全自動漿粕上料機設(shè)計與力學(xué)分析

齊鐵力，張士強，王會剛，劉海生，劉曉雯，卜勻

(唐山學(xué)院機電工程系，河北唐山063000 )

目前，DCS 系統(tǒng)集成在粘膠短纖維工程中得到了廣泛應(yīng)用［1］，但是部分粘膠短纖維生產(chǎn)工藝滿足不了DCS 對自動控制的要求，粘膠短纖部分生產(chǎn)企業(yè)制膠車間漿粕上料仍然采用人工手動操作的方式，通過天車利用兩根大號鋼絲吊裝漿粕，然后放倒在喂粕機上。如圖1 所示，由人工吊起漿粕料垛，將料垛翻轉(zhuǎn)放到喂粕輸送機上，這種采用人工手動操作的方式，工作效率低，要求操作工技術(shù)熟練，不適應(yīng)實現(xiàn)全線DCS 自動控制。另外，每條喂粕生產(chǎn)線每班需要2 個工人進行操作，一天4 班需要8 個工人，人力成本較高。文中設(shè)計的漿粕自動上料輸送機，由于采用全自動控制，每班只需用1 個工人進行操作，一天4 班可節(jié)省4 人，提高了生產(chǎn)效率、降低了人工成本。該工藝過程屬于粘膠短纖生產(chǎn)線的一部分，上料輸送機實現(xiàn)自動化，為整個粘膠短纖生產(chǎn)線實現(xiàn)DCS 系統(tǒng)自動控制做了前期準備，可以提高企業(yè)整體自動化水平，增加企業(yè)知名度。目前機械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化由以前的經(jīng)驗、類比、靜態(tài)設(shè)計階段，步入了建模、優(yōu)化、動態(tài)設(shè)計階段［3－8］。因此文中利用Pro/E三維軟件建立全自動漿粕上料機三維模型，對關(guān)鍵部件料籠進行力學(xué)分析，為設(shè)計制造提供理論依據(jù)。

圖1 人工手動操作上料方式

1 上料機三維建模

利用Pro/Engineer5.0 建立上料輸送機三維模型，如圖2 所示。

圖2 上料機構(gòu)整體裝配

上料機構(gòu)工作原理: 工人放好料(漿粕) 堆后按下啟動按鈕，行走電機減速機正轉(zhuǎn)，上料機構(gòu)開始左行，上料機構(gòu)前(左為前) 有一對激光對射開關(guān)，分別安裝在傳感器架上，激光對射開關(guān)被遮擋，轉(zhuǎn)入低速運行，行至激光對射開關(guān)遮擋中止時，料已入位，左、右夾緊缸同時動作，推出左、右籠體對料夾緊，達到夾持壓力后停止。提升液壓缸推動籠體沿直線滑軌向上移動，達到最高位置。啟動翻轉(zhuǎn)電機減速機，帶動籠體旋轉(zhuǎn)，由豎直翻轉(zhuǎn)到水平位置，料垛也轉(zhuǎn)成水平。行走電機減速機反轉(zhuǎn)，上料機構(gòu)向右移動，到輸送機上。升降液壓缸下降，夾緊缸動作，收回籠體，放開料垛。行走電機減速機正轉(zhuǎn)，上料機構(gòu)開始左移，回到上料機構(gòu)原點，翻轉(zhuǎn)電機減速機動作，籠體恢復(fù)豎直狀態(tài)，提升液壓缸下降至初始位置，各部件回到初始狀態(tài)。上料機構(gòu)繼續(xù)左行取下一垛料，重復(fù)以上動作。

料包夾緊是上料機構(gòu)的主要功能，該功能主要由夾緊裝置完成。夾緊裝置分為左夾緊裝置和由夾緊裝置，兩部分對稱分布，以左夾緊裝置為例說明其結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，左夾緊體裝置包括籠體、籠頭、籠頭移動缸、籠體架、移動套、夾緊缸、翻轉(zhuǎn)電機減速機、直線滑座等。移動套與籠體通過移動套螺釘連接，移動套與籠體架之間安裝前后兩個銅套，當左夾緊缸推動籠體移動時，移動套沿著前銅套、后銅套和花鍵齒移動。這樣移動套可承受籠體和料垛重力，把力通過前銅套、后銅套傳到籠體架上，再通過直線滑座和直線滑軌傳到上料機構(gòu)架上。避免了左夾緊缸受彎矩，翻轉(zhuǎn)電機減速機通過齒輪傳動可使移動套旋轉(zhuǎn)，而移動套與籠體連接，所以帶動左籠體旋轉(zhuǎn)，由豎直翻轉(zhuǎn)到水平位置，料垛也轉(zhuǎn)成水平，為保證翻轉(zhuǎn)同步，右夾緊體有同步軸，左夾緊體有同步套，裝配時同步軸穿到同步套中，可保證左籠體和右籠體翻轉(zhuǎn)同步。

圖3 左夾緊裝置

2 籠體強度仿真分析

籠體是上料機關(guān)鍵部件，有必要對其進行強度分析。建立機架有限元模型時做如下假設(shè): 籠體為理想焊接，焊接處強度近似于材料內(nèi)部強度，焊接質(zhì)量得到保證。為避免有限元網(wǎng)格相差懸殊而影響單元劃分質(zhì)量和計算精度，建模時對影響結(jié)構(gòu)強度較小的倒角、圓角作了簡化處理，并假設(shè)機架連接有較好的剛性。籠體材料為Q235A，其彈性模量E =2.06 ×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 ×103kg/m3。籠體采用10 節(jié)點的四面體單元，網(wǎng)格精度為2 級，在分析中為使劃分的網(wǎng)格質(zhì)量高，結(jié)果更容易收斂，選擇六面體單元網(wǎng)格進行劃分(圖4) ，并對籠體圓角結(jié)構(gòu)進行細化(圖5) 。

圖4 籠體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖5 籠體網(wǎng)格細化

考慮籠體上其他零件質(zhì)量m1=54.8 kg，籠體質(zhì)量m2=155.4 kg，籠體負擔料質(zhì)量的一半m=250 kg。所以，在籠體上板上加載548 N 力，籠體下板上加載2 500 N 的力(見圖6) 。

由圖7 能看出在筒形支撐部分上的應(yīng)力最大點A的應(yīng)力值為71.69 MPa，安全系數(shù)S =355/71.69 =4.95。由圖8 能看出主體部分上的應(yīng)力最大點B 的應(yīng)力值為14.19 MPa，安全系數(shù)S =235/14.19 =16.56。圖9、圖10 分別為筒形部分和平板部分第一主應(yīng)力圖，圖11 為整個籠體結(jié)構(gòu)變形圖。

圖6 籠體結(jié)構(gòu)力的加載

圖7 米塞斯應(yīng)力圖(筒形部分)

圖8 米塞斯應(yīng)力圖(平板部分)

圖9 第一主應(yīng)力圖(筒形部分)

圖10 第一主應(yīng)力圖(平板部分)

圖11 籠體結(jié)構(gòu)變形圖

3 結(jié)構(gòu)改進

通過上面的分析可看出，應(yīng)力最大點出現(xiàn)在支撐部分底端的開槽處，是最薄弱的環(huán)節(jié)。對開槽處進行改進。根據(jù)籠體的實際使用情況，酌情減少開槽的數(shù)量，將開槽數(shù)從8 個減小為4 個，并且開槽位置避開受載最大區(qū)域(下弧面) (見圖12) 。

圖12 改進后籠體力的加載

對改進后的模型進行一系列的網(wǎng)格劃分，定義接觸、載荷和邊界條件。

圖13 顯示應(yīng)力結(jié)果為: 筒形支撐部分上的應(yīng)力最大點A 的應(yīng)力值為48.66 MPa，安全系數(shù)S =355/48.66 =7.29。

圖13 米塞斯應(yīng)力圖(筒形部分)

4 結(jié)論

完成了自動喂粕上料機的三維設(shè)計，采用液壓裝置做為提升及夾緊的動力裝置，穩(wěn)定可靠，行走和翻轉(zhuǎn)均采用電機減速機，變頻控制，實現(xiàn)調(diào)速。利用ANSYS 軟件對籠體進行了力學(xué)分析，對筒體支撐部分承力薄弱部分進行了結(jié)構(gòu)改進，改進后筒形支撐部分上的應(yīng)力最大點A 的應(yīng)力值為48.66 MPa，安全系數(shù)7.29，主體部分強度不變。

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