基于SolidWorks的板坯夹钳仿真分析

1 引言

    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，一般先根据板坯尺寸、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 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

    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 夹钳机构图

    假设钢坯自重为G，夹钳自重G1，起升力为Q=G+G₁，图示状态为夹紧钢坯时，杆1(L₁)，杆2(L₂)与水平方向夹角分别为α、β，杆4（L₄）与垂直方向夹角为γ，L2与L4夹角为θ。α、β、γ为夹钳位置尺寸，θ为夹钳钳臂几何尺寸。根据图示几何关系列出公式：

    微分得：

    由式(7)、(8)得：

    将式(13)代入式(9)得：

    板坯夹紧力N的建立实际上是一个动态正反馈过程。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夹钳上来，夹钳与板坯间摩擦力fd大小是从零逐渐增大，直到f与钢坯自重G达到平衡。

    根据虚功原理：

    夹紧力N由Q和f共同作用产生，假设Q作用产生的夹紧力为N1，f作用产生的夹紧力为N2。同时满足公式：

    由式(11)、(12)、(14)、(17)得：

    由式(10)、(11)、(18)得：

    由式(19)可知由Q作用产生的夹紧力N1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取板坯的材料来确定摩擦因数μ，因为摩擦力f与夹紧力N关系为：