黃舒彥，蘇昭群

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建福州 350000）

0 引言

新型大口徑管道被稱為新生的應(yīng)用技術(shù)[1]，已被廣泛應(yīng)用于市政排污、煤礦通風(fēng)及瓦斯輸送等工程，應(yīng)用和發(fā)展前景十分廣闊[2]。目前我國(guó)主要大口徑增強(qiáng)管生產(chǎn)廠家均引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，并且產(chǎn)量無(wú)法滿足目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求[3]。芯軸是大口徑增強(qiáng)管纏繞機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能對(duì)保證管材成型的圓度，提高纏繞效率及降低功耗具有重要意義。大口徑纏繞機(jī)在工作過(guò)程中需要利用芯軸直徑變化來(lái)完成脫模，因此芯軸中應(yīng)設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)裝置，使其能夠在軸向外力作用下實(shí)現(xiàn)徑向尺寸變化。

本文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)滑動(dòng)裝置中的滑塊進(jìn)行仿真分析，對(duì)其施加固定約束載荷，分析其最大變形位移與最大應(yīng)力變化特征，為大口徑纏繞機(jī)芯軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 纏繞機(jī)模具芯軸滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)及建模

1.1 滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

模具芯軸主要由八邊形架體、弧形板和滑動(dòng)裝置3部分構(gòu)成，直徑為3 000 mm?；瑒?dòng)裝置與弧形板分為A、B兩種，共8組，交錯(cuò)均布在等邊八邊形架體上，采用45 kW交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖1。每塊弧形板由7個(gè)滑動(dòng)架支承進(jìn)行升降，每個(gè)升降架裝有2個(gè)滑塊。大口徑復(fù)合管成型后通過(guò)滑動(dòng)架的水平移動(dòng)帶動(dòng)弧形板徑向升降，先控制滑動(dòng)裝置將弧形板A下降到一定高度，待四組弧形板A全部下降完成后，再下降弧形板B，從而實(shí)現(xiàn)芯軸直徑變化，使復(fù)合管與之完全脫離。

在工作過(guò)程中滑動(dòng)裝置需進(jìn)行機(jī)械動(dòng)作并承受熱和載荷，其結(jié)構(gòu)見圖2。圖中，連桿帶動(dòng)滑塊中間架沿固定滑動(dòng)架的槽作水平直線運(yùn)動(dòng)，滑塊中間架和滑塊固定連接，利用滑塊的斜面使升降滑動(dòng)架進(jìn)行垂直直線運(yùn)動(dòng)。

1.2 滑塊模型與網(wǎng)格劃分

滑塊安裝在固定滑動(dòng)支架兩側(cè)，直接帶動(dòng)升降架在垂直方向移動(dòng)，為保證精度，需分析其在工作條件下的變形特征。通過(guò)Solidworks建立其幾何模型，并將模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行分析，設(shè)置材料為結(jié)構(gòu)鋼，特性如表1。

表1 材料參數(shù)

對(duì)模型進(jìn)行Automatic網(wǎng)格劃分，尺寸為5 mm，并對(duì)預(yù)計(jì)發(fā)生應(yīng)力集中的圓角部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，尺寸為0.5 mm。劃分完成后共87 655個(gè)單元，151 837個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3。

2 滑塊的靜力學(xué)分析

根據(jù)滑塊受力特點(diǎn)，在滑塊的螺栓孔位置添加固定約束。工作時(shí)弧形板、升降滑動(dòng)架、管材和纖維帶的自重以及纏繞過(guò)程中纖維張力等多種力都會(huì)作用于滑塊，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將載荷設(shè)定為作用在滑塊與升降滑動(dòng)架接觸斜面上的垂直作用力。對(duì)大口徑纏繞機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，滑塊主要受到弧形板重力G1、升降滑動(dòng)架及附件重力G2、管材和纖維帶的重力G3以及纖維帶張力T的作用。設(shè)每塊弧形板配置的滑動(dòng)架數(shù)量為n，纖維帶張力的方向與水平面的夾角為φ。纖維帶纏繞時(shí)芯軸受到纖維帶一組對(duì)稱張力的影響，其徑向分量為[4]：

式中夾角φ按一般工況取10°，設(shè)備參數(shù)如表2所示，代入式（2）計(jì)算，可得滑塊斜面所受載荷為4 456 N。

表2 設(shè)備參數(shù)

由于局部坐標(biāo)系的Z方向是芯軸直徑的誤差敏感方向，選取Z方向變形情況及應(yīng)力進(jìn)行分析求解，得到變形云圖（圖4）和應(yīng)力分布云圖（圖5）。由圖可知，滑塊在Z方向上的最大變形的位置發(fā)生在左端斜面處，在最大變形位移為0.0067mm，變形量較小。滑塊所受應(yīng)力最集中點(diǎn)位于滑塊中部圓角處，最大應(yīng)力值為45.49MPa，遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力。

3 滑塊的穩(wěn)態(tài)熱學(xué)分析

在生產(chǎn)過(guò)程中，芯軸會(huì)持續(xù)工作1 h到1.5 h，工作溫度為180℃左右，最高可達(dá)200℃[5]，因此也需要考慮熱變形帶來(lái)的影響。由于芯軸在長(zhǎng)時(shí)間工作后逐步達(dá)到熱平衡狀態(tài)，溫升不再與起步階段相同，較為平穩(wěn)，溫度增加較小，因此，本文采用穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)方式進(jìn)行分析。

熱傳遞的方式分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種。由于溫升較小，根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律，熱輻射在熱傳遞中的占比很小，可以忽略，因此主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流對(duì)熱場(chǎng)的影響。其中熱傳導(dǎo)部分由溫度梯度以及熱導(dǎo)率決定。熱傳導(dǎo)根據(jù)傅立葉定律：

式中q—熱流密度；k—導(dǎo)熱系數(shù)為溫度梯度。

工程中多使用牛頓冷卻方程來(lái)計(jì)算對(duì)流換熱量：

對(duì)于表面上任意點(diǎn)，有：

式中α—導(dǎo)熱系數(shù)；T1和T2分別為固體表面溫度與周圍流體溫度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滑塊與空氣的對(duì)流換熱取5W/（m2·℃），金屬接觸取450 W/（m2·℃），環(huán)境溫度25℃，對(duì)滑塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升仿真[6]。

由仿真結(jié)果可知，零件在Z方向上的變形最嚴(yán)重的區(qū)域?qū)ΨQ出現(xiàn)在左右兩端與升降架發(fā)生接觸的斜面處，最大變形方向?yàn)閆軸負(fù)方向，變形量為0.046 mm（圖6）,最大應(yīng)力為68.47 MPa（圖7），小于許用應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文對(duì)大口徑纏繞機(jī)芯軸的滑塊進(jìn)行仿真，完成對(duì)滑塊的受力分析和網(wǎng)格劃分，在對(duì)其施加約束與載荷后發(fā)現(xiàn)由于在工作時(shí)處于高溫狀態(tài)，相較于靜力載荷，溫度對(duì)滑塊的變形和應(yīng)力影響更為嚴(yán)重，在誤差敏感方向上的熱變形最大達(dá)到0.046 mm，最大熱應(yīng)力值達(dá)到68.47 MPa，滿足使用要求。在左端斜面處，機(jī)械變形會(huì)對(duì)熱變形進(jìn)行補(bǔ)償，使在Z方向的最大變形量降低14.6%，有利于保證芯軸精度。