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基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 摘要 全电动注塑机是工业和民用产品的重要机械装备，其复杂的动力学响应 分析以及疲劳寿命预估是注塑装备向大型、高速方向发展所面临的重大课 题。由于工作环境以及复杂多变的工况条件，导致全电动注塑机在工作过程 中易产生复杂多变的动态冲击，这些动态冲击载荷最终将导致全电动注塑机 系统关键零部件以及整机钢结构产生疲劳破坏，而且业界普遍反映合模机构 故障率比较高，因此，研究全电动注塑机合模机构并预估其关键部件疲劳寿 命对全电动注塑机的日常维修和维护具有非常重要的意义。 为解决全电动注塑机动态冲击响应分析及合模机构关键部件疲劳寿命 预估问题，本文针对大型全电动注塑机，综合机械、材料、力学等相关理论， 以计算机仿真为手段，对全电动注塑机合模机构关键部件进行了结构优化研 究和疲劳寿命预估，本文包括以下主要研究内容： ( 1 ) 由于载荷传递经过的结构和部件将承受着更大的周期性动载荷的 冲击作用，更易产生疲劳破坏，因此，对模具部分关键零部件结构的工作特 性进行了研究。基于力学的相关理论，采用有限元分析方法分别建立零部件 有限元模型，并分析其典型工况下的静力学特性及其应力响应规律，在危险 节点处获得应力响应曲线和数据，为全电动注塑机疲劳寿命做出贡献，也为 寿命预估提供数据。 ( 2 ) 本文针对关电动注塑机合模机构关键部件，如拉杆，减速箱，前 支座以及整机等做了基于a n s y s w o r l ( b e n c h 的静力学分析，特别是对前支 座，在静力学分析的基础上对两种设计进行静力学分析，得出较好设计方案， 之后又对较好设计方案进行拓扑优化设计，再进行静力学分析，与优化前进 行对比，使应变和变形都大幅减小。 ( 3 ) 为全电动注塑机整体的疲劳寿命预估做前期准备，基于雨流计数 法分析和处理危险节点处的应力响应曲线，得到其幅值一频次直方图，对拉 杆进行寿命预估，再结合零部件的p - s - n 曲线，利用m i n e r 线性累积疲劳损 伤理论，后续完成对全电动注塑机整体的疲劳寿命预估。 本文对全电动注塑机合模机构关键零部件结构优化及疲劳寿命的研究， 对全电动注塑机的维护和保养具有一定的指导意义，其动态响应分析思想及 疲劳寿命预估方法亦可推广到其他机械的研究中。 关键字：全电动注塑机，疲劳寿命，有限元，应力谱，m i n e r 疲劳累积理论 n t h eo p t i m i z a t i o ns t u d yo ns h u t t i n gm o u l d s t r u c t u r eo fa l l e l e c t r i ci n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n eb a s e do na n s y s a b s t r a c t a l l e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei st h em a i ne q u i p m e n to fp o r t o p e r a t i o n ，a n di t sc o m p l e xd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n ds y s t e mr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o na r em a j o ri s s u e st h a tt h ea 1 1 e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ef a c e s i nt h ed e v e l o p m e n to fl a r g ea n dh i g h - s p e e d d u et oi t sc o m p l e xw o r k i n g c o n d i t i o n ，t h ea l l - e l e c t r i ci n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n es u s t a i n sl o t so fc o m p l e x d y n a m i ci m p a c t sw h i c hw i l le v e n t u a l l yc a u s et h ek e yp a r t sa n ds t e e ls t r u c t u r et o e m e r g ef a t i g u ed a m a g e s od e v e l o p m e n to nt h el a wo ft h ek e yp a r t s s t r e s s d i s t r i b u t i o na n di t sf a t i g u el i f em a k e ss i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ef o rt h ea l l - e l e c t r i c i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e t os o l v et h ep r o b l e mo ft h ed y n a m i ci m p u l s er e s p o n s ea n a l y s i sa n df a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n a b o u ta l l - e l e c t r i c i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，t h ep a p e r c o m p r e h e n s i v e sm a c h i n e r y , m a t e r i a l s ，m e c h a n i c a la n d o t h e rr e l a t e dt h e o r i e s ，t h e n d ow o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n d f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n b a s eo n c o m p u t e r s i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e sa sf o ll o w s ： f i r s t l y , d u et ot h ep a r t so nt h er o u t eo ft h el o a db e a rc o m p l e xi m p a c to ft h e d y n a m i cl o a d ，s o t h e ya r em o r el i k e l yt oe m e r g ef a t i g u ef l a wa n dd a m a g e ， t h e r e f o r e ，w et a k ear e s e a r c ho nw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ek e yp a r t sa n dt h e s t e e ls t r u c t u r eb a s eo nt h er e l a t e dt h e o r yo fm e c h a n i c u s et h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m e t h o dt oa n a l y z ei t s t y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o ft h es t a t i c m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n dt a k et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i st oo b t a i nt h e d a n g e r o u st e s tp o i n t s f a t i g u es t r e s sr e s p o n s ec u rv e t h i si st h ep r e c o n d i t i o nt o e s t i m a t et h em a c h i n e sl i f e t i m e s e c o n d l y ，b a s e do nt h ea n s y ss o f t w a r e ，t h ep a p e rd o e ss t a t i ca n a l y s i so n i i i t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ee l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e s ，s u c ha sr o d , s p e e dc h a n g i n gb o x ，f r o n ts u p p o r ta n do v e r a l lu n i t ，e t c e s p e c i a l l yo nt h ef r o n t s u p p o r t ，w e c o m et o b e u e rd e s i g nb e t w e e nt w oi d e a s ，t h e nd ot o p o l o g y o p t i m i z a t i o nd e s i g no ni t ，i ti sg o o dt om e e ts y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t h i r d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e l a t e dt h e o r yo ft h ef a t i g u eb r i e f l y a c c o r d i n g t om a c h i n e sf a t i g u es t r e s sr e s p o n s ec u r v e ，t h ep a p e rt a k e sa d v a n t a g e o fm i n e rf a t i g u e a c c u m u l a t i n gt h e o r y t oe s t i m a t et h ef a t i g u el i f eo ft h e a l l e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e i nt h ep a p e r t h er e s e a r c ho nt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h em o u l d s y s t e m sk e yp a r t sa n ds t e e ls t r u c t u r ea n dt h ee s t i m a t i o no ft h ea l l e l e c t r i c i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e f a t i g u el i f ew i l lt a k es o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei nt h e m a i n t e n a n c eo ft h em a c h i n e s ，a n di t sd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i si d e a sa n d p r e d i t i o nm e t h o do ff a t i g u el i f ec a nb ea p p l i e dt oo t h e rl i f t i n gm a c h i n e r yo r c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y k e yw o r d s - t h ea l l - e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，f a t i g u el i f e ，t h e f i n i t ee l e m e n t ，s t r e s ss p e c t r u m ，m i n e r f a t i g u ea c c u m u l a t i n gt h e o r y i v 基- f a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 1 绪论 1 1 全电动注塑机概述 1 1 1 课题来源与背景 改革开放以来，我国国民经济迅速增长，特别是进入2 1 世纪和加入w t o 以来，随 着产品消费结构不断向多元化，大型化方向发展，使得我国注塑机械产业在面临巨大的 市场和前所未有的机遇的同时，也面临一定的挑战1 1 1 。作为注塑机的重要设备，全电动 注塑机在现代化生产中的作用越来越重要，同时对全电动注塑机的性能要求也越来越高， 伴随着国际贸易全球化趋势，注塑机行业竞争也将越来越激烈，但这竞争归根结底表现 在科学技术的竞争，谁的产品越先进，性能越可靠，价格越实惠，谁就能占有更多的市 场f 2 l 。 全电动注塑机是目前世界上用于注塑塑胶产品的主要机械设备，自2 0 世纪8 0 年代 以来，全电动注塑机也向巨型化、高速化、自动化方向发展m 。全电动注塑机在作业过 程中一旦出现故障将造成比较严重的后果，特别是模具系统，占总故障率5 0 以上，首 先会降低了注塑机的生产效率，使全电动注塑机的声誉受到影响，更为严重的情况将会 造成生产事故，给人们带来生命和财产损失，为了及时发现故障，排除故障，提高全电 动注塑机的生产效率，对注塑机全电动注塑机进行实时监测诊断与维护维修就显得非常 重要。 全电动注塑机的结构如图1 1 所示，它主要包括：锁模系统，模具系统，注射系统， 动力系统，控制系统等。全电动注塑机在工作过程中将会产生各种动载荷，因此全电动 注塑机载荷传递路径上的零部件更容易产生各种破坏，如断裂、磨损以及疲劳破坏等。 因此可以根据全电动注塑机的工作原理以及载荷传递路线，确定其容易发生破坏的关键 零部件如：拉杆、变速箱齿轮，前支座以及整机钢结构，这些部件在全电动注塑机工作 过程中承受着主要工作载荷和各种动载荷冲击作用，更容易产生疲劳破坏。 所谓全电动式注塑机是指使用交流伺服电动机，配以滚珠丝杠、齿形带以及齿轮等 元器件来驱动各个机构的注塑机，其最根本的特点是所有驱动模块全部为电动式，而非 传统的液压式。全电动注塑机的故障一般会发生在其关键零部件上，比如电机、模具、 拉杆、变速箱、轴承等都是易损零部件。人们仅在设计领域对各零部件的刚度和强度给 予关注，而投入使用以后就很少对其进行实时监测，但由点蚀、磨损、疲劳等原因造成 的故障时有发生，不仅造成经济损失，而且也成为安全的隐患i 1 。基于以上情况，本研 究重点放在关键零部件及其整机钢结构的动力响应的模拟与仿真，力求准确地描述零部 件的载荷谱及其应力、应变规律，并根据其危险点的应力谱运用疲劳寿命相关理论知识， 对全电动注塑机关键零部件进行疲劳分析，并预估其使用寿命l s l 。 陕西科技大学硕士学位论文 合模机构 图卜1 全电动注塑机结构图 f i g 1 - ia l l - e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec h a r t 本论文以h t f 4 0 w 2 全电动注塑机为研究对象，针对研究对象的结构特点、工作环 境、载荷、工作强度等因素，以材料理论、力学理论、机械原理，机械设计，疲劳破坏 理论为基础，运用三维建模软件建立关键零部件实体几何模型，以有限元为工具分析关 键零部件在各种载荷组合( 基本载荷、附加载荷、特殊载荷) 下的动态特性，运用数据 处理软件将应力响应曲线进行数据处理，生成包含载荷幅值、均值和频次的幅值一频次直 方图1 6 l ，根据相关疲劳理论知识分析关键零部件的疲劳寿命以及破坏规律，为下一步工 作如传感器的布置、信号的采集、实时监控平台的建立提供指导。 1 1 2 课曩研究的目的 全电动注塑机在运行过程中始终会受到各种动载荷的作用，随着科学技术的发展， 其结构的相对重量和刚度不断减小，而注射速度提高使得全电动注塑机的动态特性分析 显得日臻重要。本课题根据材料力学、结构动力学的相关理论，结合全电动注塑机的工 况特点，对全电动注塑机的关键零部件以及整机钢结构的动力响应进行模拟与仿真，优 化结构，从而得到其在正常工作状态下的动力响应变化曲线等结果，分析预估其疲劳寿 命，为注塑机机械的维修维护提供指导。 1 1 3 谭：置的应用价值 大型注塑机是注塑产品生产的主要装备，机械结构失效以后，后果一般都很严重。 设备价格比较昂贵，安装、制造、调试时间比较长，使用和维护成本高，设备的报废和 更新使用时间到现在都没统一标准，所以准确科学地评估设备寿命，选择设备最佳维护 和更新时间相对于提高效率，确保安全生产，降低生产成本，提高经济效益等有很重要 的意义嘲。对大量注塑机结构事故的调研和分析结果表明，注塑机结构破坏事故的原因 主要有两个方面，其一是结构的稳定性问题，特别是构件的局部稳定性被破坏，进而引 2 基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 发结构的整体破坏。其二是疲劳问题，由于全电动注塑机的结构形式属于复杂的金属结 构，并长期在循环载荷作用下工作，势必削弱全电动注塑机钢结构的承载能力，最终导 致结构在交变载荷的作用下发生疲劳破坏，产生疲劳裂纹，在疲劳破坏的累积作用下， 裂纹不断扩展，直至剩余截面不能再承担负荷而突然断裂，从而导致结构的整体破坏1 6 1 。 所以科学系统地对全电动注塑机机械进行动态特性分析并进行疲劳寿命估算就显得非常 重要，对其正常运行和维修维护也有十分重要的意义【7 l 。 随着现代注塑装备的高新技术化，其结构日益复杂，功能也更加强大，各种信息技 术、控制技术、智能技术广泛应用其中，使得装备在日常使用中的维护维修问题日渐突 出，为保证机械结构的安全性，实时了解注塑设备工作状况，及时调整设备的运行条件 或采取适当积极的维护维修策略与措施，已成为注塑设备厂家和用户关注的重点i s 。对 于全电动注塑机械的维护和维修，仅仅靠使用者的力量已经很难完成装备的保障任务， 需要充分利用信息技术的研究成果，采用先进的维护方式，利用设计单位的技术优势和 专家资源，走产学研结合的道路，为注塑机械提供更为有效、强大的综合维护和维修保 障能力，使复杂装备随时处于良好的工作状态1 9 1 。 ： 1 2 注塑机械动态特性研究现状与发展动态 全电动注塑机是目前世界上注塑产品的主要机械生产设备，全电动注塑机以其固有 的优点，例如技术相对较为成熟可靠，干净环保等，使得国内外现有生产基地大多仍采 用全电动注塑机作为主要注塑设备。全电动注塑机的工作性质决定了它的传动系统必须 进行短暂频繁的双向运动，由于工作状态变化，零部件和结构将产生强烈的冲击和振动， 这就是通常所说的动载荷，动载荷不但和结构因素( 如系统的质量的分布矩阵，系统的 刚度和阻尼等) 有关，还与其运动方向和工作速度( 加速度) 有关，同时也与使用条件 ( 如外载荷大小及变化规律，有无冲击等) 有关。为计算方便，通常给予简化，用动载 系数( 动载荷与静载荷的比值) 表示，动载荷系数法是目前世界上许多著名的机械设计 规范所使用的主要方法，其实质仍是一种静力计算法。该法的使用主要凭借经验，存在 不够精确、过于单一的缺点，但由于该法思路简捷、使用方便易于普及等优点，使其仍 得到广泛的应用，但动载系数大小与实际使用情况差异较大。近年来计算机技术的广泛 应用给人们生产生活带来巨大变化同时，也大大推进了现代设计理念和方法的深刻变革， 计算机辅助设计的发展使得设计者有能力从传统的经验设计向定量设计转变，从传统的 静态设计向动态设计转变。由于数值分析方法取得巨大进展，使许多过去根本无法计算 的复杂动力学问题现在大多能在计算机上得到解答l i 】。 与此同时，国内外注塑机行业专业工作者也纷纷对注塑机的动载性能进行了大量的 研究工作。但是他们的研究方法多是根据实际机构情况，将往复机构简化成一个具有一 定质量和自由度的振动系统，建立其微分方程，然后借助于计算机进行仿真求解，得出 陕西科技大学硕士学位论文 相应曲线。对于这种方法，机构的简化是其首要任务，模型的简化是一个去除次要矛盾 和抓主要矛盾的过程，因此，注塑机的机构整体动态特性分析并未能够反映机构的多质 量动力学系统的特点，因此并未真正反映机构的动态特性。 模态分析是现代计算机技术及动态试验技术紧密联系而产生的一种动态分支学科。 原理是利用现实结构动态实验数据，经模态分析，再利用参数识别原理计算出系统的动 态参数及特性，所以建立动力学模型的精度比较高，相对客观反应动态特性。当前，外 国对模态分析理论和应用研究日趋深入，国内在对此研究正处在初始阶段，在理论方法 和应用上，获得显著成就，但是此法只对于实物存在机械的动态分析起作用l 】。 动态设计与仿真是一项正在发展中的新技术。航空、航天领域较早涉及到动态设计， 近几年，动态设计在汽车机床等领域也得到了蓬勃发展，而在工程机械领域包括注塑机 械，动态设计方法发展比较落后，随着计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善， 以及高档微机和计算机工作站的逐渐普及，现在已有许多优秀的有限元程序软件( 如 a n s y s 、a d 剐s 、n a s t r a n 、h t f p ) 可以利用，使用有限元法对注塑机机械进行动 力学分析也随之得到了发展。总结工作循环过程中各个构件的动力学响应规律可以对注 塑机设计规范中的某些不合理的系数或计算公式进行修正，因此动态设计方法的发展也 促进注塑机械设计的发展1 1 2 】。 1 3 结构疲劳失效原理及疲劳寿命预估的国内外研究现状 磨损、侵蚀及断裂是机械零件及工程构件中三种主要的破坏形式，也是零件及构件 失去作用的主要原因。在机械零零件中，由于磨损和侵蚀造成的损失是很难估算的。鉴 于磨损和腐蚀过程比较慢，通常可以经过定时维修和更换机械零件来解决，对于断裂这 种破坏形式，工程界非常重视1 1 3 】。断裂破坏大部分并不是由于零件强度不够导致的断裂， 而是由于结构出现疲劳裂纹并不断扩展而导致的断裂。工程上认为结构疲劳机理相当的 复杂，因此对结构疲劳寿命研究就显得很有价值。 1 9 4 5 年，美籍科学家m i n e r 在对疲劳累积损伤问题进行大量科学试验的基础上，将 p a l m g r e n 提出的线性累积损伤理论公式化，形成了p a l m g r e n - m i n e r 线性累积损伤理论， 此法则至今仍被广泛应用i - 6 l 。1 9 5 2 年，美国航管理局刘易斯研究所研究员c o f f i n 和 m a n s o n 进行大量试验，提出m a n s o n - c o f f m 方程，用来描述塑性应变及疲劳寿命之间的 关系，由此奠定了低周疲劳理论的基础l l ，从此关于疲劳现象本质的更精细化研究也由 此开始。自1 9 5 7 年i r w i n 提出线弹性断裂力学理论以来，科学家曾多次用应力强度因子 描述疲劳的裂纹扩展。1 9 6 3 年，美籍科学家p a d s 依托断裂力学的理论，写出p a r i s 公式 l - 叼，用来表述裂纹扩展规律，此公式给疲劳寿命的研究提出了一种新方法，发展了损伤 容限设计法，促进断裂力学及疲劳科学日渐逐渐结合。在1 9 7 1 年，w e t z e l 依据 m a n s o n - c o f f i n 方程明，以应力应变规律为基础，提出局部应变应力分析方法。 4 基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 现在，在微观机理方面，人们对疲劳裂纹的产生和扩展机理有了比较清晰的认识和 理解，并总结出了一些基本的理论方法和手段来系统地说明、评价和预测工程材料和结 构的疲劳寿命以及影响疲劳寿命的众多因莉2 0 1 。在疲劳试验方面，广泛使用概率统计方 法来进行试验设计及数据处理。在抗疲劳设计方面，提出以下四种疲劳设计法：无限寿 命设计、疲劳可靠性设计、有限寿命设计、损伤容限设计等1 1 3 1 l 。 结构疲劳寿命的预估方法虽然比较多，总结出来主要有两种方法：一类则从断裂力 学角度出发，分别计算裂纹的扩展寿命和形成寿命，规定裂纹成因的准则，疲劳破坏标 准等，进而计算结构的疲劳寿命。另外一类则从疲劳累积损伤出发，寻找应力应变等与 疲劳寿命关系，也即s - n 曲线，应用结构s - n 曲线即计算出结构疲劳寿命 i l l 。 求出结构的应力幅值和相应s - n 曲线后，进而易得载荷点寿命。但如有多级载荷情 况，必需要用到疲劳累积的损伤理论对单独使用各级载荷的作用所产生的影响进行叠加。 对于疲劳损伤定义有很多，损伤累积理论也很多。按疲劳累积的损伤规律，可提出疲劳 累积的损伤理论可为这三类：线性累积的损伤理论、修正线性疲劳累积损伤的理论和非 线性疲劳累积损伤的理论【2 0 l 。这三类疲劳的损伤累积理论都基于确定性，还有用于疲劳 可靠性分析的，也即疲劳的累积损伤的统计理论。线性的疲劳累积损伤理论原理是在循 环载荷作用下，疲劳损伤即可线性叠加，各应力间相互独立但不相关，如果累加损伤达 到某一预定数值，零件就会发生疲劳破坏。线性累积的损伤理论中最典型是 p a l m g r e n m i n e r 理论，也即m i n e r 理论l 。 1 4 全电动注塑机的疲劳寿命研究现状 ， 业界对全电动注塑机进行疲劳寿命预估分析研究时，由于受测试时间以及费用的限 制，在测试得到应力时间历程数据的过程中，其实只能测到很少应力数据，这就需要我 们根据全电动注塑机的应力分布的规律，推出一个工作循环周期内的应力谱。根据疲劳 统计学观点，认定作用在注塑机上应力幅是服从威布尔分布的。由于国内对全电动注塑 机的应力幅分布规律的研究不多，有可能会对该规律进行验证，但针对特定的全电动注 塑机，对应力幅的分布规律研究更少，并且应力谱的外推方法也很缺乏针对性。 现有文献关于全电动注塑机的疲劳寿命，一般都将得到的应力谱和构件疲劳寿命的 曲线，也即：( p - s - n ) 曲线，经整合而得到全电动注塑机的疲劳寿命，但测试得到的应力 数据由于受到各种外在环境的影响，误差可能较大。本文以大型全电动注塑机为研究对 象，通过分别建立系统关键零部件和整机钢结构的有限元模型，基于f e m 分析方法得 到其静力学和动力学工作特性。根据动力学分析结果得到危险点的应力时间历程曲线， 应用相关疲劳理论对全电动注塑机进行疲劳寿命评估。 1 5 本论文研究内容与技术路线 陕西科技大学硕士学位论文 1 5 1 本文研究的主要内容 本文以h t f 4 0 w 2 全电动注塑机为研究对象，以机械、力学等相关学科的理论知识 为基础，计算机仿真为手段，分别建立全电动注塑机关键零部件和整机钢结构的有限元 模型，并基于f e m 方法对其进行极端工况下的静力学和瞬态动力学响应分析，最后根 据动态响应结果，结合相关疲劳理论对全电动注塑机进行疲劳寿命预估。本文主要内容 如下： ( 1 ) 根据全电动注塑机载荷的传递路径，确定了要研究的对象包括：各项柱，减速 器，前支座，动模板以及整机钢结构，确定载荷时间曲线。 ( 2 ) 由于注塑系统有限元求解涉及到几何非线性问题，文章介绍了几何非线性问题 的有限元解法，并建立系统的动力学模型、几何模型以及有限元模型，对开合模机构进 行极端工况下的静力学和开闭工况下的瞬态动力学响应分析，得出模板变形、应力、应 变分布规律以及动态响应规律。查阅机械设计手册确定疲劳寿命的标准，为日常维护提 供了理论指导。 ( 3 ) 根据工作载荷的传递路径分别建立全电动注塑机模板及整机钢结构的力学模型 和有限元模型，对前支座进行拓扑优化分析，对整机进行模态分析，基于f e m 方法对 其分别进行静力学分析得到其应力应变规律，通过瞬态动力学分析得到其结构危险测点 的疲劳应力响应曲线，为其疲劳寿命的预估提供载荷数据保证。 ( 4 ) 介绍了疲劳寿命预估相关的理论知识，对拉杆的疲劳寿命进行了预估。对拉杆 的寿命预估主要是通过a n s y s 删6 r i e n c h 疲劳分析模块完成。对于整机钢结构的疲劳 寿命预估，本文只是对其进行部分准备工作，后续再进行分析研究。思路主要是利用 m a t l a b 软件编程处理危险测点的应力曲线得到各级应力的幅值频次直方图，再结合零部 件及其钢结构的p s - n 曲线利用m i n e r 线性累积损伤疲劳理论计算全电动注塑机钢结构 的疲劳寿命。 1 5 2 本文的技术路线 本文沿着全电动注塑机载荷的传递路径展开研究，确定本文要进行研究的对象，即： 关键零部件如拉杆，减速箱，前支座等。确定了具体的研究对象后，即可分别对其展开 分析研究。 图1 2 为本文技术路线流程图。具体的技术路线如下： ( 1 ) 首先根据全电动注塑机工作原理、结构尺寸、工作参数以及各零部件之间的装 配和传动关系分别建立要分析研究的关键零部件的几何模型，力学模型以及载荷特征( 包 括载荷时间历程关系曲线) 曲线。 ( 2 ) 根据关键零部件与整机钢结构的几何模型、力学模型以及载荷特征在 a n s y s w o r k b e n c h 工作环境中分别建立其有限元模型。 6 基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 ( 3 ) 基于f e m 方法对其进行极端工况下的静力学分析，得到其静力学工作特性， 即变形、应力、应变分布规律，并对前支座进行拓扑结构优化，为注塑机全电动注塑机 的管理维护提供理论指导。 ( 4 ) 基于f e m 方法对关键零部件的瞬态动力学响应分析，对拉杆进行疲劳寿命分 析，得到预估寿命，进而对动态响应的特性和关于危险节点应力响应曲线进行分析，后 续利用有关数据处理方法以和m i n e r 线性累积疲劳理论对全电动注塑机进行疲劳寿命预 估，得到全电动注塑机的剩余疲劳寿命，为全电动注塑机有针对性的定期维修维护提供 指导。 本文对全电动注塑机系统关键零部件进行静力学分析和优化设计，并按照疲劳寿命 理论对拉杆进行寿命预估，对全电动注塑机的维护和保养具有一定的指导意义，其动静 态分析思想及疲劳寿命预估方法亦可推广到其他机械或工程机械的研究中。 图1 - 2 技术路线流程图 f i g 1 - 2t e c h n o l o g i e sr o u t e sf l o w c h a r t 7 基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 2 全电动注塑机合模机构总体结构及载荷确定 根据注射装置和主轴的位置关系可分为立式和卧式，注射系统种类颇多，如下表2 - 1 所示。 表2 - 1 注射系统分类 t a b l e2 1l 亟e c t i o ns y s t e mc l a s s i f i c a t i o n 分类方式内容 塑化与注射配置方式 注射装置排列和数目 加工能力 用途 一线或者两线式 双注或三注塑座 超大型大型中型小型超小型 热固型排气型热塑型 全电动注塑机的注射系统基本上由伺服电机，滚珠丝杠，同步带或者减速器来组成， 合模装置的结构和采用的控制方法对制品的质量都起着决定性的影响，不仅如此，合模 装置的设计及工作性能还直接影响着制品的生产成本，因此，合模装置是注塑机中非常 关键的部分。全电动注射装置通常有两种驱动形式：皮带式驱动和直接驱动，显然，采 用皮带传动的方式，能获得较大的力矩，而且在出现过载等异常情况下能得到一定的过 载保护，但是带传动也有传动精度不高的弱点i ：，。直接驱动式的结构优点在于结构比较 紧凑，但是这种驱动方式要求电机具有转速低、转动力矩大的特性，而且这种方式下的 超载保护作用较弱，合模机构简图如下图2 1 所示。 图2 - 1 合模机构筒图 f i g 2 - 1s h u t t i n gm o u l ds t r u c t u r ec h a r t 四 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 注射系统基本参数和指标 全电动注塑机在生产过程中具有能耗低，精度高，噪音低，体积适当，造价低等有 点，结构参数如表2 - 2 所示。 表2 - 2h t f 4 0 w 2 注射系统技术指标和参数 t a b l e2 - 2h t f 4 0 w 2i n d i c a t o r sa n dp a r a m e t e r so fi n j e c t i o ns y s t e m 2 2 全电动注塑机载荷类型 全电动注塑机是目前世界上用塑胶件和汽车框架件的主要机械设备，伴随着国民经 济的发展，全电动注塑机不断向大型化、高速、重载方向发展1 。由于全电动注塑机在 工作过程中伴随着开合模，填料，机械手运动等工况造成的冲击动载荷的作用，使得全 电动注塑机的载荷状况非常复杂2 i l 。全电动注塑机所承受的各种载荷是对其进行设计分 析的基础，同时也是对全电动注塑机进行寿命预估的前提。 2 2 1 全电动注塑机的载荷分类 作用在全电动注塑机上的载荷类型主要可分为基本载荷、附加载荷、特殊载荷等三 类l 蚓。 基本载荷是指始终和经常作用在全电动注塑机结构上的载荷，全电动注塑机工作时 必然要出现的载荷，其主要包括：( 1 ) 自重载荷：自重载荷包括全电动注塑机的金属结 构、机电设备、以及附设在全电动注塑机上的料斗，上料装置及其物料的重力载荷。在 方案设计和总体计算时，自重载荷可视作集中力作用在相应部件的质心上。( 2 ) 动力载 荷：全电动注塑机的动力载荷包括惯性载荷、振动载荷及冲击载荷。全电动注塑机各工 1 0 基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 作机构在运行加速过程、减速过程，以及模具开闭工况中都会产生动载荷。 附加载荷是指全电动注塑机在工作过程中受到的非经常性载荷，包括：( 1 ) 非经常 性动载荷：加速或制动时运动构件产生的水平惯性载荷。( 2 ) 根据实际情况需要加以考 虑的安装载荷、温度载荷等。 特殊载荷指全电动注塑机处于非工作状态时可能受到的最大载荷或工作状态下偶然 受到的不利载荷，包括：( 1 ) 非工作状态下的人为载荷；( 2 ) 根据实际情况需要加以考 虑的地震载荷及某些工艺性载荷等。 2 2 2 计算载荷的组合类型 全电动注塑机是注塑机械的一种，是目前世界上用于注塑的主要机械设备。它具有 所有注塑机械特有的短暂、重复、载荷多变及周期性工作的特点，为了使全电动注塑机 工作更安全可靠，制造成本较高，必须在总体设计、校核性计算及其机构传动零件的强 度及其疲劳寿命计算时，将各种载荷按不同的工况进行科学合理的组合，作为不同计算 目的的计算载荷洲。 ( 1 ) 正常工作状态下的正常载荷组合( i 类计算载荷) ，这是全电动注塑机正常工 作时需要经常作用的一类载荷，按这种载荷组合所得到的计算载荷来进行零件的疲劳、 磨损、发热等计算。在进行第一类载荷计算时，对变化的载荷不能按最大值考虑，而应 该按等效值计算。 ( 2 ) 最不利工作状况下的最大载荷组合( i i 类计算载荷) ，这类载荷是全电动注塑 机在工作中有可能出现的最大载荷。按这类载荷组合所得到的计算载荷来进行整机抗颠 覆稳定性计算以及零部件的静强度计算等。 ( 3 ) 非工作状态下的最大载荷组合( 类计算载荷) ，这类载荷是指全电动注塑机 在非工作状态下有可能遇到的最大载荷，按这种受载情况进行载荷组合所得到的计算载 荷值，用来对全电动注塑机的自身抗倾覆稳定性、支承零部件的静强度等进行计算或校 核。运输载荷、试验载荷、安装载荷等也属于非工作状态下i i i 类计算载荷，应视具体情 况将可能出现的载荷进行合理的组合，进行相应的校核性计算。 2 3 全电动注塑机的载荷确定 全电动注塑机两种运行状态：一种是稳定运行状态，在这种情况下，全电动注塑机 的运行是稳定的周期性的运动；另一种状态属于瞬时状态，在这种状态下，全电动注塑 机运动呈非周期状态，机械的起动、停车或在意外事故时，就呈现瞬时状忽：s l 。 全电动注塑机外部输入载荷是其进行动力学特性分析的先决条件，也是对其合模机 构关键零部件工作特性研究的前提条件，因此需对全电动注塑机一个工作循环内各工况 下的载荷特征进行研究。但目前对全电动注塑机载荷的计算还没有统一的标准，传统上 陕西科技大学硕士学位论文 通常采用组合载荷的方式对全电动注塑机进行设计、验算以及校核。这种方法优点在于 计算简单，但缺点是选择载荷大小和选择载荷组合方式时有较多主观臆断，导致零部件 和整机钢结构的动态响应与实际测试结果有较大的差别。 本章以i - i t f 4 0 w 2 全电动注塑机为研究对象，如图2 - 2 所示，分析其工作原理与各 工况载荷特征，根据其结构与工作参数计算全电动注塑机一个工作循环状态下各个运行 阶段关键零部件所受力状况，为分析全电动注塑机整机钢结构及其关键零部件随时间变 化的动态响 斟2 - 2 全电动注望机局部图 f i g 2 - 2a l l - e l e c t r i c l n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ep a r t i a lc h s r t 全电动注塑机由于其工作环境以及工况要求的不同，作用于其上的载荷也是多种多 样的，有的是有规律的可以控制的：有的载荷则是无规律不可控制的。工程上对变载荷 按照其载荷历程的不同，可分为稳定的变载荷、规律性稳定变载荷和随机载荷，前2 种 载荷是按一定规律变化的、可以重复的载荷，可用一定的数学公式来描述。随机载荷是 无规则的、不能重复的载荷，只能进行统计描述蛔。研究各种不同性质载荷的形成与变 异，各种不同类型载荷的确定方法，是全电动注塑机机构以及疲劳寿命分析最重要的任 务之一。 准确描述全电动注塑机的工作流程是对全电动注塑机传动系统负载分析的基础。全 电动注塑机一个工作循环包括：全电动注塑机的基本参数：母模( m ) ：1 8 3 t ：公模：1 8 5 t 1 2 基于a n s y s 的全电动注塑机合模机构优化研究 结合文献【4 】中关于求解全电动注塑机各工况载荷时间历程的相关思想方法及全电 动注塑机的相关参数，分析计算全电动注塑机在最大生产效率下一个周期循环时间内模 具的载荷时间历程。 ( 1 ) 母模进给运行工况 母模是以a = 1 1 m s 2 的加速度减速下降的。故该工况下母模受力： m ( g + 口) 8 5 m g 1 5 互= t m ( g + a ) x 8 5 一二工2 手工2 ， 8 o o ( 2 1 ) 28 五= 8 4 8 5 - 8 9 力k n , 0 t 8 0 0 ( 2 2 ) 设加速度为0 1 ( t s 2 ) ，减速度为a ：( t s 2 ) ，借鉴位移加速度公式可列方程如下： 圭q r l 2 + q f l f 2 + 三口2 ，3 2 = 肌 ( 2 3 ) 【口l ，l = a a ；? 得到：a l = 1 3 3 ，a 2 = 2 4 5 。 ( 单位：吨) ： l o 6 7 ，2 0 ， 4 2 2 ： 朋( ，) = 一11 8 9 + 5 6 3 f ，4 2 2 t 5 7 0 ( 2 4 ) 1 2 6 7 1 2 2 ( 8 一，) 2 ， 5 7 0 ， 8 0 0 故母模受力： l 1 1 4 9 8 + 8 9 2 t + 3 2 9 t 2 七0 ， 4 2 2 晟：一m ( g + a ) - 2 f 1 + m ( t ) g ：j - - 4 3 2 8 + 3 6 5 4 t k n , 1 4 2 2 f 5 7 0 ( 2 5 ) 1 1 4 5 9 4 + 8 9 2 t 一5 9 8 ( 8 一，) 2 妇v ，5 7 0 s t 8 0 0 ( 2 ) 母模回程工况 母模加速回程时： f i 2 - 丁m ( g - a ) = 1 8 3 ( 9 8 r 1 - 1 一2 0 ) = 7 8 7 8 埘 ( 2 6 ) 故有： e = 5 2x 1 5 = 1 1 8 1k n ，2 7 1 9 r 2 9 8 6( 2 6 ) e = 巧2 一e = 6 6 9 6k n ， 2 7 1 9 ， 2 9 8 6 母模匀速回程时： e = t m g x l 5 = 1 3 4 6 k n ， 2 9 8 6 ， 3 4 2 7 1 3 ( 2 6 ) ( 2 6 ) 陕西科技大学硕士学位论文 互= 警一五= 7 6 3 0 抛2 9 8 6 纵3 4 2 7 母模减速回程时： 故有， 即： 不： e 1 2 - = 半产= 型掣业瑚8 3 k n f 2 = e 2 x 1 5 = 1 4 9 7k n ，3 4 2 7 ， 3 7 1 9 f x = 点2 一e = 8 4 8 5k n , 3 4 2 7 ， 3 7 1 9 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 另外，在t = 2 6 4 3 至t = 2 7 1 9 期间，母模是匀速水平运行的，此时，母模受力状况， 最= t m g x l 5 = 1 3 4 6 埘， 2 6 4 3 f 2 7 1 9 互= 警一览= 7 6 3 0 k n ，2 6 4 3 纵2 7 1 9 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 至此，即可求出全电动注塑机一个工作循环周期内母模的受力情况，如下图2 3 所 图2 -