馮宇，趙進(jìn)科，趙雪瑞，趙耀麗

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司， 鄭州 450046； 2.河南省工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，鄭州 450000)

0 引言

有卸料功能的物料倉(cāng)底部一般設(shè)置有用于卸料的倉(cāng)門(mén)。在某些物料運(yùn)輸領(lǐng)域物料需要從倉(cāng)門(mén)底部直接卸至運(yùn)輸車輛上。為了減小卸料時(shí)物料對(duì)運(yùn)輸車輛的沖擊，應(yīng)盡量縮小物料倉(cāng)底部與運(yùn)輸車輛的距離。同時(shí)倉(cāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)要避免與運(yùn)輸車輛或其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉或碰撞，這就對(duì)物料倉(cāng)倉(cāng)門(mén)提出了較高的設(shè)計(jì)要求：(1)倉(cāng)門(mén)能嚴(yán)密地開(kāi)閉；(2)開(kāi)閉過(guò)程中不與物料倉(cāng)結(jié)構(gòu)或車輛干涉；(3)開(kāi)閉過(guò)程占用空間盡可能小。

1 機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

為了達(dá)到物料倉(cāng)倉(cāng)門(mén)的設(shè)計(jì)要求，倉(cāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)的位置應(yīng)該貼近物料倉(cāng)的兩側(cè)，宜采用雙瓣倉(cāng)門(mén)結(jié)構(gòu)。單瓣的倉(cāng)門(mén)擬采用1個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)[1]來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉(如圖1所示)，平面四桿機(jī)構(gòu)的各桿長(zhǎng)度需根據(jù)物料倉(cāng)門(mén)的尺寸和起始/最終位置設(shè)計(jì)。雙瓣倉(cāng)門(mén)需要設(shè)計(jì)1個(gè)機(jī)構(gòu)用來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)四桿機(jī)構(gòu)(如圖2所示)，從而保證兩瓣倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉的同步性。本文將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(圖2中1)和四桿機(jī)構(gòu)(圖2中2)相串聯(lián)[2]，通過(guò)驅(qū)動(dòng)滑塊來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 單瓣倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)Fig.1 Single bin gate opening-closing mechanism

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某項(xiàng)目的集污倉(cāng)為例，集污倉(cāng)底部長(zhǎng)5 m，寬2 m。傳統(tǒng)的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)為單鉸軸結(jié)構(gòu)[3]，單瓣門(mén)體在打開(kāi)時(shí)將占用倉(cāng)門(mén)底部1 m的高度，即運(yùn)輸車輛最高點(diǎn)距離倉(cāng)門(mén)最低點(diǎn)的距離超過(guò)1 m(如圖3所示)。

圖2 雙瓣倉(cāng)門(mén)的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.2 Double bin gates opening-closing and driving mechanism

圖3 傳統(tǒng)開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)占用的空間Fig.3 Space occupied by traditional gate opening-closing mechanism

本文根據(jù)串聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)原理，采用了雙瓣倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖4所示。四桿機(jī)構(gòu)的擺桿鉸接在支座上，倉(cāng)門(mén)作為四桿機(jī)構(gòu)的連桿與2個(gè)擺桿連接。驅(qū)動(dòng)油缸(以下簡(jiǎn)稱油缸)鉸接在支承結(jié)構(gòu)上，油缸的活塞桿作為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊提供直線運(yùn)動(dòng)。

圖4 物料倉(cāng)開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)組成Fig.4 Composition of material bin opening-closing mechanism

根據(jù)圖4中各個(gè)零件的初步設(shè)計(jì)，在SOLIDWORKS軟件建立物料倉(cāng)和倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的三維模型，按照零件之間的連接關(guān)系進(jìn)行裝配，裝配后的模型如圖5所示。

圖5 倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)三維模型Fig.5 3D model of the opening-closing amechanism

3 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的仿真和分析

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在SOLIDWORKS的SIMULATION界面定義該串聯(lián)機(jī)構(gòu)中所有的約束和運(yùn)動(dòng)副：固定油缸缸體和所有擺桿支座，定義油缸和活塞桿的滑動(dòng)副；定義連桿之間、連桿和支座之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副；將活塞桿處的滑動(dòng)副作為輸入給定機(jī)構(gòu)的輸入位移[4]。該項(xiàng)目的倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)給定的活塞桿位移為950.0 mm，給定時(shí)間為20 s，輸入位移隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示。

圖6 機(jī)構(gòu)輸入位移Fig.6 Input displacement of mechanism

在給定輸入位移后，通過(guò)仿真可得到倉(cāng)門(mén)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和倉(cāng)門(mén)在打開(kāi)過(guò)程中A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖7所示)和其在高度方向上的位移曲線(如圖8所示)。由圖8可看出，A點(diǎn)在倉(cāng)門(mén)打開(kāi)過(guò)程中向下運(yùn)動(dòng)160.0 mm到達(dá)最低點(diǎn)，即倉(cāng)門(mén)打開(kāi)過(guò)程僅向下占用160.0 mm的空間，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案相比節(jié)約了很大的空間。

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真

為了驗(yàn)算開(kāi)閉機(jī)構(gòu)中零件的強(qiáng)度，為其驅(qū)動(dòng)油缸選型提供依據(jù)，本文對(duì)該倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)仿真分析。

圖7 倉(cāng)門(mén)A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Movement track of point A on the bin gate

圖8 倉(cāng)門(mén)A點(diǎn)的高度變化曲線Fig.8 Vertical viaration of point A on the bin gate

倉(cāng)門(mén)在打開(kāi)的開(kāi)始階段受到物料重力作用。為模擬物料對(duì)倉(cāng)門(mén)的作用，在倉(cāng)門(mén)開(kāi)始打開(kāi)的5 s內(nèi)為倉(cāng)門(mén)施加130 kN的載荷(F)，5 s后逐漸將載荷減少至0，載荷輸入曲線如圖9所示。而倉(cāng)門(mén)再打開(kāi)時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力曲線可通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得到，如圖10所示。由圖10可以看出油缸需要的最大持住力約為149.2 kN，并在打開(kāi)過(guò)程中不斷減小，在打開(kāi)的最后階段需要提供與初始持住力方向相反的推力(約36.4 kN)。驅(qū)動(dòng)油缸的設(shè)計(jì)和選型可以根據(jù)該曲線來(lái)進(jìn)行。這里需要說(shuō)明的是，得到的油缸驅(qū)動(dòng)力為兩端2個(gè)油缸的總驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于雙瓣開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的單個(gè)油缸來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)減半。

圖9 荷載輸入曲線Fig.9 Load input curve

圖10 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力曲線Fig.10 Driving force of the mechanism

3.3 開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)和倉(cāng)門(mén)的靜力學(xué)分析

為了驗(yàn)證開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)和倉(cāng)門(mén)在物料作用下的強(qiáng)度和變形情況，將開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)和倉(cāng)門(mén)作為一個(gè)整體進(jìn)行有限元分析：對(duì)所有零件模型進(jìn)行裝配，根據(jù)機(jī)構(gòu)連接原理在所有連桿與門(mén)體之間定義銷軸接觸；在所有連桿與支座之間定義鉸接約束；對(duì)每瓣倉(cāng)門(mén)施加130 kN的面荷載；完成網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖11所示。

圖11 基于多零件接觸的有限元模型Fig.11 Finite element model based on multi-part contact

對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，得到等效應(yīng)力云圖(如圖12所示)，不考慮零件之間接觸位置局部接觸應(yīng)力的集中，門(mén)體背部的應(yīng)力在100 MPa左右。門(mén)體材料采用Q235B鋼板，屈服強(qiáng)度為215 MPa，滿足材料的使用要求。圖13為滿載情況下門(mén)體的仿真變形云圖，其中倉(cāng)門(mén)的最大累積位移為2.3 mm，位于倉(cāng)門(mén)的中間位置，這對(duì)于5 m長(zhǎng)的倉(cāng)門(mén)來(lái)說(shuō)是可以接受的，不影響倉(cāng)門(mén)的密閉效果和開(kāi)閉操作。

圖12 倉(cāng)門(mén)開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力Fig.12 Equivalent stress of the bin gate opening-closing mechanism

圖13 倉(cāng)門(mén)開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)的變形Fig.13 Deformation of the bin gate opening-closing mechanism

在此荷載作用下，所有用于固定開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)的支座以及驅(qū)動(dòng)油缸約束位置的反作用力如圖14所示:單個(gè)油缸支座處豎直方向支反力(FY)為37.4 kN，那么將兩瓣門(mén)體此處豎直方向的支反力合力(FRes)為74.8 kN。靜力學(xué)仿真結(jié)果與動(dòng)力學(xué)仿真得到的2個(gè)油缸總的最大驅(qū)動(dòng)力149.2 kN非常接近，可以進(jìn)一步地驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的正確性。得到的約束的支反力可以作為與開(kāi)閉機(jī)構(gòu)相連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷的依據(jù)，也可以為驅(qū)動(dòng)油缸的選型提供依據(jù)。

圖14 約束的支反力Fig.14 Reaction of restrictions

4 結(jié)論

根據(jù)物料倉(cāng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的功能需要，設(shè)計(jì)了1套由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)相串聯(lián)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)門(mén)在有限空間內(nèi)的開(kāi)閉。以某集污倉(cāng)為例，詳細(xì)設(shè)計(jì)了其開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，并建立了三維模型。運(yùn)用SOLID-WORKS的SIMULATION界面對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)力學(xué)特性和靜力學(xué)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真證明該開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)極大地節(jié)約了倉(cāng)門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中占用的空間；動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)仿真結(jié)果表明開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有效性，也為物料倉(cāng)其他零件的設(shè)計(jì)、計(jì)算和驅(qū)動(dòng)油缸的設(shè)計(jì)選型提供了依據(jù)。