飞剪箱体绿色化轻量化优化设计探析

摘要：针对飞剪箱体，首先从应力云图、位移云图、安全系数云图观察其应力、位移等的分布情况，一方面对其冗余的部分进行结构上的优化以降低部分钢板的厚度，另一方面对应力集中的部位采用加强筋的方法对箱体进行加固，这样在满足工作强度的条件下降低了安全系数，使得整个箱体减重了33．8％，达到了轻量化的目的；其次对比箱体材料的化学成分、性能特点以及受力分析后选择了钢板Q295和Q195作为箱体的焊接材料，合金成分所占比率较低，生产成本降低；另外采用了埋弧焊的焊接方法以提高焊接的效率与质量，并且减少了对厚钢板预热需要的能源，达到了节能减排、绿色制造的目的。

关键词：飞剪箱体；优化设计；轻量化；绿色化

0引言

飞剪是线棒材轧钢生产线上的一种重要设备，通常是在轧钢过程中对轧件进行切头、去尾、事故碎断。飞剪由传动系统、剪切系统、飞剪箱体等组成。随着现代科学技术的进步与发展，特别是智能化、自动化技术的提高，在满足飞剪正常工作的条件下，对飞剪传动系统与剪切系统的优化设计已经成熟，但在同样掌握核心技术的情况下，即使设备材料每吨的单价与别的厂家一样但由于重量较大导致总价提高，进而也会影响销售竞标的成功。另外在竞争日益激烈的市场条件下，如何降本增效成为各企业核心竞争力的关键点，因此对飞剪箱体的绿色化、轻量化优化设计成为亟待解决的问题。

1飞剪箱体的优化思路

绿色化设计的目的就是通过对产品的加工过程进行改进设计以及环保材料的选取等，从而节约制造成本、减少排放物对环境的污染、高效利用能源；所谓的轻量化设计就是在设计制造过程中优化零件的结构，采用重量轻、物理和化学性能好的新型材料，并且优化加工方法，使得制造的零件质量减轻、性能提高，并在生产过程中达到节能减排、降低作业成本的目的。通过查阅相关资料以及对飞剪工作过程分析后，发现飞剪箱体主要存在以下两个问题：①重量太大；②成本太高。箱体是三段式钢板焊接结构，箱体中主要承载的轴承座部分通体钢板厚度一致，造成材料浪费，另外轴承座处的钢板材料是最好的，但其余连接部分可以用性能差点的材料代替，因此首先可以从飞剪的构造上进行优化；其次在材料的选择方面，要选用一些成本低、环保的材料，并且采取节能的加工工艺方法。所以本文主要从以上两个方面考虑对飞剪箱体进行优化设计。

2飞剪箱体的优化设计

2．1基于Simulation功能的受力分析

图1为原重版飞剪箱体的三维模型。2．1．1飞剪箱体的材料组成箱体轴承座材料采用钢板Q345，它属于低合金高强度结构钢，合金含量较少，造价低，具有很好的焊接性能，焊前一般不必预热。但是也有特殊情况，比如在环境温度较低的情况下工作，或与材料刚性较大、厚度比较大的材料焊接时，需要对它进行预热。箱体两侧的封板以及箱体与箱体之间的隔板都采用的是碳素结构钢Q235。2．1．2飞剪箱体的焊接方式飞剪的上、中、下箱体之间的钢板都是通过坡口焊接的，根据所使用的材料不同，选用的焊条与添加剂也不一样。整个飞剪箱体的壁厚都在50mm以上，可以选择埋弧焊，这种焊接方法最适用于批量生产中的直线、圆形的横焊缝，能够对碳钢、合金钢等材料进行焊接，适合壁厚较大的结构。埋弧焊相比于手弧焊，生产效率可以提高5倍～10倍，形成的焊缝不易破坏，并且连接紧密，使用寿命长，还能节省材料，满足绿色制造的要求。箱体的材料为Q345和Q235，这些材料在普通室温下进行焊接时一般不需要预热，但是对于钢板厚度较大的地方需要预热，并且在焊接完成之后要进行去应力的热处理。Q345钢埋弧焊时，可以对焊接件的焊接部位进行开坡口操作，选用H08MnA焊丝与HJ431焊剂，如果焊接件的厚度较大，开的坡口较深，应选用H08MnMoA焊丝与HJ431焊剂，这样形成的焊缝质量较好。2．1．3使用Simulation对飞剪箱体进行受力分析对飞剪箱体进行分析，确定结构优化的部位。先对6个轴承孔添加坐标系，因为整个箱体主要靠轴承座来承受整个传动系统与剪切系统的重量。分析箱体受力的步骤如下：（1）建立新算例：点击Simulation按钮，建立一个新的算例，这样的目的是为了得到飞剪箱体在不同工作条件下的特性，通过施加载荷的大小、网格划分的程度来定义不同的工作情况。（2）选择材料：在进行有限元分析之前，必须对整个飞剪箱体添加材料，因为只有添加了材料才能根据不同材料的特性来进行性能分析，飞剪的两侧采用的是Q345，其余材料都是Q235A。（3）添加约束：夹具添加的正确与否直接影响到后面的求解结果，所以根据产品的实际情况，选择相应的夹具直接添加，因为对飞剪是进行静应力分析，所以将箱体最下面的钢板进行固定就可以，添加的载荷是固定几何体。（4）施加载荷：飞剪箱体主要受力的部位是轴承孔，在轴承孔上施加一个402480N（经过计算所得）垂直方向的载荷，再加上飞剪的重力，所以最后对其受到的力进行最大化，可得两个比较大的轴承孔所受的力是700kN，较小的轴承孔所受到的力是30kN。箱体载荷施加如图2所示。（5）划分网格：网格划分的大小直接影响分析结果的精确性。在定义材料、夹具固定、施加载荷不变的情况下，对网格进行细化，最大单元长度由原来的50mm变为30mm，最小单元长度由40mm变为6mm，然后对网格进行划分，最后分割得到1119057个节点、751930个单元，具体的网格划分如图3所示。2．1．4求解结果分析在定义材料、添加夹具、施加载荷、网格划分后进行求解。求解完成后得到箱体的应力云图、位移云图和安全系数云图。（1）箱体的应力云图如图4所示，最大应力值为75MPa，应力集中的位置在较薄钢板一侧，下曲柄轴承孔正下方的螺纹孔处。（2）箱体位移云图如图5所示，最大位移为0．056mm，小于断裂位移，可见整个箱体的位移量不是很大。（3）箱体安全系数云图如图6所示，最小的安全系数为3．3，最小的安全系数点在较薄钢板一侧，下曲柄轴承孔正下方的螺纹孔处，可见整个箱体的安全系数偏大。到此就完成了飞剪箱体的有限元分析，从分析的结果看，最大应力位置位于较薄一侧的下刀轴的轴承孔，位移最大位置位于较薄一侧的上刀轴轴承孔，最小安全系数为3．3，整个结构是偏安全的，所以从飞剪的有限元分析和整体结构来看，还是有很大的优化空间。所以接下来，将根据飞剪的整体结构对其箱体进行结构优化。

2．2箱体的优化设计

2．2．1对整个箱体进行结构上的重新布局本文主要是针对飞剪的箱体进行优化，同时不能改变其他零件的正常工作条件，这就需要保证齿轮轴与上下曲柄之间的中心距不变，箱体的宽度不变，然后再对箱体其余各部分进行优化。所以先要保证轴承座满足使用要求，然后对受力不大的地方进行优化，减小钢板的厚度，并改用Q235材料。根据有限元分析结果可以看到应力集中的位置处在下曲柄安装轴承孔的位置，为此在钢板较薄的一侧最下面先添加一个较薄的钢板，然后在此基础上对这一侧的轴承座下面添加两个加强筋，这样会增大轴承座的刚度和稳定性。上箱体也是如此，通过增加几个加强筋来进行箱体的加固。2．2．2对箱体材料进行合理选取材料的选取是飞剪箱体优化的关键，除了考虑材料的力学性能外，还需要考虑环保，材料的选择要满足产品绿色化的要求。飞剪箱体是焊接式箱体，所以选择的材料必须具有优良的焊接性能，原箱体所使用的材料是Q345和Q235，两种材料都具有良好的焊接性能，但是根据有限元分析的结果来看，其强度大、质量重，导致箱体的最小安全系数达到3．3，造成浪费。对比低碳钢的化学成分及其力学性能之后，选用Q295和Q195钢进行代替，焊丝H08MnMoA配合焊剂HJ431。这样产生的焊缝质量较好且不需预热，另外这两种材料的价格低，达到了降低成本的目的。

2．3对优化后的飞剪箱体进行仿真分析

2．3．1对优化后的箱体结构进行三维建模利用SolidWorks对优化设计之后的飞剪箱体进行三维建模，如图7所示。由图7可以看出，没有改变飞剪的主要框架，只是对原结构进行优化改进，使其符合轻量化的要求。接下来就可以对改变结构同时改变材料的箱体进行有限元分析，以验证优化后结构的合理性。2．3．2优化后箱体的仿真结果（1）箱体应力图如图8所示，最大的应力为73．5MPa，最大的应力点还是位于轴承孔下面的加强筋。加强筋的材料是Q195，屈服强度为195MPa，最大应力没有超过屈服极限。（2）箱体位移云图如图9所示，最大位移为0．12mm，小于断裂位移，最大的位移点是上箱体加强筋的顶点。（3）箱体安全系数云图如图10所示，最小安全系数降为2．369，但整体的结构还是稳定的，能够满足工作要求。

3结语

（1）基于SolidWorks软件Simulation功能对飞剪箱体进行有限元分析，从应力云图、位移云图、安全系数云图三方面对箱体的结构进行对比分析，从结构和钢板的厚度上对箱体的冗余部分进行了简化，并在应力集中的轴承孔处增加了加强筋，最终在满足工作强度的前提下减重33．8％，满足了轻量化的要求。（2）通过分析低合金高强度钢和低碳结构钢的化学成分和力学性能，选用焊接性能良好的Q295和Q195为箱体的主体材料，代替原来的Q345和Q235，一方面在满足使用要求的前提下降低了材料的性能，节约了成本，另一方面替换后的材料焊接时不需预热，节省能源，提高效率，满足了节能减排、绿色化生产的要求。

作者:马春平 帅全志 方华 郭翰韬 张丽英 单位:深圳市卓兴半导体科技有限公司 太重煤机有限公司 山西浩盛通达科技有限公司 太原供水集团有限公司 山西能源学院机电工程系