全自動漿粕上料機設計與力學分析

齊鐵力，張士強，王會剛，劉海生，劉曉雯，卜勻

(唐山學院機電工程系，河北唐山063000 )

目前，DCS 系統集成在粘膠短纖維工程中得到了廣泛應用［1］，但是部分粘膠短纖維生產工藝滿足不了DCS 對自動控制的要求，粘膠短纖部分生產企業制膠車間漿粕上料仍然采用人工手動操作的方式，通過天車利用兩根大號鋼絲吊裝漿粕，然后放倒在喂粕機上。如圖1 所示，由人工吊起漿粕料垛，將料垛翻轉放到喂粕輸送機上，這種采用人工手動操作的方式，工作效率低，要求操作工技術熟練，不適應實現全線DCS 自動控制。另外，每條喂粕生產線每班需要2 個工人進行操作，一天4 班需要8 個工人，人力成本較高。文中設計的漿粕自動上料輸送機，由于采用全自動控制，每班只需用1 個工人進行操作，一天4 班可節省4 人，提高了生產效率、降低了人工成本。該工藝過程屬于粘膠短纖生產線的一部分，上料輸送機實現自動化，為整個粘膠短纖生產線實現DCS 系統自動控制做了前期準備，可以提高企業整體自動化水平，增加企業知名度。目前機械裝置的結構設計、優化由以前的經驗、類比、靜態設計階段，步入了建模、優化、動態設計階段［3－8］。因此文中利用Pro/E三維軟件建立全自動漿粕上料機三維模型，對關鍵部件料籠進行力學分析，為設計制造提供理論依據。

圖1 人工手動操作上料方式

1 上料機三維建模

利用Pro/Engineer5.0 建立上料輸送機三維模型，如圖2 所示。

圖2 上料機構整體裝配

上料機構工作原理: 工人放好料(漿粕) 堆后按下啟動按鈕，行走電機減速機正轉，上料機構開始左行，上料機構前(左為前) 有一對激光對射開關，分別安裝在傳感器架上，激光對射開關被遮擋，轉入低速運行，行至激光對射開關遮擋中止時，料已入位，左、右夾緊缸同時動作，推出左、右籠體對料夾緊，達到夾持壓力后停止。提升液壓缸推動籠體沿直線滑軌向上移動，達到最高位置。啟動翻轉電機減速機，帶動籠體旋轉，由豎直翻轉到水平位置，料垛也轉成水平。行走電機減速機反轉，上料機構向右移動，到輸送機上。升降液壓缸下降，夾緊缸動作，收回籠體，放開料垛。行走電機減速機正轉，上料機構開始左移，回到上料機構原點，翻轉電機減速機動作，籠體恢復豎直狀態，提升液壓缸下降至初始位置，各部件回到初始狀態。上料機構繼續左行取下一垛料，重復以上動作。

料包夾緊是上料機構的主要功能，該功能主要由夾緊裝置完成。夾緊裝置分為左夾緊裝置和由夾緊裝置，兩部分對稱分布，以左夾緊裝置為例說明其結構。如圖3 所示，左夾緊體裝置包括籠體、籠頭、籠頭移動缸、籠體架、移動套、夾緊缸、翻轉電機減速機、直線滑座等。移動套與籠體通過移動套螺釘連接，移動套與籠體架之間安裝前后兩個銅套，當左夾緊缸推動籠體移動時，移動套沿著前銅套、后銅套和花鍵齒移動。這樣移動套可承受籠體和料垛重力，把力通過前銅套、后銅套傳到籠體架上，再通過直線滑座和直線滑軌傳到上料機構架上。避免了左夾緊缸受彎矩，翻轉電機減速機通過齒輪傳動可使移動套旋轉，而移動套與籠體連接，所以帶動左籠體旋轉，由豎直翻轉到水平位置，料垛也轉成水平，為保證翻轉同步，右夾緊體有同步軸，左夾緊體有同步套，裝配時同步軸穿到同步套中，可保證左籠體和右籠體翻轉同步。

圖3 左夾緊裝置

2 籠體強度仿真分析

籠體是上料機關鍵部件，有必要對其進行強度分析。建立機架有限元模型時做如下假設: 籠體為理想焊接，焊接處強度近似于材料內部強度，焊接質量得到保證。為避免有限元網格相差懸殊而影響單元劃分質量和計算精度，建模時對影響結構強度較小的倒角、圓角作了簡化處理，并假設機架連接有較好的剛性。籠體材料為Q235A，其彈性模量E =2.06 ×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 ×103kg/m3。籠體采用10 節點的四面體單元，網格精度為2 級，在分析中為使劃分的網格質量高，結果更容易收斂，選擇六面體單元網格進行劃分(圖4) ，并對籠體圓角結構進行細化(圖5) 。

圖4 籠體結構網格劃分

圖5 籠體網格細化

考慮籠體上其他零件質量m1=54.8 kg，籠體質量m2=155.4 kg，籠體負擔料質量的一半m=250 kg。所以，在籠體上板上加載548 N 力，籠體下板上加載2 500 N 的力(見圖6) 。

由圖7 能看出在筒形支撐部分上的應力最大點A的應力值為71.69 MPa，安全系數S =355/71.69 =4.95。由圖8 能看出主體部分上的應力最大點B 的應力值為14.19 MPa，安全系數S =235/14.19 =16.56。圖9、圖10 分別為筒形部分和平板部分第一主應力圖，圖11 為整個籠體結構變形圖。

圖6 籠體結構力的加載

圖7 米塞斯應力圖(筒形部分)

圖8 米塞斯應力圖(平板部分)

圖9 第一主應力圖(筒形部分)

圖10 第一主應力圖(平板部分)

圖11 籠體結構變形圖

3 結構改進

通過上面的分析可看出，應力最大點出現在支撐部分底端的開槽處，是最薄弱的環節。對開槽處進行改進。根據籠體的實際使用情況，酌情減少開槽的數量，將開槽數從8 個減小為4 個，并且開槽位置避開受載最大區域(下弧面) (見圖12) 。

圖12 改進后籠體力的加載

對改進后的模型進行一系列的網格劃分，定義接觸、載荷和邊界條件。

圖13 顯示應力結果為: 筒形支撐部分上的應力最大點A 的應力值為48.66 MPa，安全系數S =355/48.66 =7.29。

圖13 米塞斯應力圖(筒形部分)

4 結論

完成了自動喂粕上料機的三維設計，采用液壓裝置做為提升及夾緊的動力裝置，穩定可靠，行走和翻轉均采用電機減速機，變頻控制，實現調速。利用ANSYS 軟件對籠體進行了力學分析，對筒體支撐部分承力薄弱部分進行了結構改進，改進后筒形支撐部分上的應力最大點A 的應力值為48.66 MPa，安全系數7.29，主體部分強度不變。

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