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基于AnsysWorkbench宽幅砂光机机架结构分析及优化

时间:2018-08-21 19:16来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇机械工程硕士论文,机械工程一向以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性,即以提高人类的利益为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代,新产品的研制
本文是一篇机械工程硕士论文,机械工程一向以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性,即以提高人类的利益为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代,新产品的研制将以降低资源消耗,发展洁净的再生能源,治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械工程硕士论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 课题研究的目的及意义
众所周知,我国是个森林资源相当匮乏的国家,根据第八次全国森林资源清查结果[1],我国森林覆盖面积2.08 亿公顷,覆盖率21.63%,还没有达到全球平均水平的30%,其中可采伐森林资源更是严重不足,且资源结构极不合理。虽然从第九次森林资源清查的吉林、上海、浙江、安徽、湖北、湖南和陕西7 省(市)的森林资源可知,森林覆盖率和积蓄量均有提高,总体呈现良好状态,但与我国庞大的人口基数和快速的城市化相比,木材仍供不应求。木材及木质材料作为与人类最具亲和力的材料之一,是国民经济建设中的重要原料,被广泛应用于建筑、交通等工业部门及人类生活的各个领域,楼市的红火更使其需求量一直居高不下。对此,一方面我们要保护好资源,另一方面我们要利用科学手段,将有限的木材资源充分利用起来[2][3]。人造板的出现缓解了木材的供需矛盾,人造板工业是高效利用木材资源的产业,通过充分利用木材工业剩余物、枝桠材和轮伐期短的人工林等资源发展人造板以替代木材产品[4],对保护森林资源和自然环境,满足国民经济和社会发展对林产品的不同需求,及对保证林业的开发满足人类长远发展的需求,都具有深远的意义,同时对减缓全球气候变暖也有重要作用。人造板与木材比较,有幅面大、变形小、表面平整光洁和无各向异性等优点,常见的人造板主要有 PB 刨花板、MDF 中密度板、HDF 高密度板等。PB 刨花板生产工艺如图 1.1 所示,MDF 和 HDF 中高密度板生产工艺如图 1.2 所示。
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1.2 宽幅砂光机与普通宽带砂光机的主要区别
宽幅砂光机产能是普通四英尺砂光机的 2 倍以上,其特点主要体现在“宽”上,普通宽带砂光机的砂光工作宽度在 1.5m 左右,而宽幅砂光机的砂光宽度在2.6m~3.9m。其机架底座悬臂长度及砂辊跨度相比普通砂光机基本都翻了一倍,而砂光速度却并未降低,因此对于机架各零部件的稳定性提出了更高的要求。四英尺砂光机悬臂的自由端在自然状态时的下沉量很小,生产加工过程中忽略不计,但宽幅砂光机悬臂自由端会有毫米级下沉量,悬臂梁的平面度对机架平面的平行度之间较之四英尺砂光机来说更为重要且难控制,是宽幅砂光机制造和工艺的难点。同时所有砂辊长度都是正常砂光机的 2 倍,长度和转速的要求是固定的,但其强度精度保证已不是简单地将辊筒直径加大、壁厚加厚、轴承加大那么简单。对于双砂辊组砂光机来说,悬臂梁平面的平面度是直接影响砂辊组辊筒安装后的平行度,是影响人造板材最终厚度偏差和板面光洁度的重要因素。双砂辊组砂光机出厂要求是机架内各辊筒母线在垂直面内投影的平行度误差≤1000:0.02。除在拼焊和机加工过程中,都应保证砂光机底座的砂辊组安装面的平面度外,对底座、砂辊组本身的强度及工作时各部件的稳定运行都需要进行精确校核。
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第二章 宽幅砂光机机架 Solidworks 结构设计及建模
 
根据砂光机的工作类型对砂光机机架的形式进行整理和输出,并运用 Solidworks将现有的宽幅砂光机机架及其各部件的二维图形转化为三维图形,并导入到 ANSYSWorkbench 中完成建模。
 
2.1 宽幅砂光机工作原理
人造板宽带砂光机可根据产量及加工质量的需要,配置不同砂辊组合成双砂架、四砂架砂光机,再进行2+4,4+4等砂光机组合(见图2.1),满足中密度纤维板、刨花板等人造板定厚抛光的需要[28]。当机器正常运转后,单张人造板坯(毛板)从机器右端经过限板装置,限板装置仅让一块厚度和翘曲度不超过规定的板坯通过。接着在输送辊的推进下,进入砂辊组件(A 粗砂、B 定厚、C 细磨或 D 精磨)。环形砂带绕过(接触辊、导向辊)和张摆辊,通过张紧装置中的气弹簧得到张紧,从而获得足够的摩擦动力实现高速旋转。同时,接触辊、导向辊和磨垫将砂带压在人造板坯的上下两表面,完成磨削工作。板材由出料端的清扫辊清除表面残留的粉尘后板材出料辊送出机器[29]。在人造板砂光中,需要将粗砂和细磨分成两道工序。原因在于:为了提高效率,必须用粗砂带和较高的单位压力去除更多的厚度余量;但为了得到更好的板面光洁度,又需要用细砂带和较小的单位压力才能实现。而粗砂和细磨的磨削参数也是完全不一样的,即不可能在单次磨削过程中用同一粒度的砂带达到既满足高效率又满足高光洁度的效果[30],故砂光机需采用不同结构的砂架,即定厚和抛光分别使用定厚用砂光机和抛光用抛光机,以求达到更高的效率和品质。因此,为了得到厚度一致,表面更光滑的板坯质量,并且保证较高的效率,通过磨削装置对砂架进行分类[31],固化了砂辊组件配置。
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2.2 宽幅砂光机 Solidworks 结构设计
如图 2.2 所示,整个砂光机可分为上下两个基本镜像的磨削系统。单个磨削系统均由图示的八个部分组成。机架分上下两底座,系 Q235-A 钢板和型钢拼焊而成,主要用于支撑其他部件。张摆辊除了起到张紧砂带的作用外,在摆动气缸推动下做小幅往复动作,防止砂带的单向跑偏。砂辊组件是砂光机套装砂带的组件,即砂削组合体[34]。在进行设备的日常维护保养或是砂削对象发生变更时,需要利用升降机构控制砂光机上机架的升降和悬停。辊式送进结构的送进系统是保证砂光机对工件表面进行连续砂削的必不可少的部件。张紧系统用于控制上下砂架的张紧气囊,调整张摆辊与砂辊组件之间的距离,起到张紧或放松环形砂带的作用。摆动机构包括摆动气缸组件、电磁阀和光电开关等,是控制张摆辊动作的职能部件。主传动系统是每个砂架磨削工件所需驱动力的来源[35]。根据砂削工艺,机架底座、砂辊组件和张摆辊为砂光机机架主体,本文对砂光机的研究均选定 4 砂架形式的下机架为研究对象,即:粗砂,按砂辊组件 A+B 的下机架进行分析,下文简称形式Ⅰ;定厚和细磨,按砂辊组件 C+D 的模式进行分析,下文简称形式Ⅱ。其中:机架底座:它是一个整体焊接件,是整个砂光机重量的承载体,其中悬臂是砂辊组件和张摆辊组件的安装基础,是保证实现砂削工作的第一基础。机架底座的变形会引起砂带两侧堵塞,影响板面质量[36]。
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第三章 宽幅砂光机机架主要部件的静力学分析....16
3.1 宽幅砂光机底座的静力学分析........16
3.2 砂辊组件的静力学分析...........22
3.3 张摆辊组件的静力学分析.......35
3.4 本章小结........37
第四章 宽幅砂光机机架的动力学分析...........38
4.1 模态分析基本方程的建立.......38
4.2 宽幅砂光机机架的模态分析结果............39
4.3 宽幅砂光机机架的谐响应分析........44
4.4 本章小结........47
第五章 砂光机砂辊的结构优化.....48
5.1 Workbench 优化分析.......48
5.1.1 Workbench 优化设计流程...........48
5.1.2 Workbench 优化设计基础...........49
5.2 采用 Workbench 对砂光机砂辊优化........49
5.3 本章小结.......55
 
第五章 砂光机砂辊的结构优化
 
传统设计方法很难综合考虑各方面的约束条件,如定厚砂辊组的接触辊,接触轮直径越大砂光效果越好。但考虑直径增大随之带来的壁厚、强度的问题[50],应该找到合适的砂辊直径和长度比[51]以及砂辊壁厚值。因此以前面的分析为基础,运用workbench 对砂光机机架的砂辊部件进行优化设计,可以找到砂辊的最佳优化设计方案,提高经济效益。
 
5.1 Workbench 优化分析
Workbench 不但具有强大的前处理器,求解器,后处理器,还有强大的优化设计功能,可以进行尺寸优化和拓扑优化,提供了两种可处理绝大数优化问题的优化方法:零阶方法和一阶方法。1)零阶方法又称直接法,它只用到目标函数和状态变量即因变量的值而不用它的偏导数,因此成为零阶方法。该方法虽然存在需要优化迭代多次的缺点,但可以有效的处理绝大数工程问题,是目前较为通用的方法。2)一阶方法又称间接法,使用因变量对设计变量的偏导数,相比零阶方法,该方法更加适合精确的优化分析,是因为它提高了目标函数对设计变量的敏感程度。无论是零阶方法还是一阶方法,Workbench 对初始设计进行分析,根据设计要求对分析结果进行评估,做出修正设计,形成了一系列的分析-评估-修正的循环过程。且这一循环过程以所有的设计要求都满足为目标重复进行[48]。
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总结
 
本文采用Solidworks、ANSYS Workbench软件,对宽幅砂光机的主要机架结构进行了模型建立,并对各部件进行了静力学分析,对机架系统进行了动力学分析和砂辊壁厚和结构进行了优化分析,取得了以下成果。
(1)不同砂光机底座悬臂装配后的变形量不同,下沉量为 A/B 砂辊处 2.81mm,C 砂辊处 2.86mm,D 砂辊处 2.28mm。通过不同加工工艺的试制,提供设置预变形量的配重方法,保证悬臂装配后保持水平。
(2)运用 ANSYS workbench 对砂带与辊作接触处理的分析,得到各辊应力在许用应力范围内。得到粗砂的大接触辊垂直方向应变为 0.11mm,满足板材砂削的第一道工艺要求。定厚及细磨砂辊在水平方向的位移较大,但在垂直方向的位移很小,均能满足相应砂削工序要求。
(3)形式Ⅰ机架的一阶固有频率和形式Ⅱ机架的一阶固有频率接近。形式Ⅰ机架的一阶固有频率为 48.22Hz,两接触辊最大幅值为 0.45mm。形式Ⅱ机架的一阶固有频率为 46.82Hz,两导向辊最大幅值为 1.30mm。
(4)形式Ⅰ机架系统谐响应分析,砂辊在频率为 76Hz 处出现最大变形,最大变形为 0.0115mm。形式Ⅱ砂光机系统模态分析,砂辊在频率为 46Hz 处出现最大变形,最大变形为 0.0262mm。最大变形量均小于 0.05mm,证明运行时满足生产要求。
(5)经过优化设计,粗砂辊和定厚接触辊的最优壁厚均为 30mm,细磨导向辊可以由实心辊改为壁厚 20mm 的空心辊,张摆辊的最优壁厚为 14mm。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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