基于SolidWorks的板坯夹钳仿真分析

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板坯夹钳主要应用于冶金工艺过程中板坯的搬运。板坯夹钳主要组成部分包括上梁、连杆 、钳臂、钳牙、销轴、同步机构、启闭机构等。板坯夹钳采用 自动开闭杠杆式工作原理，其结构简单合理，动作灵活，起运安全可靠，靠夹钳与板坯 自重锁紧，夹钳与板坯间作用力主要为夹紧力和摩擦力。设计夹钳时，-般先根据板坯尺寸、板坯重量等已知条件，采用几何作图法初步绘制夹钳简图，并计算夹钳与板坯间作用力，然后再进行相应的设计。

通过计算机辅助设计可使夹钳与板坯间作用力计算更准确。笔者通过 SolidWorks 2012对机械式板坯夹钳进行三维建模，使用 Motion功能进行仿真，计算夹钳与板坯间作用力，对板坯夹钳设计的理论计算进行验证。

2 夹钳夹紧力计算 J根据夹钳的结构特点绘制简化机构图，如图1所示。图示机构为 1/2部分。

图 1 央钳机构图假设钢坯自重为G，夹钳 自重 G ，起升力为 QGG ，图示状态为夹紧钢坯时，杆 1(L.)，杆 2(L )与水平方向夹角分别为Og、卢，杆4(L )与垂直方向夹角为 ，L2与 夹角为 0。OL、 、 为夹钳位置尺寸，0为夹钳钳臂几何尺寸。根据图示几何关系列出公式：L2L1COS Ot (1)L2L2COS卢- 3 (2)hlL1 sin L2sin (3)h2L4COS (4)bL4sin (5)卢0-90 - (6)微分得：6L-2L1 sin oz6a (7)6L-2L2sin (8)6h1LlCOS 6 L2COS (9)6h2- 4sin 6y (10)SbL4COS 6 (11)-6 (12)由式(7)、(8)得：： L2-sin/36/3 (13)Oot - ---- ，Ji sin o/将式(13)代入式(9)得：6h1L2cot osin L2COS (14)板坯夹紧力 /V的建立实际上是-个动态正反馈过程。在夹持的初始瞬间，在起升力 Q逐渐增大，板坯被逐渐吊离支承面，其重力也逐渐由支承面转移到收稿日期：2013-04-07作者简介：何海涛(1981～)，男.河北保定人，助理j二程师，主要从事吊索具产品设计方面的工作· l0·· 机械研究与应用 ·2013年第3期(第26卷，总第125期) 研究与分析夹钳上来 ，夹钳与板坯间摩擦力厂的大小是从零逐渐增大，直到/与钢坯自重 G达到平衡。

根据虚功原理：- 12N6b： 20 (15)夹紧力 Ⅳ由 Q和I厂共同作用产生，假设 Q作用产生的夹紧力为 Ⅳ ， 作用产生的夹紧力为 Ⅳ。同时满足公式：NN1N2 (16)12Ⅳl6b0 (17) 6 20 (18)由式(11)、(12)、(14)、(17)得：≠ (19)由式(10)、(11)、(18)得：N2ftan (20)由式(19)可知由Q作用产生的夹紧力 Ⅳ 由各杆长度和位置确定，与摩擦因数无关。根据夹钳钳口的材料和形式及夹儒坯的材料来确定摩擦因数 ，因为摩擦力.厂与夹紧力Ⅳ关系为：f (21)由式(16)、(20)、(21)得：Ⅳ2 (22)夹紧力为：Ⅳ： ! 垒± ! ×- 4LdCOS 。

[· ] (23)若要保证夹钳安全夹儒坯，必须满足 ≥G/4，当夹钳夹紧板坯离地后，摩擦力达到最大值 G/4，此时必须满足公式：(Ⅳ Ⅳ2) (Ⅳ。 ) ≥旦4 (24)此时夹紧力为：Ⅳ： 垒± (25)4L - dCOS 。 4 、～由此可得板坯不坠落所对应的最小摩擦因数 ：(26)3 板坯夹钳三维建模SolidWorks装配体建模方法可分为自底向上”和自顶向下”2种。板坯夹钳整体的布局关系到夹钳夹紧力的计算，其各个零部件存在多个配合关系。

笔者采用自顶向下”的方式进行模型的建立和零件的设计 。在整体装配图中对板坯夹钳进行计算夹紧力相关尺寸的设计。

在装配体环境中对各个零部件进行建立和编辑，使其零件件存在关联性，并且能够实现参数驱动整个模型的目的。此设计夹儒坯尺寸为厚 300，宽 750，重量为 8 t。根据上述公式选取设计参数 、 、 、L4、O/、 、 驱动三维模型。

在板坯夹钳的装配中，省略了-些对分析不重要的零部件，如：螺栓、轴端挡板、同步机构、启闭机构等，采用 SolidWorks Motion中的配合代替，这样即简化了模型，又提高了仿真速度。本文着重仿真分析夹钳夹取重物过程，因此省略对板坯夹钳建模的详细描述。板坯夹钳三维模型如图2所示。

吊轴上粱连杆钳臀钳牙图2 夹钳三维模型4 仿真与分析4.1 仿真模型建立笔者所仿真的过程为板坯起吊过程是从板坯夹钳放置在板坯时刻起，直至板坯离地面(或平台)-定距离〃立仿真模型，其中包含板坯、平台模型，板坯尺寸为300x750x4 560，重量约为 8 t，平台的作用是模拟板坯存放位置，仿真模型如图2所示。为仿真模型添加配合关系，使其达到仿真初始状态，即板坯夹钳的钳牙与板坯间存在-定距离。并保证夹钳处于板坯的中心位置。初始状态如图3、4所示。

图3 仿真初始状态 1 图4 仿真初始状态24.2 仿真设置在 Motion环境中，板坯、平台和夹钳问的所有配合仅作为定位使用，因此应当压缩禁用。

板坯起吊过程主要存在地球引力、摩擦力、起升力。为 Motion环境添加地球引力 g9.8 m/s。，方向垂直于平台上表面。为所有零件添加实体接触，钳牙与板坯间采用接触组方式添加接触，接触面组可应用· 1 1。

研究与分析 2013年第3期(第26卷，总第125期)·机械研究与应用 ·于在结果反作用力的分析。钳牙与板坯间的材料类型采用 steel(dry)对 steel(dry)，静摩擦系数、动摩擦系数冲击系数等均按照默认值，其中动摩擦因数为0.25，静摩擦因数为0.3。在夹钳上梁吊轴位置添加直线马达作为起升力，直线马达作用曲线如图5所示。设定仿真时间为5 S并运行仿真。

0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0辩闻 (s)图5 直线马达作用曲线4.3 结果分析在仿真结果中，添加4种图解，其中包括两种线性位移：吊轴至地面距离、板坯与地面问距离，两种作用力：钳牙与板坯间y方向(竖直向上)、钳牙与板坯间z方向(垂直与板坯侧面)。其图解如图6～9所示。图解中作用力为单个钳牙受力大校时问 (s图 6 吊轴至地面距离OO O5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5.0时间 ts)图7 板坯与地面间距离· 12·时间 (s)图8 钳牙与板坯问 y方向作用力时间 (s)图9 钳牙与板坯间Z方向作用力直线马达作用曲线与图解 l相同，说明直线马达动作无误，吊轴按照作用曲线上升。

由图解 5得知，约 1.3 S时钳牙开始接触板坯，钳牙与板坯间作用力增大，由图解 3得知，约 1.5 S时板坯离地。1.3～1.5 S钳牙与板坯问作用力迅速增大，钳牙与板坯问作用力出现波动，随时问变化，其作用力趋近稳定。作用力趋近稳定后，钳牙与板坯问y方向(竖直向上)作用力 F -19 530 N，F 即为钳牙与板坯问摩擦力。4F G关系成立。说明此板坯夹钳能满足吊装要求。

进入稳定运行状态之后，钳牙与板坯间 z方向(垂直与板坯侧面)作用力为 81770N，求得仿真临界摩擦因数为 F./F 0.239。由式(25)得理论夹紧力 N84 020 N。由式(26)得理论临界摩擦因数/x0.233。

钳牙与板坯问夹紧力的仿真结果与理论计算值的误差率为(84 020-81 770)/84 0202.68%。钳牙与板坯间临界摩擦因数仿真结果与理论计算值误差率为(0.233-0.239)/0.233-2.575%。说明仿真分析和理论计算结果几乎相同。

5 结 论采用 SoildWorks平台对机械式板坯夹钳进行了三维建模，使用 Motion功能进行仿真，为后续的优化设计提供了数据。通过结果分析，验证了板坯夹钳设计理论计算的正确性，并-定程度上说明以 Soild-Works为平台产品仿真分析的可靠性和实用性。对板坯夹钳设计提供了新的验证方法。