■趙黎明 鄧援超周謨林 史常青
(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北武漢430068)
在袋裝飼料的碼垛過(guò)程中,碼垛裝置進(jìn)行的碼包工作是非常重要的一環(huán),而碼垛裝置的左右側(cè)翼板是關(guān)鍵零部件,在碼垛過(guò)程中承受較大的沖擊載荷。在碼垛裝置的工作過(guò)程中,袋裝飼料從裝車平臺(tái)掉落碼垛裝置,再由碼垛裝置實(shí)現(xiàn)二次下降運(yùn)動(dòng)和一次行走運(yùn)動(dòng),到達(dá)碼包工位,在袋裝飼料掉落時(shí)候,左右側(cè)翼板需要承受很大的沖擊載荷,同時(shí)實(shí)際情況中碼垛裝置的質(zhì)量要求適當(dāng)。所以在側(cè)翼板的設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)找到一組最佳設(shè)計(jì)點(diǎn),從而盡可能提高產(chǎn)品性能的同時(shí)滿足工作要求。
現(xiàn)有袋裝飼料碼垛形式中,主要是采用半自動(dòng)式裝車和機(jī)器人碼垛兩種形式。半自動(dòng)式裝車的特點(diǎn)是要求人工配合,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低。機(jī)器人碼垛形式主要特點(diǎn)是針對(duì)托盤碼垛,自動(dòng)化程度高,但其作用對(duì)象是托盤[1],直接面對(duì)卡車車廂時(shí)不能安全裝車。這兩種方式的工作示意圖如圖1和圖2所示。
圖1 半自動(dòng)化高臺(tái)裝車形式
本文中的碼垛裝車一體機(jī)是一種有別于上文中介紹的兩種碼垛形式的碼垛機(jī),本文中的碼垛機(jī)結(jié)合了上述兩種碼垛形式的優(yōu)點(diǎn),既可以針對(duì)托盤碼垛,還可以直接針對(duì)車廂碼垛。該碼垛裝車一體機(jī)的整體方案圖如圖3所示。
圖2 機(jī)器人碼垛形式
圖3 碼垛裝車機(jī)整體示意圖
袋裝飼料由包裝車間包裝好之后,由輸送上圖3中輸送裝置輸送至飼料包分配平臺(tái),由飼料包分配平臺(tái)分配至多通道的碼垛裝置上面,最后由碼垛裝置將飼料包直接碼在車廂或者托盤上面,每完成一排的碼包工作之后,行走裝置會(huì)驅(qū)動(dòng)整個(gè)平臺(tái)移動(dòng)到下一個(gè)工作點(diǎn),進(jìn)行另一排的碼包工作。
本文的主要研究對(duì)象側(cè)翼板就是圖3所圈的碼垛裝置上,碼垛裝置碼包過(guò)程的動(dòng)作如下所述:升降裝置首先完成接包動(dòng)作,然后由升降驅(qū)動(dòng)裝置下降,下降動(dòng)作完成后,行走驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作,將飼料包運(yùn)送至碼垛位置,完成飼料包的碼包動(dòng)作。碼垛裝置的工藝動(dòng)作流程圖如圖4所示。
圖4 碼垛裝置的工藝流程
在碼垛裝置中,側(cè)翼板是作為機(jī)構(gòu)和飼料包的主要承重部件,同時(shí)還要承受飼料包的沖擊力。在碼垛裝車一體機(jī)中主要完成傳遞飼料包的動(dòng)作,其在工作工程中對(duì)應(yīng)有兩種工作狀態(tài),其兩種工作狀態(tài)如圖5所示。
要確定側(cè)翼板所受的載荷,先對(duì)其進(jìn)行受力分析,側(cè)翼板所受載荷由銷軸傳遞過(guò)來(lái),銷軸連接側(cè)翼板和閘門連桿裝置,因此,在這里先將閘門連桿裝置看作一個(gè)整體作受力分析,其示意圖如圖6所示。
圖5 側(cè)翼板的兩種工作狀態(tài)
圖6 閘門連桿受力示意圖
閘門板受到袋裝飼料垂直向下的沖擊載荷,對(duì)單側(cè)閘門板進(jìn)行受力分析,在閘門的絞接處其受力方向可以簡(jiǎn)化成X軸方向和Y方向的兩個(gè)分力,X軸方向的分力與限位塊所施加的F2平衡,Y軸方向的分力之和與沖擊載荷在F1平衡,沖擊載荷F1為1 300 N,參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。F1所產(chǎn)生的扭矩與F2產(chǎn)生的扭矩平衡。根據(jù)以上分析,我們可以列出下式(1)。
根據(jù)上式(1)代入初始設(shè)計(jì)參數(shù)可以得出載荷F3為560 N,F(xiàn)4為1 300 N。本文主要分析的側(cè)翼板是基于初始設(shè)計(jì)的側(cè)翼板,其材料為Q 235。
本文采用ANSYS Workbench 15.0進(jìn)行有限元模型的建立,應(yīng)為側(cè)翼板上有較多的連接孔位,實(shí)際情況較為復(fù)雜,幾何細(xì)節(jié)和物理分析是密切相關(guān)的,不必要的幾何細(xì)節(jié)會(huì)大大增加分析需求。因此在建立有限元模型時(shí)候?qū)δP瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化,忽略其中孔位的影響[2]。在簡(jiǎn)化過(guò)程中,需要把握的一個(gè)原則是:最大限度的保留側(cè)翼板的力學(xué)特征,將小面合并為大面并且相鄰近面公用一條輪廓線,從而保證劃分網(wǎng)格的連貫性,保證網(wǎng)格質(zhì)量[3]。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到分析結(jié)果的精確性??紤]到側(cè)翼板為板類零件,該分析中選用了六面體網(wǎng)格。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。
圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果
在初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)下側(cè)翼板的分析結(jié)果如圖8和圖9所示。
圖8 應(yīng)力分析云圖
圖9 總變形分析云圖
根據(jù)分析結(jié)果可得,最大應(yīng)力為21.8 MPa,最大變形量為0.197 mm,初始設(shè)計(jì)參數(shù)滿足側(cè)翼板的工況要求。但是此初始設(shè)計(jì)參數(shù)下的側(cè)翼板質(zhì)量高達(dá)18.28 kg。該參數(shù)下的側(cè)翼板質(zhì)量較大,對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求需要提高,從而會(huì)使整體設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜,所以需要在滿足使用要求的前提下對(duì)側(cè)翼板進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,需要保證側(cè)翼板能夠承受沖擊載荷不發(fā)生變形,同時(shí)又要左右側(cè)翼板的質(zhì)量盡可能的小。因此可以將側(cè)翼板的厚度D、側(cè)翼板內(nèi)切除三角形區(qū)域的較長(zhǎng)直角邊H作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。將側(cè)翼板總質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大總變形量作為輸出參數(shù)。輸入?yún)?shù)的示意圖如圖10所示。
圖10 輸入?yún)?shù)示意圖
確定好輸入?yún)?shù)后,需要進(jìn)一步確定輸入?yún)?shù)的變化范圍,該優(yōu)化設(shè)計(jì)中將厚度D的變化范圍定為12~16 mm。切除直角邊H的變化范圍定為350~550 mm。在輸入?yún)?shù)的變化范圍內(nèi)可以得到一組新的設(shè)計(jì)點(diǎn),新的設(shè)計(jì)點(diǎn)與總質(zhì)量、應(yīng)力和總變形量的關(guān)系曲線圖分別如圖11所示。
圖11 設(shè)計(jì)點(diǎn)與質(zhì)量、總變形量、應(yīng)力關(guān)系曲線圖
總體質(zhì)量和總體變形量與輸入優(yōu)化參數(shù)D和H的響應(yīng)關(guān)系圖分別如圖12和圖13所示。
對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)分別進(jìn)行分析計(jì)算后,可以得到9組分析結(jié)果,結(jié)果見(jiàn)表1。
圖12 質(zhì)量與優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)曲面
圖13 變形與優(yōu)化參數(shù)的響應(yīng)曲面
表1 新的設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果
對(duì)上面9個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)分別進(jìn)行分析計(jì)算后,通過(guò)觀察每一種分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著厚度參數(shù)D的逐漸減小,側(cè)翼板的總質(zhì)量逐漸減小,應(yīng)力大小分布在20~60 MPa的范圍內(nèi),總變形分布在0.197~0.486 mm的范圍內(nèi),總質(zhì)量變化有較大的改善,其分布范圍為12~18 kg。綜合考慮其他因素后,選取第8個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)作為新的設(shè)計(jì)參數(shù)。新的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的新的分析計(jì)算結(jié)果如圖14和圖15所示。
圖14 新的設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)力分布云圖
圖15 新的設(shè)計(jì)點(diǎn)變形分布云圖
①優(yōu)化結(jié)果表明碼垛裝車一體機(jī)側(cè)翼總質(zhì)量比初始設(shè)計(jì)減少了很多,總體變形和應(yīng)力分布依然處于一個(gè)可控的范圍之內(nèi),碼垛側(cè)翼板依然可以滿足使用條件。通過(guò)該優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了材料降低了成本,還減小了慣性力,增加了驅(qū)動(dòng)氣缸的使用壽命,同時(shí)降低了能耗。
②袋裝飼料碼垛裝車一體機(jī)側(cè)翼板的設(shè)計(jì)可以采用軟件設(shè)計(jì)的方式彌補(bǔ)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足,使產(chǎn)品更加趨于理想化。
③該文中的分析結(jié)果對(duì)于碼垛側(cè)翼板的進(jìn)一步優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)作用,為設(shè)計(jì)人員在后期的設(shè)計(jì)過(guò)程中提供了參考,提供了方向,達(dá)到了預(yù)期分析的目的。