劉彬彬 王京育 張建 劉珺

摘要：本文將翻箱裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解分析，對主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，分析應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，檢驗(yàn)各個結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求，并提出部分結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行改進(jìn)的建議，對以后類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：翻箱裝置;有限元;強(qiáng)度分析

1 引言

翻箱裝置是長高公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)制造的新型翻箱喂料設(shè)備，用于煙草生產(chǎn)線的物流輸送，由于既定功能和外形尺寸等對設(shè)備的各種限制，該翻箱裝置采用以大懸臂夾持負(fù)載繞軸旋轉(zhuǎn)的工作方式，這使得懸臂和軸都處于較復(fù)雜和惡劣的受力環(huán)境，為了保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性及安全性，本文將對翻箱裝置的主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析并進(jìn)行有限元模擬。

2.翻箱裝置主要結(jié)構(gòu)介紹

翻箱裝置主要由機(jī)架、軸、懸臂、框架和夾持臂等組成，如圖1所示。

機(jī)架用于提供支撐和固定;軸與減速機(jī)相連，用于傳遞動力;懸臂將軸與框架相連，框架和夾持臂直接用于固定和支撐來料載荷。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接方式多樣，很難對翻箱裝置整體進(jìn)行受力分析和計(jì)算，本文將對軸、懸臂和框架等主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和有限元計(jì)算，并確認(rèn)它們符合設(shè)計(jì)和使用要求。

3.主要結(jié)構(gòu)的受力分析

3.1 軸的受力分析

軸的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的兩端為圓軸，與減速機(jī)和軸承相連，中間段是截面為正方形的方軸，方軸段將通過螺栓與懸臂相連，它的受力狀態(tài)可以簡化為：與減速機(jī)相連的軸端為固定約束，軸承安裝位置為軸承支承約束，在方軸段受向下的力，大小為12040N，同時受大小為11000Nm的扭矩。

利用solidworks的有限元分析模塊對其進(jìn)行有限元計(jì)算，軸在上述受力條件下的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖中顯示，軸最大應(yīng)力為323.9MPa，出現(xiàn)在固定軸端的軸肩處，軸材料為45#鋼，屈服強(qiáng)度530 MPa，可以得到軸的使用安全系數(shù)為1.64，完全滿足設(shè)計(jì)要求，有較高的強(qiáng)度可靠性。由軸的應(yīng)力分布圖中還可以發(fā)現(xiàn)，方軸段所受應(yīng)力明顯偏低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力，以后設(shè)計(jì)中類似結(jié)構(gòu)可以考慮采用空心結(jié)構(gòu)代替，以降低加工難度和成本。

3.2 懸臂的受力分析

懸臂的結(jié)構(gòu)形式如圖4，整體為焊接結(jié)構(gòu)，它將驅(qū)動軸與承載載荷的框架連接在一起，是主要的受力結(jié)構(gòu)之一。它的受力狀態(tài)可以簡化為：與驅(qū)動軸連接的平板為固定邊界條件，與框架的連接板受向下的壓力，大小為12040N，另外還受自身重力，大小為1925N。

經(jīng)有限元計(jì)算，軸在上述受力條件下的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖中顯示，懸臂最大應(yīng)力為69.8MPa，出現(xiàn)在筋板與立柱相連的位置，兩側(cè)對稱，與經(jīng)驗(yàn)判斷相符。懸臂材料為Q235，屈服強(qiáng)度220 MPa，可以得到懸臂的使用安全系數(shù)為3.15，雖然完全滿足設(shè)計(jì)和使用要求，但明顯偏大，造成不必要的浪費(fèi)。從圖中可以看出，兩根立柱之間的連接橫梁應(yīng)力分布均勻，且在結(jié)構(gòu)上沒有危險受力點(diǎn)，所以在不影響其結(jié)構(gòu)功能的前提下，可以適當(dāng)進(jìn)行減配。

3.3 框架的受力分析

框架的結(jié)構(gòu)形式如圖6，它將直接承載載荷，是主要的受力結(jié)構(gòu)之一。它的受力狀態(tài)為：與懸臂連接的安裝平板為固定邊界條件，框架與載荷接觸的平面受向下的壓力，大小為5000N，另外還受自身重力，大小為4500N。

經(jīng)有限元計(jì)算，軸在上述受力條件下的應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7中顯示，框架最大應(yīng)力為104.2MPa，出現(xiàn)在框架中立筋板的支撐位置，懸臂材料為Q235，屈服強(qiáng)度220 MPa，可以得到懸臂的使用安全系數(shù)為2.11，滿足設(shè)計(jì)及使用要求?？蚣苷w應(yīng)力分布均勻，僅在立筋支撐處應(yīng)力出現(xiàn)集中，應(yīng)該增加立筋數(shù)量，加強(qiáng)立筋強(qiáng)度，以降低立筋處應(yīng)力集中程度。

4.結(jié)論

本文通過對翻箱機(jī)構(gòu)主要受力部件分別進(jìn)行有限元計(jì)算與分析，得到了翻箱機(jī)構(gòu)主要部件機(jī)械強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和使用要求的結(jié)論，同時根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對各個部件需要加強(qiáng)和可以簡化的部位給予建議，對以后類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考和幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 成大先主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第四版），化學(xué)工業(yè)出版社，2008.1。