卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化_林玉龙.pdf

PRINTING AND DIGITAL MEDIA TECHNOLOGY STUDY Tol.223 No.2 2023.04印刷与数字媒体技术研究 2023年第2期（总第223期）RESEARCH PAPERS研究论文卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化林玉龙，姜 涵，张天浩，齐元胜*（北京印刷学院 机电工程学院，北京 102600）摘要 本研究针对N160型卷筒纸折页机构在高速运行条件下砍刀臂根部容易损坏的问题进行了分析，建立了折页机构含微小运动副间隙的有限元动力学模型，分析发现砍刀臂结构具有足够的强度。搭建了振动测试系统，对砍刀臂根部车间作业下的实际振动情况进行测试；通过比较其工作频率和固有频率，发现在36000r/h的转速下砍刀臂结构会发生共振。通过拓扑优化，对砍刀臂的结构进行了改进，改进后的双臂桁架结构在保证了强度的同时也满足了刚度要求。最后进行了初步的车间试验，验证了新结构的合理性。关键词 刀式折页机构；强度计算；约束模态；振动测试；结构优化中图分类号 TH113;TH114;TS803文献标识码 A文章编号 2097-2474(2023)02-108-09DOI 10.19370/10-1886/ts.2023.02.013Damage Analysis and Structural Optimization of Machete Arm for Web Folding MechanismLIN Yu-long,JIANG Han,ZHANG Tian-hao,QI Yuan-sheng*(School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China)Abstract This study investigated the problem that the web folding mechanism was prone to damage at the root of the machete arm under high speed operating conditions.The finite dynamic analysis of the folding mechanism was carried out,which was found that the structure of machete arm has enough strength.A vibration testing system was set up to test the actual vibration at the root of machete arm.By comparing the working frequencies with the natural frequencies,it was found resonance would occur at the rotational speed of 36000r/h.The structure of the machete arm was improved by topology optimization.The improved double-arm truss structure of machete arm ensured strength while avoiding the resonant region of natural frequencies.Preliminary workshop test was carried out to verify the rationality of the new structure.Key words Knife folding mechanism;Strength calculation;Constrained mode;Vibration test;Structural optimization收稿日期：2022-04-14 修回日期：2022-05-25 *为通讯作者项目来源：国家重点研发计划(No.2019YFB1707202)；北京印刷学院博士启动金项目(No.27170120003/018)本文引用格式：林玉龙，姜涵，张天浩，等.卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化J.印刷与数字媒体技术研究，2023，(2)：108-116.2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1082023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1082023/3/27 16:05:512023/3/27 16:05:51109研究论文林玉龙等：卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化0 引言卷筒纸折页机是卷筒纸印刷机联动线上一个不可或缺的单元，通过三角板对纸张进行第一次对折，并通过裁切滚筒、折页滚筒和出页滚筒的相互配合，把一整条纸带自动折成八开或十六开，大大提高了报纸或书刊印刷的速度。近年来，随着原材料成本及人力成本的不断提升，各印刷企业为了保证利润，对印刷速度的要求越来越高；但印刷速度的提高却带来了可靠性和稳定性的问题。例如，N160型印刷机组的刀式折页机构，在转速25000r/h工况下工作稳定，但当转速提高到36000r/h时，折页机构便会出现问题，砍刀臂的根部区域在很短的时间内就会出现裂纹，发生破坏。针对刀式折页四杆机构，国内外很多学者进行了相关的研究。袁英才等1-2为了提高折页机构的工作稳定性，进行了卷筒纸印刷机含间隙折页机构的稳健设计；李壮举等3 将运动副间隙假设为无质量的刚性杆，建立了卷筒纸印刷机折页机构间隙动力学模型，采用非线性系统直接积分法进行了求解；Wang等4以几何参数为设计变量，采用稳健优化设计理论对平面四杆机构进行了设计；Selcuk等5用刚性杆表示运动副间隙，对含运动副间隙的四杆机构进行了动力学计算与 分析。然而，上述研究主要集中在理论分析和设计方面，对于刀式折页机构提速后关键零部件发生破坏的实际工程问题还鲜有报道。N160印刷机组的十六开刀式折页机构提速后砍刀臂易发生破坏的问题，严重影响了印刷企业的生产效益。本研究针对该问题，探究折页机构提速后砍刀臂发生破坏的原因并给出相应的结构改进方法，以期解决这一制约企业发展的关键技术问题。1 折页机构的强度分析1.1 折页机构结构N160型印刷机组的十六开折页机构的实物及结构图如图1所示，砍刀装在四杆机构中的摇杆上，利用摇杆往复摆动中小段弧度近似直线的特性，在摇杆极限位置完成折页动作。通过建立折页机构的有限元动力学模型，提取砍刀臂的应力变化，考察砍刀臂的强度。4321675a.实物图1变速箱；2连杆；3砍刀；4辊子；5飞轮；6砍刀臂；7刀体座b.结构图图1 折页机构实物及结构图Fig.1 Picture and structure diagram of folding mechanism1.2 含运动副间隙的折页机构有限元动力学分析在机械系统中，两个活动构件需要运动副连接，但由于加工、制造过程中存在误差，会使运动副产生间隙。运动副间隙的存在破坏了理想机构模型，会使机构的运动学和动力学发生变化，因此有必要对折页机构含运动副间隙时的运动特性进行研究。连续接触模型、两状态非连续接触模型和多状态非连续接触模型是针对运动副间隙研究比较公认的三种模型6。然而，连续接触模型很难反映出运动副间隙中的碰撞和冲击问题；两状态非连续接触模型对于转动副间隙计算量大，且计算结果容易发散；多状态非连续接触模型既要保持算法上的连续，又要准确反映机构的各状态真实情况，实现起来十分困难。随着计算机技术的发展，数值模拟在分析运动副接触方面显现出了较大的优势7；本研究利用ANSYS软件的赫兹弹性接触理论来计算运动副的接触，建立折页机构含运动副间隙的有限元动力学模型考察砍刀臂的强度。1.2.1 有限元模型构建有限元模型直接影响计算结果，因此需考虑模型的简化、网格数目、单元类型、网格质量等因素。几何清理是影响有限元模型精度的关键因素，将折页机构中较小的过渡圆角和倒圆角等效为直角；忽略模型中的非重点部位螺栓孔。2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1092023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1092023/3/27 16:05:512023/3/27 16:05:51110印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）1）从材料库设置材料属性并赋予至各个构件，材料类型为45#钢。2）设置各构件的接触类型，如图2所示。连杆与砍刀臂顶端通过204222滚针轴承连接，砍刀臂底端与刀体座通过406222滚针轴承连接，轴承与销轴之间均留有0.05mm间隙6；轴承与销轴之间添加摩擦副Frictional，它可以用来模拟间隙8，摩擦系数设为0.3。共添加21个固定副，3个摩擦副和4个旋转副。图2 设置接触（部分）Fig.2 Contact setting(part)3）单元类型及网格划分。砍刀臂是薄壁结构，厚度为8mm，其厚度方向上的尺寸远小于在长度和宽度上的尺寸，因此采用Shell181单元进行模拟分析，在Geometry里插入Commands，通过APDL命令来设定9；其余部分采用solid186单元；以六面体网格为主，四面体网格填补的原则进行网格划分，最小单元尺寸为1mm。4）设置边界条件。施加系统重力，设置齿轮箱轴的转速，给底座设置固定支撑，为轴承位置设置弹性支撑，以表征齿轮箱轴的微小形变。5）选择结构的变形和受力为观察对象进行求解。1.2.2 有限元结果分析折页机构有限元动力学分析结果显示：最大等效应力出现在砍刀臂的弯折处，25000r/h转速下砍刀臂的最大等效应力为5.94MPa，36000r/h转速下砍刀臂的最大等效应力为12.71Mpa（如图3）；当齿轮箱输出轴转速由25000r/h提升到36000r/h时，折页机构在转速提升后各结构变形均有明显的增加，但变形量总体较小；应力水平也有明显增加，但最大等效应力均在15MPa以内，远小于材料的屈服强度。有限元动力学结果表明，砍刀臂所受应力远小于材料的屈服极限，可以判断砍刀臂根部的破坏并非由受力问题引起，砍刀臂结构具有足够的强度。a.转速25000r/hb.转速36000r/h0.0419640.0209843.2566e-6 Min0.0629450.0839250.104510.78391.5532.96334.37375.7847.19438.604610.01512.712 Max0.0419660.020001.3733e-5 Min0.0529420.0889160.104800.125970.50571.50551.22442.33882.55223.5454.77005.9377 Max图3 折页机构应力云图Fig.3 Stress diagram of folding mechanism2 砍刀臂模态分析砍刀臂除了有强度要求，能够承受一定的力外，还要有刚度要求。根据振动理论，当结构所受外界激励频率与某阶模态固有频率相接近时，系统振幅会明显增大，即发生共振。共振会引起机械结构很大的变形和动应力，造成严重的破坏10。模态分析有助于了解折页机构的振动及固有频率、振型等特性，方便考察折页机构的固有频率与工作频率之间的关系，避免结构固有频率在工作频率的范围内引起共振。2.1 模态理论分析具有结构阻尼的n自由度系统振动微分方程可描述为11：Mx+（K+jG）x=Fejwt（1）如果结构阻尼矩阵G满足式(2)，则称为结构比例阻尼，能在模态坐标中对角化。G=M+K（2）当系统自由振动时，外部激励取为0，则式(1)可以表示为 Mx+（K+jG）x=0（3）通过设特解解特征方程，解得n个实特征向量i，然后进行归一处理，i即为模态振型，且2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1102023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1102023/3/27 16:05:522023/3/27 16:05:52111研究论文林玉龙等：卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化 i=1i 2imiT（i=1,2n）（4）将n个特征向量i按列排成一个nn阶矩阵，即为系统的模态矩阵。式(1)式(3)中，x、x为物理坐标描述的位移列阵和加速度列阵，n阶；F为外部激励列阵，n阶；M为系统的质量矩阵，nn阶；G为系统的结构阻尼矩阵，nn阶；（K+jG）为系统的复刚度矩阵，nn阶复对阵矩阵；为与系统外阻尼有关的常数；为与系统内阻尼有关的常数。2.2 折页机构模态分析2.2.1 边界条件设置根据边界条件不同，模态分析可分为自由模态和约束模态。自由模态不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有大致了解，是对结构固有动态特性所做的一般性分析，但在真实情况下不会发生12。要准确预估结构的动态特性，需要根据实际结构和受力形式对分析模型施加正确的边界条件，即进行约束模态分析。对于任何系统，如果改变它的边界条件，那么它的动态特性也会随之改变，不同的约束条件会显著影响系统模态频率及振型13。对折页机构进行约束模态分析，必须严格遵循实际的约束条件。在ADAMS软件中建立折页机构的虚拟样机来提取砍刀臂的受载（如图4）。将折页机构三维模型以x-t格式导入ADAMS软件中，设置材料属性Steel，添加约束（共添加21个固定副，4个旋转副）、运动副摩擦和重力，添加驱动（飞轮的转速为36000r/h），选择步长1000步，时间0.1s（砍刀臂运动一个周期）进行仿真分析。砍刀臂顶端与连杆铰接，砍刀臂底端与刀体座铰接，在折页机构虚拟样机的后处理器中提取砍刀臂铰接处的受载，如图5和图6所示（Fx,Fy,Fz是沿x,y,z三个方向的力，Tx,Ty,Tz是沿x,y,z三个方向的转矩）。由图5和图6可知，砍刀臂顶端和底端均受到支座x、y、z轴三个方向的力和沿x轴、y轴方向的转矩，没有沿z轴方向的转矩；因此，砍刀臂受到沿x、y、z轴的移动约束，沿x、y轴的转动约束，仅有沿z轴的转动自由度（坐标轴方向如图4所示）。2.2.2 模态分析结果在工程应用中，低阶模态对折页机构结构的动图4 折页机构虚拟样机Fig.4 Virtual prototype of folding mechanism10005000-500-1000-1500力(N)0.020.040.060.080.10时间(s)a.力FxFyFz6040200-20-40力矩(Nm)0.020.040.060.080.10时间(s)b.力矩TxTyTz 图5 砍刀臂顶端的受载Fig.5 Load on the top of machete arm4002000-200-400力(N)0.020.040.060.080.10时间(s)a.力200150100500-100-50力矩(Nm)0.020.040.060.080.10时间(s)b.力矩FxFyFzTxTyTz图6 砍刀臂底端的受载Fig.6 Load on the bottom end of machete arm2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1112023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1112023/3/27 16:05:522023/3/27 16:05:52112印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）态特性影响较大，低阶振型对折页机构结构的稳定性和强度失效具有重要的作用。高频振动一般远离折页机构低阶振动频率，同时折页机构振动的高频成分的振幅较小，瞬态响应分量衰减较快，更容易使系统趋于稳定，其对于折页机构的破坏影响明显小于低频振动成分。限制砍刀臂顶端和底端沿x、y、z轴的移动自由度和沿x、y轴的转动自由度，进行砍刀臂的约束模态分析。选择Block Lanczos算法14提取砍刀臂的前6阶固有频率和振型（见表1）。表1 砍刀臂前6阶固有频率值及振型描述Tab.1 Description of the first 6 natural frequencies and vibration modes of the machete arm模态阶数固有频率值(Hz)主振型1142.12振型为扭转变形，砍刀臂左右扭转2331.09振型为弯曲变形，砍刀臂前端上下弯曲3591.91振型为扭转变形，砍刀臂前端左右扭转4956.83振型为弯曲变形，砍刀臂上下弯曲51001.60振型为弯扭变形，砍刀臂前端弯曲加扭转61125.90振型为弯扭变形，砍刀臂中端弯曲加扭转2.3 折页机构振动特性分析2.3.1 折页机构振动测试本研究对折页机构车间作业下的实际振动情况进行测试，搭建振动测试系统测量砍刀臂根部区域的垂向加速度。振动试验采用测试仪器为：INV3020动态信号采集仪一台，采用全屏蔽机箱，具有较好的抗干扰能力，内置嵌入式电脑模块和硬盘存储；INV9824加速度传感器1个，频率范围为115kHz，灵敏度5mV/g；多通道信号采集和实时分析软件DASP V11一套，可以方便对采集数据进行分析和处理；笔记本电脑一台；M5-BNC导线及BNC-BNC接头若干。测试所用硬件装置及软件采集程序如图7所示。测试时间为2020年9月，试验对象为N160型印刷机组的折页机构，试验工况为：折页机构转速25000r/h；折页机构转速36000r/h。待折页机构运行平稳后开始数据采集，采样频率为10kHz，每次采集30s数据。图7 振动测试试验Fig.7 Vibration test2.3.2 折页机构振动信号分析试验采集到的折页机构砍刀臂根部区域两种工况下的振动时域信号如图8所示。a.工况一10.020.030.00.0-1.50-1.0-0.500.00.501.01.50时间(s)幅值(g)b.工况二10.020.030.00.0-10.0-5.00.05.010.0时间(s)幅值(g)图8 砍刀臂根部振动信号Fig.8 Vibration signal at the root of machete arm由图8的振动时域信号可知，在工况一下，砍刀臂根部总体振动信号比较平稳，总体振幅较小，其垂向加速度最大值、最小值的绝对值均在1.5g以内，有效值和标准差均在0.3g以内；在工况二下，砍刀臂根部的振动情况比较剧烈，其垂向加速度最大值、最小值的绝对值均在5g以上，有效值和标准差均在3g以上，波形振幅大且较离散，偏心机构（飞轮）对砍刀臂的冲击作用显著。对于上述振动信号，功率谱分析方法能较好的突出频谱中的主频成分15，为研究振动信号中对砍刀臂振动特性影响较大的低频振动，滤波200Hz以上的高频干扰信号，获得振动信号的功率谱密度如图9所示。工程中通常取系统固有频率的0.751.25倍的区间为共振区16。折页机构在工况一下砍刀臂的工作 a.工况一408016012020000.00.010.020.030.040.05时间(s)功率谱密度(g2/Hz)408016012020000.01.00.51.52.02.510-23.0功率谱密度(g2/Hz)b.工况二时间(s)图9 砍刀臂根部振动信号的功率谱密度Fig.9 Power spectral density of vibration signal at the root of machete arm2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1122023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1122023/3/27 16:05:522023/3/27 16:05:52113研究论文林玉龙等：卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化振动主频均小于20Hz，远离折页机构固有频率的共振区；折页机构在工况二下，多数工作主频均在50Hz以下，但有一工作主频135.83Hz与砍刀臂的一阶固有频率接近，会发生共振现象，这可能是造成砍刀臂根部发生破坏的原因。3 砍刀臂结构改进3.1 拓扑优化模型砍刀臂在工作过程中发生共振现象，因此需要对其结构进行优化，改变结构的刚度，使结构的固有频率避开工作主频。由折页机构的强度分析可知，在工作过程中，砍刀臂所受应力远小于材料的屈服强度，砍刀臂材料存在较大冗余；因此，采用拓扑优化对砍刀臂的结构进行改进。拓扑优化17-18是优化设计的一种，属于结构形状优化，它根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式，其目标为寻找承受单载荷或多载荷的物体最佳材料分配方案。拓扑优化以变形能最小为目标函数，变形能直接反映刚度，结构的变形能由式(5)决定19：C=LTD=DTKD（5）式(5)中，C为结构柔顺度，L为载荷矢量，K为总刚度矩阵，D为位移矢量。则以变形能最小为目标函数的拓扑优化数学模型为：find X=(X1,X2,XN)Tmin C=LTDS.t.f=(V-V1)/V00XminXeXmaxL=KD（6）3.2 优化模型设置采用ANSYS软件的Shape Optimization模块进行拓扑优化20-21，其优化步骤如图10所示。三维拓扑优化计算的网格类型只有SOLID92和SOLID95及其他的接触类网格，本研究采用SOLID95类型；由于砍刀臂的结构比较规则，以六面体网格为主，四面体网格填补的原则进行网格划分。边界条件的设置是极其重要的环节，砍刀臂顶端与连杆铰接，砍刀臂底端与刀体座铰接，提取折页机构虚拟样机中砍刀臂铰接处的受载（如图5和图6）作为优化模型的输入条件。根据拓扑优化的多次参数迭代分析，当材料的百分比大于70%时收敛性较好，超过90%时百分比过大而无法收敛，本研究将减少材料的百分比设置为80%，以柔顺度为目标函数，体积为约束函数。图5和图6中砍刀臂的受载，每0.01s取一组数据作为优化分析的边界条件，共进行10次优化计算；10次结果去除材料的重叠部分如图11所示。a.砍刀臂侧面b.砍刀臂背面150.0050.000.00100.00200.00(mm)150.0050.000.00100.00200.00(mm)ZXYXYKeepMarginalRemoveKeepMarginalRemove图11 拓扑优化结果Fig.11 Topology optimization results根据拓扑优化结果对砍刀臂结构进行改进。由图11a可知，砍刀臂侧面主要由上下两侧承受载荷，中间区域材料过盈，将这部分材料去除，臂厚仍为8mm；由图11b可知，砍刀臂背面也是主要由两侧承受载荷，中间区域材料过盈，将这部分材料去除，变为双臂结构，每个臂的宽度为原来结构的1/3，即16mm；砍刀臂顶部需要保留现有的结构来安装刀图10 拓扑优化过程Fig.10 Topology optimization process2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1132023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1132023/3/27 16:05:532023/3/27 16:05:53114印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）片，底部的圆柱结构与刀体座的长轴通过轴承连接，为了保证作业过程中的安全性和清洁性，保留这部分材料。改进后的双臂中空结构砍刀臂结构如图12所示，其质量为5.21kg，较原结构质量减小45.78%。图12 双臂中空结构砍刀臂Fig.12 Double arm hollow structure of machete arm3.3 砍刀臂新结构模态分析3.3.1 中空结构砍刀臂同前述方法对改进后的双臂中空结构砍刀臂进行约束模态计算，提取砍刀臂的前6阶固有频率及阵型（见表2）。表2 中空结构砍刀臂前6阶固有频率值及振型描述Tab.2 Description of the first 6 natural frequencies and vibration modes of hollow structure machete arm模态阶数固有频率值(Hz)主振型1 49.88振型为扭转变形，砍刀臂左右扭转2 169.25振型为弯曲变形，砍刀臂顶部上下弯曲3 318.40振型为弯曲变形，砍刀臂上下弯曲4 464.80振型为扭转变形，砍刀臂中部对称扭转5 493.44振型为扭转变形，砍刀臂中部左右扭转6 521.31振型为弯扭变形，砍刀臂中端弯曲加扭转由表1和表2可知，改进后的双臂中空结构砍刀臂的各阶模态的固有频率有所减小，但仍远大于工况一下的工作主频；双臂中空结构砍刀臂的一阶固有频率接近工况二下的工作主频45.27Hz，二阶固有频率接近工作主频135.83Hz，结构依然会发生共振。对于砍刀臂这种跨度较大的长臂结构，可以采用桁架结构来适当改变刚度以避开工作主频。3.3.2 桁架结构砍刀臂文献22通过对六种桁架结构形式的内力分布，节点挠度变化及用钢量的对比分析发现：倒三角形的全斜腹杆式结构的优势最明显，是应该被优先考虑的结构形式。本研究选择全斜腹杆式桁架结构来改变砍刀臂的结构刚度，将其置于砍刀臂中空部分竖直方向的对称中心面上；全斜腹杆式桁架倒三角单元形状选择为等边三角形，等边三角形的高度等于拓扑优化后的双臂结构中空部分的高度，值为26mm；每个臂的宽度为16mm，所以三角单元的杆宽不大于16mm；将杆宽等分为4水平，杆厚为杆宽的一半，等分为4水平，以砍刀臂的前6阶模态固有频率为评价指标，进行2因素4水平试验，以确定三角单元杆宽和杆厚的最佳参数。试验因素水平见表3。表3 试验因素与水平Tab.3 Test factors and levels水平因素A三角单元杆厚（mm）因素B三角单元杆宽（mm）12424836124816本研究共进行16组约束模态分析试验，对比结果发现：当三角单元的杆厚为4mm，杆宽为8mm时，全斜腹杆式桁架结构砍刀臂的一阶固有频率为87.481Hz，其共振区为65.61109.35Hz，避开了工况二下的工作主频45.27Hz和135.83Hz，二阶固有频率为424.29Hz，也远大于各工作主频，结构不会发生共振。对该砍刀臂进行有限元动力学分析，结果显示该结构依然具有足够强度。最终确定的全斜腹杆式桁架结构砍刀臂三维模型如图13所示，其前6阶固有频率值及振型见表4。图13 全斜腹杆式桁架结构砍刀臂Fig.13 Full inclined web truss structure machete arm表4 全斜腹杆式桁架结构砍刀臂前6阶固有频率值及振型描述Tab.4 Description of the first 6 natural frequencies and vibration modes of full inclined web truss structure machete arm模态阶数固有频率值(Hz)主振型1 87.48振型为扭转变形，砍刀臂左右扭转2 424.29振型为弯曲变形，砍刀臂中部对称弯曲3 472.27振型为扭转变形，砍刀臂中部左右扭转4 1013.20振型为弯曲变形，砍刀臂顶部上下弯曲5 1147.40振型为弯扭变形，砍刀臂中部弯曲加扭转6 1231.30振型为弯扭变形，砍刀臂中部弯曲加扭转2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1142023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1142023/3/27 16:05:532023/3/27 16:05:53115研究论文林玉龙等：卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化对全斜腹杆式双臂桁架结构砍刀臂进行了初步的车间试验，折页机构在转速25000r/h和36000r/h两种工况下，砍刀臂运行平稳，未见异常，但还需在日后的加工生产中对该砍刀臂结构进行进一步的性能考察和研究。4 结论本研究针对N160型印刷机组的刀式折页机构在转速36000r/h时，砍刀臂根部易发生破坏的问题进行了分析，得到结论如下。1）建立了折页机构含微小运动副间隙的有限元动力学模型，仿真结果发现折页机构砍刀臂的应力水平均远小于材料的屈服极限，砍刀臂结构具有足够的强度，砍刀臂并非因受载过大引起的破坏。2）在ADAMS软件中建立折页机构的虚拟样机来提取砍刀臂连接处的载荷，得到砍刀臂的约束作为边界条件，对砍刀臂进行约束模态分析，提取了砍刀臂前6阶固有频率；搭建了振动测试系统，对砍刀臂根部车间作业下的实际振动情况进行测试，分析发现在转速36000r/h工况时，有一工作主频135.83Hz与砍刀臂的一阶固有频率接近，会发生共振。共振可能为N160型印刷机组的刀式砍刀臂结构发生破坏的主要原因。3）采用拓扑优化对砍刀臂的结构进行改进，将砍刀臂由单臂薄壁结构改为双臂全斜腹杆式桁架结构，并进行了2因素4水平试验，确定了最优的桁架三角形单元的杆厚为4mm和杆宽为8mm；新的砍刀臂结构在保证强度的同时，固有频率的共振区避开了各工作主频，结构不会发生共振。初步车间试验显示，砍刀臂运行平稳，未见异常。参考文献1 YUAN Y C,LIU Y L,LI Y.Optimization Design of the Web Presss Fold Mechanism Based on Robustness J.Advanced Materials Research,2011,174:277-281.2 YUAN Y C,LIU Y L,LI Y.The Robust Design of Four-Bar Linkage with Clearance Based on Sensitivity Analysis J.Applied Mechanics&Materials,2010,34-35:1656-1660.3 李壮举,田舜禹,赵伟,等.卷筒纸印刷机折页机构运动学方程直接积分解法J.电子学报,2018,46(12):3037-3043.LI Zhuang-ju,TIAN Shun-yu,ZHAO Wei,et al.Direct-Integrating Approach for Solving State Equation of the Mechanics Model of Web Offset Presss Folding Mechanism with Clearance J.Acta Electronica Sinica,2018,46(12):3037-3043.4 WANG T.Robust Optimization Design of Plane Four-Bar Linkage Based on Six-Sigma Theory J.Hoisting and Conveying Machinery,2009.5 ERKAYA Selcuk,UZMAY İbrahim.Investigation on Effect of Joint Clearance on Dynamics of Four-Bar Mechanism J.Nonlinear Dynamics,2009.6 袁英才.卷筒纸印刷机含间隙折页机构动力学研究及稳健设计D.长沙:中南大学,2011.YUAN Ying-cai.Dynamics Research and Robust Designing of Web Offset Presss Folding Mechanism with Clearance D.Changsha:Central South University,2011.7 LIN Y L,LIU S R,ZHAO X Y,et al.Fatigue Life Prediction of Engaging Spur Gears Using Power Density C/Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science,2018,232(23):4332-4341.8 王新敏.ANSYS结构动力学分析与应用M.北京：人民交通出版社,2014.WANG Xin-min.Structural Dynamics Analysis and Application with ANSYS M.Beijing:Peoples Communications Press,2014.9 刘笑天.ANSYS Workbench结构工程高级应用M.北京:中国水利水电出版社,2015.LIU Xiao-tian.Advanced 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