新型龙门砂带修磨机关键零件的优化分析

０引言

某新型龙门重型修磨机主要由床身、工作台、支撑臂、主轴传动系统、摆动系统、砂带、顶升连接件等零部件组成，主轴传动系统是该龙门重型修磨机的重要组成部分。机床工作时，砂带对摆动套筒有张力作用，而摆动套筒与顶升连接件相连，因此顶升连接件不仅要承受整个摆动系统的重力，还要承受砂带带来的张力。因此该顶升连接件的振动不仅会影响顶升系统的工作状态与寿命，同时也会对摆动轴系统的工作状态产生影响，进而影响砂带与主动轴的工作状态与寿命。无论是从降低噪声方面，还是从机器运行可靠性及抗冲击的方面，都对顶升连接件的动态性能提出更为严格的要求。因此，对龙门重型砂带修磨机的顶升连接件进行有限元分析，找出该零件的不合理部分，对于提升龙门重型磨削机床的工作性能有着重大意义。动态特性分析即模态分析是计算结构振动特性的数值技术，可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，从而使结构避免共振，并指导工程师预测在不同载荷作用下结构的振动形式［１］。本文采用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１５．０对该顶升连接件进行模态分析。

１顶升连接件的三维建模及网格划分

１．１顶升连接件的三维建模

本文采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维绘图软件对顶升连接件进行三维建模，该零件高度为７７８ｍｍ，长度为４２０ｍｍ，宽度为１３０ｍｍ。经过简化，顶升连接件的实体模型如图１所示。从理论上已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小所得解就足够逼近接近值［２］。因此在建模时应当将一些如倒角、圆角、小孔等细小工艺忽略，这种忽略一般不会对仿真结果产生明显的影响，但是可以为后续的网格划分与模态分析提供方便。

１．２顶升连接件的网格划分

要想进行有限元动态分析，就必须定义零件材料及其材料参数。为了更好地优化零件的动态性能从而提高机床的加工性能，本文定义三种材料见表１，通过有限元分析结果，选出综合性能最好的材料。

ＡＮＳＹＳ有限元网格划分是模态分析中至关重要的一步，网格划分的好坏直接影响分析结果的准确性［３］。网格的划分需要遵循一些原则，网格的结构及网格的疏密程度都会在很大程度上影响有限元分析结果。ＡＮＳＹＳ网格划分需要遵循以下基本原则［４］：

（１）网格划分数量合适。网格数量太少，计算精度达不到，误差偏大；网格太多，会增加分析过程时间而且需要更大的存储空间。

（２）正确把握网格疏密程度。根据结构不同部位采用不同大小的网格，关键部位及结构较小部位的局部网格划分密集一些。

（３）正确选择单元阶次。增加单元阶次可以提高计算精度，精度要求高的重要部位要选择高阶单元，精度要求低的次要部位可以选用低阶单元。

网格划分的数量是采用先少后多的方法，直至分析出来的结果与前一次网格划分分析的结果相差不大为止。网格划分方法有扫描法（ｓｗｅｅｐ）、多区域法（ｍｕｌｔｉ－ｚｏｎｅ）、自动划分（ａｕｔｏｍａｔｉｃ）、四面体法（ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎｓ）和六面体法（ｈｅｘｄｏｍｉｎａｎｔ）等［５］。鉴于自动划分法简单易上手且也有很好的效果，完全满足仿真的需要，本文采用自动网格划分，结果如图２所示。我们通过固定凸轴来限制零件的自由度。每个零部件都有对应于其固有频率的无限多个振型，而高阶振型的阻尼值较高，在振动中起到的作用较小［６］。本文的模态分析着重研究在振动中有较大影响的低阶模态，即只取前６阶模态，通过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真的不锈钢材料顶升件的前６阶模态。

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结语

通过对原始零件进行几何建模，然后应用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的模态分析功能对其进行模态分析，从而得出能反映零件动态性能的前６阶固有频率及最大相对位移。通过仿真结果分析出零件的薄弱环节，然后从两个角度提出３种改进方案。应用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ对改进方案进行三维建模，在几何建模的基础上分别对各个方案进行有限元模态分析，把改进的结果与原始的顶升连接件模态分析比较。结果表明：壁板厚度的增加不仅会降低零件的固有频率，使其动态性能变差，而且还会使零件重量增加，浪费材料；而增加零件底板厚度则会使其固有频率升高，增加其刚度，使其动态性能得到优化。零件的结构优化要遵循以下原则：不能影响零件原本的使用功能，工艺不能过于复杂，重量不能盲目增加，尽量均匀化、合理化，基体内侧转角处（图中标记处）最大应力为３０５．０ＭＰａ，小于其材料的屈服极限，能充分满足自冲铆接设备Ｃ型架的结构强度条件。

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