飛剪箱體綠色化輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)探析
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摘要：針對(duì)飛剪箱體，首先從應(yīng)力云圖、位移云圖、安全系數(shù)云圖觀察其應(yīng)力、位移等的分布情況，一方面對(duì)其冗余的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以降低部分鋼板的厚度，另一方面對(duì)應(yīng)力集中的部位采用加強(qiáng)筋的方法對(duì)箱體進(jìn)行加固，這樣在滿足工作強(qiáng)度的條件下降低了安全系數(shù)，使得整個(gè)箱體減重了33．8％，達(dá)到了輕量化的目的；其次對(duì)比箱體材料的化學(xué)成分、性能特點(diǎn)以及受力分析后選擇了鋼板Q295和Q195作為箱體的焊接材料，合金成分所占比率較低，生產(chǎn)成本降低；另外采用了埋弧焊的焊接方法以提高焊接的效率與質(zhì)量，并且減少了對(duì)厚鋼板預(yù)熱需要的能源，達(dá)到了節(jié)能減排、綠色制造的目的。
關(guān)鍵詞：飛剪箱體；優(yōu)化設(shè)計(jì)；輕量化；綠色化
0引言
飛剪是線棒材軋鋼生產(chǎn)線上的一種重要設(shè)備，通常是在軋鋼過程中對(duì)軋件進(jìn)行切頭、去尾、事故碎斷。飛剪由傳動(dòng)系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、飛剪箱體等組成。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，特別是智能化、自動(dòng)化技術(shù)的提高，在滿足飛剪正常工作的條件下，對(duì)飛剪傳動(dòng)系統(tǒng)與剪切系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟，但在同樣掌握核心技術(shù)的情況下，即使設(shè)備材料每噸的單價(jià)與別的廠家一樣但由于重量較大導(dǎo)致總價(jià)提高，進(jìn)而也會(huì)影響銷售競標(biāo)的成功。另外在競爭日益激烈的市場條件下，如何降本增效成為各企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵點(diǎn)，因此對(duì)飛剪箱體的綠色化、輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)成為亟待解決的問題。
1飛剪箱體的優(yōu)化思路
綠色化設(shè)計(jì)的目的就是通過對(duì)產(chǎn)品的加工過程進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以及環(huán)保材料的選取等，從而節(jié)約制造成本、減少排放物對(duì)環(huán)境的污染、高效利用能源；所謂的輕量化設(shè)計(jì)就是在設(shè)計(jì)制造過程中優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)，采用重量輕、物理和化學(xué)性能好的新型材料，并且優(yōu)化加工方法，使得制造的零件質(zhì)量減輕、性能提高，并在生產(chǎn)過程中達(dá)到節(jié)能減排、降低作業(yè)成本的目的。通過查閱相關(guān)資料以及對(duì)飛剪工作過程分析后，發(fā)現(xiàn)飛剪箱體主要存在以下兩個(gè)問題：①重量太大；②成本太高。箱體是三段式鋼板焊接結(jié)構(gòu)，箱體中主要承載的軸承座部分通體鋼板厚度一致，造成材料浪費(fèi)，另外軸承座處的鋼板材料是最好的，但其余連接部分可以用性能差點(diǎn)的材料代替，因此首先可以從飛剪的構(gòu)造上進(jìn)行優(yōu)化；其次在材料的選擇方面，要選用一些成本低、環(huán)保的材料，并且采取節(jié)能的加工工藝方法。所以本文主要從以上兩個(gè)方面考慮對(duì)飛剪箱體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2飛剪箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．1基于Simulation功能的受力分析
圖1為原重版飛剪箱體的三維模型。2．1．1飛剪箱體的材料組成箱體軸承座材料采用鋼板Q345，它屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，合金含量較少，造價(jià)低，具有很好的焊接性能，焊前一般不必預(yù)熱。但是也有特殊情況，比如在環(huán)境溫度較低的情況下工作，或與材料剛性較大、厚度比較大的材料焊接時(shí)，需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)熱。箱體兩側(cè)的封板以及箱體與箱體之間的隔板都采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。2．1．2飛剪箱體的焊接方式飛剪的上、中、下箱體之間的鋼板都是通過坡口焊接的，根據(jù)所使用的材料不同，選用的焊條與添加劑也不一樣。整個(gè)飛剪箱體的壁厚都在50mm以上，可以選擇埋弧焊，這種焊接方法最適用于批量生產(chǎn)中的直線、圓形的橫焊縫，能夠?qū)μ间?、合金鋼等材料進(jìn)行焊接，適合壁厚較大的結(jié)構(gòu)。埋弧焊相比于手弧焊，生產(chǎn)效率可以提高5倍～10倍，形成的焊縫不易破壞，并且連接緊密，使用壽命長，還能節(jié)省材料，滿足綠色制造的要求。箱體的材料為Q345和Q235，這些材料在普通室溫下進(jìn)行焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱，但是對(duì)于鋼板厚度較大的地方需要預(yù)熱，并且在焊接完成之后要進(jìn)行去應(yīng)力的熱處理。Q345鋼埋弧焊時(shí)，可以對(duì)焊接件的焊接部位進(jìn)行開坡口操作，選用H08MnA焊絲與HJ431焊劑，如果焊接件的厚度較大，開的坡口較深，應(yīng)選用H08MnMoA焊絲與HJ431焊劑，這樣形成的焊縫質(zhì)量較好。2．1．3使用Simulation對(duì)飛剪箱體進(jìn)行受力分析對(duì)飛剪箱體進(jìn)行分析，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部位。先對(duì)6個(gè)軸承孔添加坐標(biāo)系，因?yàn)檎麄€(gè)箱體主要靠軸承座來承受整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)與剪切系統(tǒng)的重量。分析箱體受力的步驟如下：（1）建立新算例：點(diǎn)擊Simulation按鈕，建立一個(gè)新的算例，這樣的目的是為了得到飛剪箱體在不同工作條件下的特性，通過施加載荷的大小、網(wǎng)格劃分的程度來定義不同的工作情況。（2）選擇材料：在進(jìn)行有限元分析之前，必須對(duì)整個(gè)飛剪箱體添加材料，因?yàn)橹挥刑砑恿瞬牧喜拍芨鶕?jù)不同材料的特性來進(jìn)行性能分析，飛剪的兩側(cè)采用的是Q345，其余材料都是Q235A。（3）添加約束：夾具添加的正確與否直接影響到后面的求解結(jié)果，所以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的夾具直接添加，因?yàn)閷?duì)飛剪是進(jìn)行靜應(yīng)力分析，所以將箱體最下面的鋼板進(jìn)行固定就可以，添加的載荷是固定幾何體。（4）施加載荷：飛剪箱體主要受力的部位是軸承孔，在軸承孔上施加一個(gè)402480N（經(jīng)過計(jì)算所得）垂直方向的載荷，再加上飛剪的重力，所以最后對(duì)其受到的力進(jìn)行最大化，可得兩個(gè)比較大的軸承孔所受的力是700kN，較小的軸承孔所受到的力是30kN。箱體載荷施加如圖2所示。（5）劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格劃分的大小直接影響分析結(jié)果的精確性。在定義材料、夾具固定、施加載荷不變的情況下，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，最大單元長度由原來的50mm變?yōu)?0mm，最小單元長度由40mm變?yōu)?mm，然后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最后分割得到1119057個(gè)節(jié)點(diǎn)、751930個(gè)單元，具體的網(wǎng)格劃分如圖3所示。2．1．4求解結(jié)果分析在定義材料、添加夾具、施加載荷、網(wǎng)格劃分后進(jìn)行求解。求解完成后得到箱體的應(yīng)力云圖、位移云圖和安全系數(shù)云圖。（1）箱體的應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力值為75MPa，應(yīng)力集中的位置在較薄鋼板一側(cè)，下曲柄軸承孔正下方的螺紋孔處。（2）箱體位移云圖如圖5所示，最大位移為0．056mm，小于斷裂位移，可見整個(gè)箱體的位移量不是很大。（3）箱體安全系數(shù)云圖如圖6所示，最小的安全系數(shù)為3．3，最小的安全系數(shù)點(diǎn)在較薄鋼板一側(cè)，下曲柄軸承孔正下方的螺紋孔處，可見整個(gè)箱體的安全系數(shù)偏大。到此就完成了飛剪箱體的有限元分析，從分析的結(jié)果看，最大應(yīng)力位置位于較薄一側(cè)的下刀軸的軸承孔，位移最大位置位于較薄一側(cè)的上刀軸軸承孔，最小安全系數(shù)為3．3，整個(gè)結(jié)構(gòu)是偏安全的，所以從飛剪的有限元分析和整體結(jié)構(gòu)來看，還是有很大的優(yōu)化空間。所以接下來，將根據(jù)飛剪的整體結(jié)構(gòu)對(duì)其箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
2．2箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．2．1對(duì)整個(gè)箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的重新布局本文主要是針對(duì)飛剪的箱體進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)不能改變其他零件的正常工作條件，這就需要保證齒輪軸與上下曲柄之間的中心距不變，箱體的寬度不變，然后再對(duì)箱體其余各部分進(jìn)行優(yōu)化。所以先要保證軸承座滿足使用要求，然后對(duì)受力不大的地方進(jìn)行優(yōu)化，減小鋼板的厚度，并改用Q235材料。根據(jù)有限元分析結(jié)果可以看到應(yīng)力集中的位置處在下曲柄安裝軸承孔的位置，為此在鋼板較薄的一側(cè)最下面先添加一個(gè)較薄的鋼板，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)這一側(cè)的軸承座下面添加兩個(gè)加強(qiáng)筋，這樣會(huì)增大軸承座的剛度和穩(wěn)定性。上箱體也是如此，通過增加幾個(gè)加強(qiáng)筋來進(jìn)行箱體的加固。2．2．2對(duì)箱體材料進(jìn)行合理選取材料的選取是飛剪箱體優(yōu)化的關(guān)鍵，除了考慮材料的力學(xué)性能外，還需要考慮環(huán)保，材料的選擇要滿足產(chǎn)品綠色化的要求。飛剪箱體是焊接式箱體，所以選擇的材料必須具有優(yōu)良的焊接性能，原箱體所使用的材料是Q345和Q235，兩種材料都具有良好的焊接性能，但是根據(jù)有限元分析的結(jié)果來看，其強(qiáng)度大、質(zhì)量重，導(dǎo)致箱體的最小安全系數(shù)達(dá)到3．3，造成浪費(fèi)。對(duì)比低碳鋼的化學(xué)成分及其力學(xué)性能之后，選用Q295和Q195鋼進(jìn)行代替，焊絲H08MnMoA配合焊劑HJ431。這樣產(chǎn)生的焊縫質(zhì)量較好且不需預(yù)熱，另外這兩種材料的價(jià)格低，達(dá)到了降低成本的目的。
2．3對(duì)優(yōu)化后的飛剪箱體進(jìn)行仿真分析
2．3．1對(duì)優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模利用SolidWorks對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的飛剪箱體進(jìn)行三維建模，如圖7所示。由圖7可以看出，沒有改變飛剪的主要框架，只是對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其符合輕量化的要求。接下來就可以對(duì)改變結(jié)構(gòu)同時(shí)改變材料的箱體進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性。2．3．2優(yōu)化后箱體的仿真結(jié)果（1）箱體應(yīng)力圖如圖8所示，最大的應(yīng)力為73．5MPa，最大的應(yīng)力點(diǎn)還是位于軸承孔下面的加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋的材料是Q195，屈服強(qiáng)度為195MPa，最大應(yīng)力沒有超過屈服極限。（2）箱體位移云圖如圖9所示，最大位移為0．12mm，小于斷裂位移，最大的位移點(diǎn)是上箱體加強(qiáng)筋的頂點(diǎn)。（3）箱體安全系數(shù)云圖如圖10所示，最小安全系數(shù)降為2．369，但整體的結(jié)構(gòu)還是穩(wěn)定的，能夠滿足工作要求。
3結(jié)語
（1）基于SolidWorks軟件Simulation功能對(duì)飛剪箱體進(jìn)行有限元分析，從應(yīng)力云圖、位移云圖、安全系數(shù)云圖三方面對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，從結(jié)構(gòu)和鋼板的厚度上對(duì)箱體的冗余部分進(jìn)行了簡化，并在應(yīng)力集中的軸承孔處增加了加強(qiáng)筋，最終在滿足工作強(qiáng)度的前提下減重33．8％，滿足了輕量化的要求。（2）通過分析低合金高強(qiáng)度鋼和低碳結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，選用焊接性能良好的Q295和Q195為箱體的主體材料，代替原來的Q345和Q235，一方面在滿足使用要求的前提下降低了材料的性能，節(jié)約了成本，另一方面替換后的材料焊接時(shí)不需預(yù)熱，節(jié)省能源，提高效率，滿足了節(jié)能減排、綠色化生產(chǎn)的要求。
作者:馬春平 帥全志 方華 郭翰韜 張麗英 單位:深圳市卓興半導(dǎo)體科技有限公司 太重煤機(jī)有限公司 山西浩盛通達(dá)科技有限公司 太原供水集團(tuán)有限公司 山西能源學(xué)院機(jī)電工程系