家具原材板垛在輥筒輸送機(jī)上的動靜態(tài)力學(xué)分析

張 挺，苗中銀

（廣州寧基智能系統(tǒng)有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著板式家具生產(chǎn)的發(fā)展及市場需求的擴(kuò)大，家具生產(chǎn)對人造板的需求也在增加。由于板材生產(chǎn)地與使用地不在同一地域、溫度濕度的不同變化、運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的振動等都會引起板材內(nèi)部紋理的變化，導(dǎo)致板材整體形變。通常生產(chǎn)企業(yè)需要對板材靜置存放一定周期后再進(jìn)行生產(chǎn)加工。同時(shí)，運(yùn)輸環(huán)節(jié)是原材板垛從入庫到出庫，再到家具生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)，想要實(shí)現(xiàn)板垛由倉庫到生產(chǎn)車間的自動化生產(chǎn)，必須由輸送設(shè)備來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)，并且保證板在輸送過程中的安全平穩(wěn)。目前輸送設(shè)備有鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和輥筒輸送機(jī)。

本文通過分析板垛在輥筒輸送機(jī)上的受力情況，考慮板材運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的形變，根據(jù)分析結(jié)果，有針對性地提出解決方案，為輸送設(shè)備改進(jìn)提出理論參考，實(shí)現(xiàn)由自動化設(shè)備將板材倉儲與生產(chǎn)車間無縫對接，并保持板材質(zhì)量不受運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

1 板垛輸送流程

板材從板材倉輸送至家具生產(chǎn)設(shè)備過程由不同的輸送設(shè)備完成，通過不同設(shè)備間的配合協(xié)作，最終將板材由倉庫輸送到生產(chǎn)設(shè)備上，完成由板材倉至生產(chǎn)車間的無縫對接，從而實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減少人工與工人勞動強(qiáng)度[1]。

主要流程如下：板材入庫—養(yǎng)生—堆垛機(jī)叉取出庫—輸送設(shè)備輸送—生產(chǎn)加工。

板材從入庫到生產(chǎn)的輸送過程中，容易引起板垛錯(cuò)位歪斜，導(dǎo)致輸送不順暢，使出入庫受到影響，不利于生產(chǎn)對接，最終影響生產(chǎn)效率。常見板垛歪斜現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 常見板垛歪斜現(xiàn)象

實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，板垛在鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)上輸送時(shí)，實(shí)際產(chǎn)生的相對偏移量非常小，基本保持在±2 mm以內(nèi)，對板垛的影響可以忽略。當(dāng)板垛轉(zhuǎn)入輥筒輸送機(jī)以及在輥筒輸送機(jī)輸送距離超過15 m以上時(shí)，板垛本體上下偏移量最大可達(dá)100 mm，嚴(yán)重影響板垛輸送，同時(shí)引起板垛變形[2]。以下重點(diǎn)分析板垛在輥筒輸送機(jī)上的受力情況[3]。

2 受力分析

板垛行走于輸送設(shè)備的形態(tài)模形與設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輥筒輸送機(jī)結(jié)構(gòu)與板垛輸送狀態(tài)圖

主要參數(shù)如下：滾筒直徑為89 mm；滾筒中心距為190.5 mm；輸送速度為12 m/min；單件板大小為2.44 m×1.22 m×0.018 m；單件板質(zhì)量約40 kg，共42張；板垛質(zhì)量約1 680 kg；板材摩擦因數(shù)為0.09～0.13[4]。

密度公式為：

代入?yún)?shù)計(jì)算得：

ρ=746.5 kg/m3=0.746 5 g/cm3

經(jīng)上述參數(shù)與公式計(jì)算得知，板材密度約為0.75 g/cm3，查詢得知，此板材端面硬度約為750 kg/cm2。因?yàn)榘宥庠谳佂矙C(jī)上輸送時(shí)與輥筒為線接觸，所以要支撐1 680 kg板垛自重，必然會將板面壓凹陷。

壓強(qiáng)公式：P=F/S

已知參數(shù)：P=750 kg/cm2=750×9.8 N/cm2

代入?yún)?shù)計(jì)算得：

S=2.24 cm2

經(jīng)計(jì)算得知，需要約2.24 cm2支撐板垛自重；輥筒直徑為89 mm，輥筒間距為190.5 mm，所以底板與輥筒接觸點(diǎn)會有0.1 mm左右的凹陷；由于實(shí)際使用時(shí)需要長期循環(huán)使用，使得底板表面變得松軟。經(jīng)過實(shí)測會有約1 mm的凹陷，所以板垛在行走時(shí)會受到滾筒的瞬時(shí)阻擊力；此時(shí)板垛有一個(gè)前沖慣性力，且每張板之間又存在一個(gè)摩擦力，但摩擦力大小由下往上逐層按每個(gè)張板的重量參數(shù)遞減[5-6]。理想狀態(tài)下板垛自上而下均會產(chǎn)生，相對下一張板前進(jìn)的位移，就形成如圖4所示的形態(tài)。

依據(jù)速度公式計(jì)算：

依角度速度公式計(jì)算：

經(jīng)上述公式計(jì)算，每根滾筒每秒旋轉(zhuǎn)角度為257.5°，才能滿足設(shè)備12 m/min的輸送速度要求。

板垛輸送過程中實(shí)際受力分析，假設(shè)上面41張板為一個(gè)整體，與最底層的一張板件在理想狀態(tài)下所產(chǎn)生的位移計(jì)算如下。

假設(shè)板垛與滾筒輸送機(jī)的滾筒瞬時(shí)阻擊力時(shí)間為0.1 s，首先要確定前行力要大于板間摩擦力（摩擦因數(shù)取最小0.09）[7]，則：

如上述公式計(jì)算所得f＞F，則板上層板垛不應(yīng)該產(chǎn)生位移，所以應(yīng)該是板垛所受的滾筒阻擊力，實(shí)際上被反作用于最底層的一張板上，使之產(chǎn)生了向后的位移，計(jì)算如下：

f1＞f，實(shí)際是最底層的一張板與上面的板產(chǎn)生向后的相對位移，由下往上每張板受到的反作用力f1按每張板重量遞減，但每張板與上一張板所受摩擦力f同樣遞減，所以產(chǎn)生由最底層的板向上分別產(chǎn)生向后的相對位移；另外，輸送設(shè)備滾筒本身一直在轉(zhuǎn)動中。假設(shè)0.1 s的接觸時(shí)間，滾筒本身就會旋轉(zhuǎn)約25.5°，導(dǎo)致板垛最下面的板件與滾筒產(chǎn)生實(shí)際撞擊的時(shí)間更短，最終板垛變形結(jié)果如圖2所示[8]。

按計(jì)算受力分析，板垛會產(chǎn)生如圖2所示的變形，實(shí)際受滾筒長度、板垛輸送時(shí)瞬時(shí)速度、滾筒直線度等因素的干擾，板垛不止只有圖2的形態(tài)，還有圖1的形態(tài)產(chǎn)生。所以理論受力與實(shí)際受力雖然結(jié)果看似相同，實(shí)則不然。

另外，輥筒設(shè)備實(shí)際制作是否保證輥筒圓度達(dá)到100%也有一定影響。

3 解決方案

方案一：首先減小輥筒間距，在輥筒直徑滿足受力的情況下盡量減小，最大程度增加輥筒密度；其次，嚴(yán)格把控輥筒機(jī)制作質(zhì)量，保證滾筒圓跳度，使所有混筒均保持在同一平面。一方面減少板面凹陷，另一方面保證輥筒輸送平穩(wěn)。

方案二：增加鏈?zhǔn)捷斔突蚱渌问捷斔驮O(shè)備，減少板垛在輥筒機(jī)上的輸送距離。

綜合方案：在整個(gè)生產(chǎn)車間規(guī)劃時(shí)，將解決方案一和方案二綜合考慮；注意考慮特殊情況，必免利用輥筒機(jī)進(jìn)行長距離輸送，如超過15 m時(shí)，需增加整形設(shè)備[9]。

整形設(shè)備如圖3所示。板垛整形設(shè)備是通過整體結(jié)構(gòu)，對板垛行走過程中產(chǎn)生傾斜等現(xiàn)象進(jìn)行糾正，在板垛進(jìn)行下一個(gè)生產(chǎn)工序前進(jìn)行規(guī)整，使下個(gè)生產(chǎn)工序不受輸送變形的影響。

圖3 整形設(shè)備

4 結(jié)束語

本文分析了家具原板垛在生產(chǎn)運(yùn)輸中，由于輸送設(shè)備力學(xué)特征的不同，影響板垛的實(shí)際輸送效率，并且在輸送過程中容易產(chǎn)生形變的問題。通過力學(xué)分析，找到板垛在輸送過程中亟須解決的重點(diǎn)難點(diǎn)，提出兩個(gè)解決方案，并結(jié)合特殊情況設(shè)計(jì)綜合方案，利用整形設(shè)備，有針對性地解決長距離輸送過程中產(chǎn)生的輸送效率低、引起板材形變等問題，實(shí)現(xiàn)了板垛在輥筒輸送機(jī)高效、自動化運(yùn)輸，既保證了生產(chǎn)質(zhì)量，又提高了整體的生產(chǎn)效率。