王屹楨，張 宇，侯榮國(guó)，曹茗茗，呂 哲

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255000)

近年來(lái)，我國(guó)在制磚技術(shù)領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這使得市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的需求大幅度增加。目前，在制磚工藝過(guò)程中，磚坯成形和燒結(jié)磚拆卸、運(yùn)輸打包等工序?qū)崿F(xiàn)了一定的機(jī)械化和自動(dòng)化，但由于自動(dòng)化程度不高導(dǎo)致燒結(jié)磚坯從分流輸送到包裝裝車仍需大量人工來(lái)輔助完成，生產(chǎn)過(guò)程中也易出現(xiàn)翻磚和堆磚現(xiàn)象，這些問(wèn)題嚴(yán)重地制約了自動(dòng)化的生產(chǎn)水平[1]。因此，在保證燒結(jié)磚輸送質(zhì)量的前提下，提高制磚工作效率、節(jié)能降耗、節(jié)省人工成本創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益顯得至關(guān)重要。為此，孫少?gòu)?qiáng)等[2]人設(shè)計(jì)了四桿導(dǎo)向裝置來(lái)提高磚坯運(yùn)輸效率，王薪鑒等[3-4]人借助ANSYS 軟件對(duì)自身設(shè)計(jì)的卸磚夾緊裝置進(jìn)行靜態(tài)及模態(tài)分析為提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供理論支撐。廣東的兩家企業(yè)分別研制了雙機(jī)械手智能分級(jí)揀磚機(jī)構(gòu)和高速分揀下磚機(jī)構(gòu)，旨在解決不同產(chǎn)能需求和輸送過(guò)程中的堵磚現(xiàn)象[5-6]。

本文在此發(fā)展背景下設(shè)計(jì)出一種新型電控分磚機(jī)構(gòu)，通過(guò)ANSYS 有限元軟件模擬在重載荷作用下分磚結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件的應(yīng)力參數(shù)和應(yīng)變規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 分磚機(jī)構(gòu)工況分析

1.1 工藝流程分析

本文以尺寸240mm×115mm×53mm、單磚質(zhì)量為2.63kg 的標(biāo)準(zhǔn)磚坯為例，要求分揀出規(guī)格4 列18 排磚垛層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分磚機(jī)構(gòu)的流程圖如圖1 所示。

具體分磚工作流程：首先由齊磚機(jī)構(gòu)將輸送線上的各個(gè)磚塊進(jìn)行間隙消除和有序歸攏以備整齊推送至分裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行整理和分離，分離成4 列18 排的矩形磚垛層后通過(guò)碼垛機(jī)械臂有序抓取累跺，之后通過(guò)傳動(dòng)輸送裝置運(yùn)輸打包機(jī)構(gòu)進(jìn)行封裝載運(yùn)。

1.2 分磚結(jié)構(gòu)主要組成

分磚機(jī)整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖2 所示，整齊磚陣從左側(cè)X 軸方向推入(箭頭方向)經(jīng)過(guò)前后載磚平臺(tái)匯聚推板截止，分磚機(jī)構(gòu)通過(guò)光、電、磁等非接觸感應(yīng)元器件進(jìn)行位置定位控制，以確保磚料輸送控制的可靠性。

圖2 分磚結(jié)構(gòu)構(gòu)成(為方便描述，4-后載磚平臺(tái)為透明顯示)

分磚機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成。其一為磚塊整理部分，主要由滑塊導(dǎo)軌、推板及推板氣缸等部件構(gòu)成，精確設(shè)定磚跺尺寸和推板位移量，采用氣壓驅(qū)動(dòng)推板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多余磚塊的回推使其達(dá)到預(yù)定磚跺目標(biāo);其二為磚塊分離部分，主要由加持氣缸、平臺(tái)分離氣缸和前載磚平臺(tái)等部件構(gòu)成，加持氣缸對(duì)回推后兩邊磚料進(jìn)行加持定位，而后平臺(tái)分離氣缸通過(guò)伸縮作用使兩側(cè)拼接載磚平臺(tái)分離，即標(biāo)定磚跺與原始磚堆實(shí)現(xiàn)分離，分離間距用于后續(xù)碼垛。

1.3 分磚結(jié)構(gòu)靜力學(xué)受力分析

載磚平臺(tái)作為支撐板件在磚坯負(fù)載和機(jī)架支撐力的綜合受力下易使形體產(chǎn)生形變失效，所以針對(duì)平臺(tái)薄板零件進(jìn)行力學(xué)及有限元分析研究。選載磚平臺(tái)為有限元主要研究對(duì)象。為使平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，支架提供四組支撐如圖3 所示，其中有三組同規(guī)格軸承及一組滑塊導(dǎo)軌共同支撐載磚平臺(tái)和磚坯負(fù)載，通過(guò)簡(jiǎn)化采用靜力學(xué)受力分析和有限元接觸應(yīng)力分析進(jìn)行求解分析。

圖3 機(jī)架支點(diǎn)受力分布

載磚平臺(tái)靜力學(xué)受力分析：支架上每組支點(diǎn)對(duì)稱分布視為四組外力，在力系的作用下作用于平臺(tái)表面且處于平衡狀態(tài)，可忽略摩擦將其等效和簡(jiǎn)化為支座桿件受力(此時(shí)載磚平臺(tái)視做剛體)。

如圖4 所示，F(xiàn)1為推板氣缸及輔助零部件的等效作用力;其中虛線區(qū)域?yàn)榇u坯于平臺(tái)上的分布載荷q，實(shí)線箭標(biāo)Fq1為該分布載荷的等效合力，其大小等于載荷集度與載荷面積的乘積。

圖4 載磚平臺(tái)受力圖

2 載磚平臺(tái)有限元分析

前處理：利用solidworks 進(jìn)行三維建模，為了最大程度還原分磚過(guò)程中后載磚平臺(tái)上表面的均布受力，將其所受集中力進(jìn)行均布施力換算并將三維模型導(dǎo)入ANSYS DesignModeler 進(jìn)一步按實(shí)際受力面劃分出適用于施加載荷的區(qū)域(面印記區(qū)域)，材料添加屬性如表1 所示。

表1 材料參數(shù)表

網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格劃分，以此提高運(yùn)算效率和精度。其中，網(wǎng)格單元尺寸為10mm，關(guān)聯(lián)中心缺省為粗糙特性，網(wǎng)格劃分質(zhì)量接近92%。另外，將機(jī)架底座平面設(shè)定為固定約束，且平臺(tái)三塊面印記區(qū)域分別施加均布?jí)毫Γ渲蠧 區(qū)域約為2046Pa(磚坯負(fù)載)，A、B 區(qū)域約為1017Pa(氣缸等部件負(fù)載)，如圖5所示。

圖5 平臺(tái)受力分布圖

后處理：在Mechanical 中添加載磚平臺(tái)整體變形顯示和應(yīng)力應(yīng)變顯示并計(jì)算求解。

通過(guò)圖6(a)可以看出載磚平臺(tái)在外力作用下變形區(qū)域以平臺(tái)中線呈對(duì)稱分布由兩側(cè)逐漸向中線遞增，在臨近平臺(tái)末端中部區(qū)域出現(xiàn)最大變形量，說(shuō)明磚坯均布載荷在求解過(guò)程中合力值主要作用點(diǎn)在平臺(tái)末端附近，這與靜力學(xué)分析一致。平板最大變形量約為0.622mm，表明均布載荷在求解過(guò)程中其合力值主要作用點(diǎn)在平臺(tái)末端附近與靜力學(xué)受力分析一致，平板最大變形量遠(yuǎn)小于機(jī)構(gòu)失效形變量可忽略不計(jì)。圖6(b)表明載磚平臺(tái)在磚跺與機(jī)架支點(diǎn)接觸區(qū)域應(yīng)力集中明顯，在第三組軸承支點(diǎn)與平臺(tái)接觸處區(qū)域其值約為36.9Mpa，與靜力學(xué)理論計(jì)算應(yīng)力值(40.57Mpa)近似。參照應(yīng)力破壞失效形式和安全因數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核參數(shù)取自表1。塑性材料在強(qiáng)度計(jì)算中用許用應(yīng)力[σ]進(jìn)行判訂如表2 所示，通過(guò)靜力學(xué)理論分析及有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)其表面受力所產(chǎn)生的應(yīng)力極值皆小于Q235 材料的許用應(yīng)力值(156Mpa)因此載磚平臺(tái)強(qiáng)度剛度良好。

圖6 平臺(tái)應(yīng)力應(yīng)變分析云圖

表2 材料校核參數(shù)表

3 機(jī)架支點(diǎn)接觸應(yīng)力分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)架結(jié)構(gòu)及其支撐部件作為主要的受力部件其自身的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性能是保障制磚正常運(yùn)作的關(guān)鍵，因此針對(duì)機(jī)架及關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元仿真分析和優(yōu)化。

機(jī)架接觸應(yīng)力分析前處理設(shè)置與平臺(tái)應(yīng)力分析相同，綁定接觸設(shè)置采用罰函數(shù)接觸算法對(duì)稱接觸行為進(jìn)行運(yùn)算，機(jī)架接觸應(yīng)力云圖如圖7(a)、(b)所示。

從圖7(a)中可以看出，機(jī)架中8 個(gè)接觸點(diǎn)在受載狀下整體應(yīng)力平均保持在25Mpa，各支撐點(diǎn)臨近中軸線一側(cè)應(yīng)力值較高。由于各支點(diǎn)受力不均，導(dǎo)致單側(cè)受力面的應(yīng)力過(guò)于集中出現(xiàn)應(yīng)力峰值。其最大接觸應(yīng)力值為152.1Mpa，見(jiàn)圖7(b)。分析表明：在保證材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)的同時(shí)提高支點(diǎn)的有效接觸面積，可有效避免應(yīng)力集中的產(chǎn)生。

圖7 機(jī)架接觸應(yīng)力云圖

基于對(duì)載磚平臺(tái)應(yīng)力應(yīng)變及支點(diǎn)應(yīng)力分析，為進(jìn)一步改善機(jī)架應(yīng)力分布，針對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并通過(guò)優(yōu)化支點(diǎn)布局使結(jié)構(gòu)更加可靠穩(wěn)定。在施載區(qū)域施加均布載荷，將機(jī)架底座設(shè)置為固定約束，計(jì)算結(jié)束后將機(jī)架從總應(yīng)力分析中分離進(jìn)行單獨(dú)分析。圖8 為機(jī)架應(yīng)力云圖，圖中標(biāo)尺代表支撐軸承優(yōu)化前后相隔間距。

從圖8(a)中可以看出，在滿載狀態(tài)下應(yīng)力極值主要集中C 點(diǎn)上，其最大應(yīng)力值為190.2Mpa。從圖8(b)輸出結(jié)果表明，將C、D 點(diǎn)間距合理增加后，D 點(diǎn)的應(yīng)力值相對(duì)減小，其最大應(yīng)力值為170.9Mpa，達(dá)到了一定的優(yōu)化效果且優(yōu)化前后應(yīng)力值均小于其材料的許用應(yīng)力機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠。

圖8 機(jī)架應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)分磚機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行了數(shù)值模擬，運(yùn)用靜力學(xué)理論分析及ANSYS 有限元分析對(duì)機(jī)構(gòu)中容易失效的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，獲得如下結(jié)論：

(1)通過(guò)載磚平臺(tái)靜力學(xué)分析可知應(yīng)變應(yīng)力值符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度剛度需求。理論分析對(duì)有限元分析起到一定的輔助作用，有利于對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)(危險(xiǎn)截面)進(jìn)行校核評(píng)估。

(2)通過(guò)機(jī)架各支點(diǎn)的接觸應(yīng)力分析可知，其中第三組軸承支撐應(yīng)力值達(dá)到峰值(150.1Mpa)。為減少軸承單側(cè)應(yīng)力聚集，采用多支點(diǎn)接觸來(lái)增加接觸面積以改善集中應(yīng)力的影響。

(3)通過(guò)機(jī)架各支點(diǎn)重新排列建模，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前后應(yīng)力極值由190.2Mpa 減少至170.9Mpa，有效地改善了平臺(tái)的穩(wěn)定性。