助鍛壓機(jī)械，是重型鍛造壓機(jī)的重要配套設(shè)備 。其夾持作業(yè)過程中頻繁地提升、旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)以及鍛壓等非連續(xù)動(dòng)作，致使夾持機(jī)構(gòu)傳遞的作用力非常大。若夾持機(jī)構(gòu)能夠提供的夾持力小于作業(yè)所需的夾持力，就會(huì)導(dǎo)致夾持操作失敗，這在生產(chǎn)作業(yè)中是絕不允許的，所以通常情況下夾持力為偏大的保守設(shè)計(jì)，但夾持力過大又會(huì)引起夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)笨重不夠靈巧，操作動(dòng)作反應(yīng)遲鈍，甚至導(dǎo)致鉗臂、連桿等關(guān)鍵零部件強(qiáng)度降低而疲勞斷裂 。所以，研究鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的夾持力對(duì)于優(yōu)化夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

    1 、鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

     圖1 某鍛造操作機(jī)
   

     圖2 夾鉗機(jī)構(gòu)模型圖

 
     某鍛造操作機(jī)如圖1 所示。本文主要研究其夾持機(jī)構(gòu)，如圖2 所示，包括推桿、連桿、鉗臂、鉗殼、鉗口以及連接銷軸等組成。夾緊缸活塞桿與推桿連接，各零部件通過銷軸銷孔連接方式實(shí)現(xiàn)力的傳遞。當(dāng)夾持力向右時(shí)，夾鉗進(jìn)行夾持動(dòng)作，反之，夾鉗進(jìn)行松夾動(dòng)作。

      2 、基于摩擦的夾持力理論

     計(jì)算鍛造操作機(jī)在鍛造過程中夾鉗會(huì)經(jīng)常旋轉(zhuǎn)，鉗口的位置也會(huì)隨之變化，當(dāng)鉗口處于不同位置時(shí)，整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)也處于不同的的受力情況，即處于不同的力與力矩平衡關(guān)系中。大量的分析研究表明，當(dāng)鉗口處于上下垂直狀態(tài)時(shí)，下鉗口所受的載荷是各種狀態(tài)下的最大載荷，夾持機(jī)構(gòu)夾緊鍛件所需的工作夾持力最大 。

     圖3 在垂直位置時(shí)工件基于摩擦的受力簡(jiǎn)圖
 
 
     圖3 為鉗口在工件上下位置垂直狀態(tài)時(shí)，工件基于摩擦的受力分析簡(jiǎn)圖。在圖中可以看到N1′、N2′為鉗口對(duì)工件的支撐反作用力，在夾持狀態(tài)下工件有向下掉落的靜態(tài)趨勢(shì)，但是工件被卡在上下V 型鉗口作用力之中，這種作用力抵消了向下滑落的趨勢(shì)，所以在鉗口和工件之間并沒有產(chǎn)生靜摩擦力。N1′、N2′就是鉗口對(duì)工件的總支撐力，其水平分力用N1x′、N2x′來表示，垂直分力用N1y′、N2y′來表示。但是，實(shí)際中上下V 型鉗口在M=Gl0的力矩作用下會(huì)使2N1y′與2N1y′作用方向上產(chǎn)生一段距離。鉗口會(huì)繞著銷軸旋轉(zhuǎn)直到平衡位置。這時(shí)工件會(huì)下垂一個(gè)角度φ，從而鉗口和工件會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的摩擦力2F1′和2F2′。這一轉(zhuǎn)動(dòng)直到2N1y′和2F1′的合力R1′的作用線通過上鉗口的銷軸中心，以及2N2y′和2F2′的合力R2′的作用線通過下鉗口的銷軸中心，從而使鉗口轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩消失，工件和鉗口處于平衡狀態(tài)。列出力與力矩平衡方程：

      以上為傳統(tǒng)摩擦夾持的計(jì)算方法。這種計(jì)算方法鉗口與鍛件實(shí)際復(fù)雜的接觸面被簡(jiǎn)單的以等效摩擦代替，造成計(jì)算結(jié)果偏差較大，因此要得出較為準(zhǔn)確的夾持力，需進(jìn)行有限元模擬仿真計(jì)算。

       3、 夾持機(jī)構(gòu)有限元仿真分析

      采用商用有限元分析軟件NXNastran 進(jìn)行仿真分析，NXNastran 是國際上應(yīng)用最廣泛的CAE 工具，大量的制造廠商依靠其分析結(jié)果來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更加安全可靠產(chǎn)品，得到更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。三十多年來，Nastran 已經(jīng)成為了幾乎所有國際大企業(yè)的工程分析工具，應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、軍工、船舶、重型機(jī)械設(shè)備、醫(yī)藥和消費(fèi)品等，這也使得其分析結(jié)果成為了工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)夾持機(jī)構(gòu)最大承載能力的工況進(jìn)行有限元分析，鍛件重量為180t，重力矩4000kN·m。

      
      圖4 夾鉗機(jī)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型

     有限元網(wǎng)格模型如圖4。采用自由網(wǎng)格劃分，整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)模型共劃分為85496 個(gè)節(jié)點(diǎn)，41258 個(gè)單元。在發(fā)生接觸的區(qū)域設(shè)置面面接觸對(duì)，包括鉗口與鍛件、鉗臂與鉗口、鉗臂與鉗殼、連桿與鉗臂、推桿與連桿等接觸面，接觸算法選用罰函數(shù)法[5~7]。鉗口與鍛件接觸面摩擦系數(shù)按熱工件與輥道摩擦系數(shù)取值為0.3，其余為銷軸銷孔摩擦，摩擦系數(shù)取0.15。

     材料力學(xué)性能如表1 所示。

     3.1 夾持機(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果

     鉗口垂直夾持鍛件情況下夾持機(jī)構(gòu)整體應(yīng)力云圖如圖5 所示，鍛件下傾角為2.46°。最大應(yīng)力發(fā)生在下連桿與鉗臂連接的銷孔處，為660.70MPa。

     圖5 夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

     關(guān)鍵零部件上下鉗臂，上下連桿的應(yīng)力云圖如圖6~9 所示。

      3.2 結(jié)果分析

      為了得到最優(yōu)夾持力，分別計(jì)算夾持力為900t、1000t、1200t、1300t 情況下，鍛件的下傾角和零部件的應(yīng)力強(qiáng)度，結(jié)果如表2 所示。

       
      圖6 上鉗臂應(yīng)力云圖

      圖7 下鉗臂應(yīng)力云圖

      圖8 上連桿應(yīng)力云圖

       
      圖9 下連桿應(yīng)力云圖

      表2 不同夾持力工況下關(guān)鍵零件的應(yīng)力及安全系數(shù)

      由表中可知，在900t 的夾持力下，鍛件的傾角為4.47°，超過了鍛件允許下傾的角度范圍0~4°，這種情況下斷定為夾持失效，是生產(chǎn)作業(yè)所不允許的。1060t 以上的夾持力可以將鍛件夾起，而且夾持力越大，鍛件下傾的角度越小，但是零件的應(yīng)力也就越大，安全系數(shù)也就越低。所以，最優(yōu)夾持力為1060t。

       4、 結(jié)論
 

     （1）研究夾持機(jī)構(gòu)力學(xué)模型，分析垂直夾持鍛件的受力情況，特別是考慮鍛件下傾的影響，推算出夾持力計(jì)算公式。
     （2）建立夾持機(jī)構(gòu)的有限元模型，分別計(jì)算多種夾持力情況下鍛件的下傾幅度以及零部件的強(qiáng)度應(yīng)力。結(jié)合判別夾持失效條件即鍛件下傾角度不能超過4°以及零件材料的屈服強(qiáng)度，得出180t/4000kN·m操作機(jī)的最優(yōu)夾持力為1060t。