甄帥

摘? 要：升降輥床作為一種新型輸送設(shè)備，具有高速、穩(wěn)定、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在各汽車焊裝車間得到了廣泛應(yīng)用。文章對(duì)輥床連桿搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上針對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，改善機(jī)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變并提升疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：升降輥床;搖臂結(jié)構(gòu);有限元;拓?fù)鋬?yōu)化;疲勞壽命

中圖分類號(hào)：U469? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）05-0088-02

引言

“沖壓、焊裝、油漆和總裝”被稱為當(dāng)代汽車制造的四大工藝[1]，在上汽大眾儀征工廠焊裝車間，焊接工藝種類多達(dá)8至10種，用來轉(zhuǎn)運(yùn)車身的工藝生產(chǎn)線多達(dá)12條，擁有德國(guó)KUKA自動(dòng)化機(jī)械臂800多臺(tái)，工藝過程極其復(fù)雜，工位數(shù)量繁多。基于曲柄連桿搖臂結(jié)構(gòu)的Siemens高速輸送升降輥床的大量應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)節(jié)拍，使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)，產(chǎn)能得到大幅度提高[2]。

1 輥床結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)分析

本文以西門子公司11-0908-1200系列升降輥床為研究對(duì)象，主要參數(shù)如表1所示。升降輥床主要由底座、升降機(jī)構(gòu)、水平輸送輥床和控制系統(tǒng)四大部分組成，實(shí)現(xiàn)其升降功能的是一個(gè)典型的多連桿機(jī)構(gòu)，并可拆分為兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，即前半部分為曲柄連桿搖臂機(jī)構(gòu)[3-4]，后半部分為平行四桿機(jī)構(gòu)，因此，在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算中可以忽略后半部分的平行四桿機(jī)構(gòu)，僅分析前半部分的曲柄連桿搖臂機(jī)構(gòu)[5]（圖1）。

為了解曲柄連桿搖臂機(jī)構(gòu)在其運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)各構(gòu)件的受力情況，在Adams軟件中創(chuàng)建升降輥床曲柄連桿搖臂動(dòng)力學(xué)仿真模型，施加輥床框架及雪橇、車身的重力負(fù)載為13000N，直接作用在前后搖臂上，受力方向始終豎直向下，經(jīng)求解，后搖臂受到來自連桿的峰值拉力為17588N，在升降輥床從低位向高位運(yùn)行過程中，搖臂克服負(fù)載力并將其向上舉升，拉力從峰值開始逐漸降低為0N。

2 輥床有限元仿真分析

對(duì)輥床連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。搖臂的制造原材料為Q235B，建立搖臂模型并導(dǎo)入到ANSYS軟件中，網(wǎng)格劃分后共得到47478個(gè)節(jié)點(diǎn)、19295個(gè)單元。連桿與后搖臂相連的鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)副-單孔搖臂關(guān)節(jié)軸承處，其轉(zhuǎn)動(dòng)副處最大受力為17588N，選取此瞬態(tài)時(shí)刻，對(duì)后搖臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加負(fù)載、約束后進(jìn)行計(jì)算，得到其應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果情況如圖2所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，在主軸中部軸頸與曲柄連接處是應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位，從有限元分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力為91.36MPa，雖然小于搖臂材料的屈服強(qiáng)度235MPa，但這些應(yīng)力集中部位極易出現(xiàn)疲勞裂紋，直至機(jī)械失效損壞，該分析結(jié)果與搖臂在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)生的斷裂故障一致。

3 輥床搖臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

考慮到加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)搖臂應(yīng)力集中情況改善比較明顯，可以對(duì)該改進(jìn)措施進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，以使得左右加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)更牢固可靠。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分為兩類，它們分別是連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和離散體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，它可以理解為一種依據(jù)確定的負(fù)載、性能指標(biāo)與約束條件、針對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行材料分布優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。

本文采用ANSYS Workbench對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以體積減少25%為邊界條件，同時(shí)加載與優(yōu)化前等同的負(fù)載和約束條件，并以最大應(yīng)力最小為優(yōu)化目標(biāo)。運(yùn)用ANSYS零階法，經(jīng)過9次迭代計(jì)算后，輸出拓?fù)鋬?yōu)化后的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖3所示，去除的材料質(zhì)量達(dá)17.9535kg，加強(qiáng)筋質(zhì)量減少為5.9655kg，較廠家優(yōu)化前最初的加強(qiáng)筋減重了2kg。

對(duì)優(yōu)化后的搖臂進(jìn)行建模，施加與優(yōu)化前相同的載荷和約束，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，得到如圖4加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化后的應(yīng)力分析云圖，搖臂主軸薄弱處的最大應(yīng)力降低為71.74MPa，相較于首次結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的81.16MPa有明顯改善，而相較于搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)前的91.36MPa實(shí)現(xiàn)了大幅改善，應(yīng)力改善幅度達(dá)到21.47%，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)大大降低了搖臂的應(yīng)力集中載荷，有利于延長(zhǎng)搖臂的使用壽命。

4 輥床疲勞壽命分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證輥床結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)應(yīng)力集中改善的效果，使用名義應(yīng)力法對(duì)新?lián)u臂進(jìn)行疲勞壽命分析，得到疲勞計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

上述疲勞壽命分析結(jié)果顯示，在承受周期為2秒、循環(huán)載荷條件下，搖臂可循環(huán)運(yùn)行的次數(shù)為107次，且分析結(jié)果顯示搖臂安全系數(shù)最低為4.8，超過標(biāo)準(zhǔn)值1.5，因此，本文拓?fù)鋬?yōu)化后的搖臂滿足實(shí)際使用要求。

5 結(jié)束語

隨著我國(guó)乘用車市場(chǎng)發(fā)展越來越快，汽車制造業(yè)對(duì)輸送設(shè)備特別是工藝輸送滾床的要求越來越高，各整車制造廠紛紛在規(guī)劃階段就對(duì)輸送升降滾床的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)升降滾床關(guān)鍵部件搖臂的優(yōu)化改進(jìn)，有利于提高設(shè)備穩(wěn)定性和使用壽命。

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