趙海倫

（南昌大學(xué)，江西 南昌 330038）

1 引言

EMS小車又叫自行小車懸掛輸送系統(tǒng)，是高度體現(xiàn)機(jī)電一體化現(xiàn)代技術(shù)的物流系統(tǒng)，在制造業(yè)特別是生產(chǎn)車間的物料運(yùn)輸中發(fā)揮著舉足輕重的作用。EMS小車由軌道、自行小車（主動(dòng)車、從動(dòng)車）、剪刀差結(jié)構(gòu)、提升皮帶、提升電動(dòng)機(jī)和電控系統(tǒng)等組成，其中軌道中設(shè)有滑觸線和二維碼，分別給小車供電和提供定位信息。提升皮帶是小車的主要承重部件，剪刀差結(jié)構(gòu)主要用于提高小車的穩(wěn)定性。電控系統(tǒng)通過(guò)漏波通信控制小車的升降和行走。EMS小車的基本結(jié)構(gòu)和各部分主要功能如圖1所示。

EMS小車具有停車準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、安全可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于一些自動(dòng)化程度較高、對(duì)物流系統(tǒng)定位準(zhǔn)確度要求較高的場(chǎng)所。

圖1 EMS小車基本結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

我司EMS主要用于半成品在不同工序之間的運(yùn)輸，目前該系統(tǒng)在剪刀差升降以及小車行走時(shí)存在晃動(dòng)大導(dǎo)致定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，此外我司半成品為粉末態(tài)高純二氧化硅棒材，剪刀差晃動(dòng)可能導(dǎo)致半成品磕碰從而導(dǎo)致報(bào)廢，因此需要對(duì)EMS小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，盡可能避免小車的晃動(dòng)，增強(qiáng)小車重復(fù)定位準(zhǔn)確度，提升小車流轉(zhuǎn)效率和安全性。

現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)觀察EMS小車升降、行走時(shí)各個(gè)部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)剪刀差連接臂存在微量變形，小車輕微晃動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)小車的結(jié)構(gòu)分析，導(dǎo)致連接臂變形的主要可能原因是升降和行走過(guò)程中貨物擺動(dòng)導(dǎo)致受力方向偏離豎直方向，而由于連接臂軸向的強(qiáng)度不足從而發(fā)生變形。本文主要介紹了一種通過(guò)ANSYS軟件對(duì)EMS小車的連接臂部件強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析，對(duì)應(yīng)力較大的位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、優(yōu)化的方法。

3 剪刀差有限元模型建立

3.1 有限元分析步驟

有限元分析是隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，其基本原理是將所求解的力學(xué)問(wèn)題通過(guò)有限單元的劃分使之離散為有限的自由度，采用變分原理使其處理為代數(shù)方程組的求解問(wèn)題。其本質(zhì)是將一個(gè)連續(xù)的物體簡(jiǎn)化為有限個(gè)離散單元組成的組合體來(lái)進(jìn)行求解。有限元分析分為前處理、求解計(jì)算和后處理三個(gè)步驟，其具體流程如圖2所示。

圖2 有限元分析流程

3.2 EMS剪刀差模型簡(jiǎn)化

雖然有限元分析理論上需要保證有限元模型和實(shí)物模型盡可能相似以保證分析準(zhǔn)確度，但是大量的經(jīng)驗(yàn)證明零件的一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)（如倒角、螺紋孔等）在有限元分析時(shí)可以忽略。因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的僅僅是為了零件間的連接和工藝需求，而不是出于強(qiáng)度和剛度的考慮。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的原則是：既能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性及邊界約束條件，又能使計(jì)算量盡可能小。

由圖1 EMS小車的整體結(jié)構(gòu)可以看出，EMS小車初始結(jié)構(gòu)零件較多，難以直接進(jìn)行有限元分析，因此需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)現(xiàn)，剪刀差主要發(fā)生的是軸向變形，且變形主要發(fā)生在連接臂部位，而在其他部位基本不存在變形，因此可以去除電動(dòng)機(jī)、皮帶等結(jié)構(gòu)，僅對(duì)連接臂部分進(jìn)行分析。而連接臂部分存在大量的用于固定不影響整體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)（如免鍵軸襯、關(guān)節(jié)銷擋片、襯套等），這些結(jié)構(gòu)會(huì)大大增加計(jì)算量，因此在分析時(shí)需要將這些結(jié)構(gòu)去除。由于去除了這些連接部件，不再需要考慮干涉，可以將連接臂簡(jiǎn)化為間距相同的結(jié)構(gòu)。此外還可以去除連接臂表面的螺紋孔、倒角等結(jié)構(gòu)，以避免有限元網(wǎng)格劃分失敗或者產(chǎn)生不合理形狀的單元，從而導(dǎo)致計(jì)算失敗。由于伸長(zhǎng)量越大連接臂變形越明顯，因此本文以最大伸長(zhǎng)量所在位置為例將連接臂部分假設(shè)為一個(gè)整體進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化，得到的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 連接臂簡(jiǎn)化模型

3.3 模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)，網(wǎng)格劃分的形式將對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算規(guī)模產(chǎn)生直接影響。由于連接臂結(jié)構(gòu)厚度均勻、形狀規(guī)則，因此使用三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于連接臂受力比較簡(jiǎn)單而且應(yīng)力分布不復(fù)雜，為了降低計(jì)算量，使用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。經(jīng)驗(yàn)表明網(wǎng)格較大時(shí)，縮小網(wǎng)格尺寸能夠顯著提高準(zhǔn)確度而不會(huì)對(duì)計(jì)算時(shí)間有太大影響，而網(wǎng)格較小時(shí)再縮小網(wǎng)格尺寸對(duì)準(zhǔn)確度影響較小，但是會(huì)明顯增加計(jì)算時(shí)間。因此本文從50 mm開(kāi)始每次5 mm縮小網(wǎng)格尺寸，對(duì)比前后兩種網(wǎng)格，如果差距較大（應(yīng)變量大于2 mm），則繼續(xù)縮小網(wǎng)格尺寸。最終確定以20 mm的四面體單元對(duì)剪刀差進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 連接臂網(wǎng)格模型

4 強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 模型的靜力學(xué)分析

由于導(dǎo)致EMS剪刀差變形的力主要來(lái)自于小車運(yùn)動(dòng)時(shí)所運(yùn)貨物的晃動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，EMS小車運(yùn)動(dòng)時(shí)貨物最大的傾斜角度約為10°，所運(yùn)貨物的重量一般為50～55 kg。因此以最不利載荷的極限工況為例對(duì)模型受力進(jìn)行分析，連接臂部分所受的軸向力

F

為

因此對(duì)模型底部固定板加載94 N的軸向力。由于模型頂部固定板與自行小車相連，所以可以假設(shè)該結(jié)構(gòu)固定。

根據(jù)上述的受力情況和邊界條件，對(duì)模型進(jìn)行求解，得到EMS小車連接臂部分在最大軸向載荷工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布圖，如圖5、圖6所示。

圖5是由ANSYS模擬剪刀差軸向載荷最大時(shí)工況的應(yīng)力分布圖，從圖5中可以看出，EMS小車載貨時(shí)連接臂部分最大應(yīng)力為62.17 MPa，發(fā)生位置在各連接臂相連處，且應(yīng)力值小于Q235的許用應(yīng)力。圖6是剪刀差連接臂位移分布圖，從圖6中可以看出連接臂的位移量基本與和頂部固定板的距離成正比，最大位移為34.02 mm發(fā)生在底部固定板。

圖5 連接臂應(yīng)力分布圖

圖6 連接臂位移分布圖

4.2 模型的諧響應(yīng)分析

由于貨物近似于均勻桿件，因此載貨時(shí)貨物的晃動(dòng)可以近似的看成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，為了得到更接近實(shí)際的載荷分布，本文對(duì)連接臂模型進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。根據(jù)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程可以求出貨物運(yùn)動(dòng)的周期

根據(jù)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程和實(shí)際的幾何關(guān)系可以得出

式中，

A

是貨物最大振幅，這里為1.5sin10°；

α

是貨物與連接臂底部固定板的夾角；

ω

是與振動(dòng)的頻率相關(guān)的常數(shù)；

x

是貨物重心位移量。

因此剪刀差底部固定板所受的力

根據(jù)上述受力情況對(duì)連接臂進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到模型的應(yīng)力情況如圖7所示。

圖7 諧波載荷下連接臂應(yīng)力分布圖

由圖7可以看出，諧波載荷下連接臂最大應(yīng)力為83.98 MPa，發(fā)生在各連接臂相連處，小于Q235的許用應(yīng)力。

4.3 連接臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)強(qiáng)度分析的結(jié)果可以看出：剪刀差連接臂的強(qiáng)度較低，當(dāng)EMS小車在55 kg的負(fù)載時(shí)，連接臂會(huì)存在較明顯的晃動(dòng)，因此需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到外置加強(qiáng)板對(duì)強(qiáng)度的提升有限，因此將連接臂改為整板折彎結(jié)構(gòu)，并將鋼板厚度從5 mm增加到8 mm。此外為了避免干涉，在三維軟件中對(duì)連接臂部分進(jìn)行裝配，并根據(jù)裝配情況對(duì)連接臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。將兩處存在干涉且難以通過(guò)調(diào)整中間鋼板長(zhǎng)度來(lái)避免干涉的100 mm連接臂改為兩側(cè)加固結(jié)構(gòu)：一側(cè)為整板折彎；另一側(cè)通過(guò)焊接加強(qiáng)板進(jìn)行加固，如圖8所示。最終得到如圖9所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖8 連接臂優(yōu)化示意圖

圖9 優(yōu)化后連接臂部分示意圖

按照初始結(jié)構(gòu)的模型簡(jiǎn)化方法，將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，得到最大伸長(zhǎng)量時(shí)的簡(jiǎn)化模型如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后連接臂簡(jiǎn)化模型

將優(yōu)化后的模型按照上面的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和靜力學(xué)分析，得到的應(yīng)力和位移分布云圖如圖11、12所示。

圖11是優(yōu)化后連接臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，從圖11中可以看出，優(yōu)化后連接臂的最大應(yīng)力為38.79 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力減少了37.61%。圖12是優(yōu)化后的連接臂結(jié)構(gòu)位移分布云圖，從圖12中可以看出優(yōu)化后連接臂結(jié)構(gòu)的最大位移為19.57 mm，優(yōu)化后位移減少了42.48%。

圖11 優(yōu)化后模型應(yīng)力云圖

圖12 優(yōu)化后模型位移云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以我司EMS小車在實(shí)際使用中存在的問(wèn)題為依據(jù)，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)EMS小車剪刀差部分進(jìn)行了有限元分析，分別模擬了最大軸向負(fù)載下EMS小車剪刀差連接臂部分的應(yīng)力和位移情況，以及交變載荷下連接臂的應(yīng)力分布。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)剪刀差連接臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比原結(jié)構(gòu)降低了37.60%，最大位移比原結(jié)構(gòu)降低了42.48%。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅提升，能夠完全滿足我司的實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景使用需求。