飛剪箱體綠色化輕量化優(yōu)化設計探析
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摘要：針對飛剪箱體，首先從應力云圖、位移云圖、安全系數(shù)云圖觀察其應力、位移等的分布情況，一方面對其冗余的部分進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以降低部分鋼板的厚度，另一方面對應力集中的部位采用加強筋的方法對箱體進行加固，這樣在滿足工作強度的條件下降低了安全系數(shù)，使得整個箱體減重了33．8％，達到了輕量化的目的；其次對比箱體材料的化學成分、性能特點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，并且減少了對厚鋼板預熱需要的能源，達到了節(jié)能減排、綠色制造的目的。
關鍵詞：飛剪箱體；優(yōu)化設計；輕量化；綠色化
0引言
飛剪是線棒材軋鋼生產(chǎn)線上的一種重要設備，通常是在軋鋼過程中對軋件進行切頭、去尾、事故碎斷。飛剪由傳動系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、飛剪箱體等組成。隨著現(xiàn)代科學技術的進步與發(fā)展，特別是智能化、自動化技術的提高，在滿足飛剪正常工作的條件下，對飛剪傳動系統(tǒng)與剪切系統(tǒng)的優(yōu)化設計已經(jīng)成熟，但在同樣掌握核心技術的情況下，即使設備材料每噸的單價與別的廠家一樣但由于重量較大導致總價提高，進而也會影響銷售競標的成功。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)核心競爭力的關鍵點，因此對飛剪箱體的綠色化、輕量化優(yōu)化設計成為亟待解決的問題。
1飛剪箱體的優(yōu)化思路
綠色化設計的目的就是通過對產(chǎn)品的加工過程進行改進設計以及環(huán)保材料的選取等，從而節(jié)約制造成本、減少排放物對環(huán)境的污染、高效利用能源；所謂的輕量化設計就是在設計制造過程中優(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)過程中達到節(jié)能減排、降低作業(yè)成本的目的。通過查閱相關資料以及對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，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的材料代替，因此首先可以從飛剪的構(gòu)造上進行優(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方面考慮對飛剪箱體進行優(yōu)化設計。
2飛剪箱體的優(yōu)化設計
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，它屬于低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，合金含量較少，造價低，具有很好的焊接性能，焊前一般不必預熱。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，需要對它進行預熱。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行焊接時一般不需要預熱，但是對于鋼板厚度較大的地方需要預熱，并且在焊接完成之后要進行去應力的熱處理。Q345鋼埋弧焊時，可以對焊接件的焊接部位進行開坡口操作，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對飛剪箱體進行受力分析對飛剪箱體進行分析，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部位。先對6個軸承孔添加坐標系，因為整個箱體主要靠軸承座來承受整個傳動系統(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：點擊Simulation按鈕，建立一個新的算例，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：在進行有限元分析之前，必須對整個飛剪箱體添加材料，因為只有添加了材料才能根據(jù)不同材料的特性來進行性能分析，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)品的實際情況，選擇相應的夾具直接添加，因為對飛剪是進行靜應力分析，所以將箱體最下面的鋼板進行固定就可以，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402480N（經(jīng)過計算所得）垂直方向的載荷，再加上飛剪的重力，所以最后對其受到的力進行最大化，可得兩個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，對網(wǎng)格進行細化，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，然后對網(wǎng)格進行劃分，最后分割得到1119057個節(jié)點、751930個單元，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)格劃分后進行求解。求解完成后得到箱體的應力云圖、位移云圖和安全系數(shù)云圖。（1）箱體的應力云圖如圖4所示，最大應力值為75MPa，應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)對其箱體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
2．2箱體的優(yōu)化設計
2．2．1對整個箱體進行結(jié)構(gòu)上的重新布局本文主要是針對飛剪的箱體進行優(yōu)化，同時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，然后再對箱體其余各部分進行優(yōu)化。所以先要保證軸承座滿足使用要求，然后對受力不大的地方進行優(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)最下面先添加一個較薄的鋼板，然后在此基礎上對這一側(cè)的軸承座下面添加兩個加強筋，這樣會增大軸承座的剛度和穩(wěn)定性。上箱體也是如此，通過增加幾個加強筋來進行箱體的加固。2．2．2對箱體材料進行合理選取材料的選取是飛剪箱體優(yōu)化的關鍵，除了考慮材料的力學性能外，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，其強度大、質(zhì)量重，導致箱體的最小安全系數(shù)達到3．3，造成浪費。對比低碳鋼的化學成分及其力學性能之后，選用Q295和Q195鋼進行代替，焊絲H08MnMoA配合焊劑HJ431。這樣產(chǎn)生的焊縫質(zhì)量較好且不需預熱，另外這兩種材料的價格低，達到了降低成本的目的。
2．3對優(yōu)化后的飛剪箱體進行仿真分析
2．3．1對優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)進行三維建模利用SolidWorks對優(yōu)化設計之后的飛剪箱體進行三維建模，如圖7所示。由圖7可以看出，沒有改變飛剪的主要框架，只是對原結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，使其符合輕量化的要求。接下來就可以對改變結(jié)構(gòu)同時改變材料的箱體進行有限元分析，以驗證優(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）箱體應力圖如圖8所示，最大的應力為73．5MPa，最大的應力點還是位于軸承孔下面的加強筋。加強筋的材料是Q195，屈服強度為195MPa，最大應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，最大的位移點是上箱體加強筋的頂點。（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功能對飛剪箱體進行有限元分析，從應力云圖、位移云圖、安全系數(shù)云圖三方面對箱體的結(jié)構(gòu)進行對比分析，從結(jié)構(gòu)和鋼板的厚度上對箱體的冗余部分進行了簡化，并在應力集中的軸承孔處增加了加強筋，最終在滿足工作強度的前提下減重33．8％，滿足了輕量化的要求。（2）通過分析低合金高強度鋼和低碳結(jié)構(gòu)鋼的化學成分和力學性能，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不需預熱，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:深圳市卓興半導體科技有限公司 太重煤機有限公司 山西浩盛通達科技有限公司 太原供水集團有限公司 山西能源學院機電工程系