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(1.鄭州三和水工機(jī)械有限公司，河南 鄭州 450100；2.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

1 研究課題的背景及意義

截止2017年底，我國粉煤灰產(chǎn)量達(dá)到6.86億t，同比增長4.7%，產(chǎn)量高居世界第一，未來仍會保持增長趨勢[1]。相應(yīng)的涌現(xiàn)出一批專業(yè)化粉煤灰綜合利用企業(yè)，全自動(dòng)液壓制磚機(jī)就是該種背景下發(fā)展起來的，其中一種下壓(自下向上)框架液壓式制磚機(jī)得到廣泛應(yīng)用。該制磚機(jī)工作裝置是三梁四柱框架式結(jié)構(gòu)，利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，配料系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配比物料，攪拌混合，運(yùn)輸傳送等多項(xiàng)生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)3.6億塊磚粉煤灰磚[2]，文獻(xiàn)[2]對工作裝置進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，但是對配料系統(tǒng)缺少設(shè)計(jì)分析。而配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到材料的配重精度及配重效果，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的重要條件之一。

2 全自動(dòng)液壓制磚機(jī)配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是使在下料過程中能夠使物料進(jìn)行穩(wěn)定的傳送，保證傳輸過程的高效有序，同時(shí)對物料進(jìn)行簡單一次分配，避免不同物料的混雜造成配料精度下降，為后序精確稱量不同物料帶來方便，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用3個(gè)物料罐和1個(gè)支架(3個(gè)支腿)組成(如圖1所示)。

圖1 裝配體

配料系統(tǒng)是一種完全自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝，實(shí)時(shí)混合控制，固體粉末和液體材料可以按照不同配比進(jìn)行混合：通過送料風(fēng)機(jī)對不同3種料罐A、B、C進(jìn)行不同原材料的輸送加料，每個(gè)料罐的上方都安裝有除塵裝置，避免異物落入料罐中使配料不精確，在實(shí)際進(jìn)料過程中會出現(xiàn)物料結(jié)塊的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)裝有激振裝置，一旦物料堵塞管道，啟動(dòng)激振按鈕，將避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。對每個(gè)料管進(jìn)行物料輸送采取的是螺旋進(jìn)給的方式，同時(shí)設(shè)定配料比，可設(shè)置不同物料的計(jì)量和配料次數(shù)。當(dāng)3種物料按照配比足量的輸送到混合罐中，會有重量信號傳送到PLC，配料完成后由小車運(yùn)走，循環(huán)往復(fù)。

2.2 有限元強(qiáng)度分析

利用solidworks軟件，進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和建模，生成/.X_t文件保存，得到配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維模型，然后到導(dǎo)入ANSYS軟件，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式，在主界面找到“Supports”里的“Fixed Support”點(diǎn)擊，選中支腿接地面積部分作為支撐面(全約束)，最后單擊“Apply”應(yīng)用，找到“Loads”里的“Force”點(diǎn)擊，選中支架的上端面往下作為施加壓力方向，在“define by”選項(xiàng)中選擇“components”，Z軸方向加上160000N的力，單擊“Solve”原實(shí)體邊界條件和載荷施加完畢，進(jìn)行求解(如圖2所示)。

圖2 支架單元網(wǎng)格化

通過后處理得到支架等效應(yīng)力云圖和等效變形云圖，如圖3和圖4所示。從圖中可知最大應(yīng)力為423 MPa，發(fā)生在橫梁和支腿連接處，整體應(yīng)力比較小，在47 MPa以下；等效變形最大量是1 mm，說明支架選擇鋼材結(jié)構(gòu)尺寸不合理，造成部分構(gòu)件安全系數(shù)選擇過大，部分構(gòu)件強(qiáng)度不足，需要對支架構(gòu)件結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)：改兩懸臂端為支腿，增加支腿4個(gè)，加大橫梁尺寸，減小支腿尺寸。重新進(jìn)行計(jì)算得到分析結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖中可以看出：等效應(yīng)力最大值為37.8 MPa，整體等效應(yīng)力分布在25.8～16.9 MPa，等效變形也很小。說明支架整理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度滿足生產(chǎn)和強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)合理。

圖3 支架等效應(yīng)力云圖

圖4 支架等效變形云圖

圖5 支架整體等效應(yīng)力云圖

圖6 支架整體等效形變云圖

3 結(jié)語

對液壓全自動(dòng)制磚機(jī)配料系統(tǒng)采用SolidWorks三維繪圖軟件對配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和設(shè)計(jì)，利用ANSYS軟件對其強(qiáng)度進(jìn)行校核分析，并根據(jù)存在的問題提出解決方案，改進(jìn)設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。該配料系統(tǒng)結(jié)合工作裝置，在某企業(yè)設(shè)置了3條生產(chǎn)流水線，實(shí)現(xiàn)粉煤灰年產(chǎn)值3.6億塊。該設(shè)備的使用，實(shí)現(xiàn)了廢物利用，節(jié)能環(huán)保的功效，直接推廣到其他領(lǐng)域。