袋裝水泥裝車機(jī)及撥板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

李坤鵬，黃曉華,張言中,田繼濤

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在當(dāng)代建筑行業(yè)中，水泥占據(jù)著極其重要的地位，而在水泥的生產(chǎn)運(yùn)輸行業(yè)，袋裝水泥的生產(chǎn)又占據(jù)了很大的比例。目前，現(xiàn)有的袋裝水泥裝車方法普遍采用的是一種半自動化裝車機(jī)，即輸送帶傳輸外加人工碼袋，共同實(shí)現(xiàn)袋裝水泥的裝車工作[1-2]。這種方式由于存在成本高、效率低、勞動強(qiáng)度大等問題，無法和當(dāng)代高效的包裝機(jī)所匹配，此外，這種裝車環(huán)境惡劣，對裝載工人的健康以及空氣質(zhì)量造成很大的負(fù)面影響。因此，設(shè)計(jì)一款高效的自動袋裝水泥裝車機(jī)是至關(guān)重要的，以便降低成本、提高物流自動化程度。

1 自動裝車機(jī)的整體方案

1.1 裝車機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)水泥廠的水泥生產(chǎn)流程及目前市場的主要裝車機(jī)型，袋裝水泥通過灌裝機(jī)包裝好后由輸送帶傳輸，一方面輸送到碼垛機(jī)處，進(jìn)行碼垛存?zhèn)}；另一方面直接輸送到貨車車廂內(nèi)，由人工碼垛進(jìn)行裝車。

綜合碼垛機(jī)和直接裝車2種流程方式[3]，本文提出一種基于抽屜式原理的自動裝車機(jī)。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：該裝車機(jī)位于二樓平臺軌道上，一樓通道上停有待裝卡車，行走小車帶動整個(gè)裝車機(jī)行駛到卡車上方，碼垛機(jī)構(gòu)由提升裝置下落到車廂上；通過包裝機(jī)包裝好的袋裝水泥經(jīng)傳送帶運(yùn)輸?shù)剿捷斔蛶希缓蠼?jīng)傾斜輸送帶傳送到過渡輸送帶上，由過渡輸送帶進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整傳送到碼垛機(jī)構(gòu)上，碼垛機(jī)構(gòu)包含撥板機(jī)構(gòu)、抽板機(jī)構(gòu)和推板機(jī)構(gòu)，碼垛機(jī)構(gòu)碼放好一層后，提升機(jī)構(gòu)帶動整個(gè)裝置向上1個(gè)位移，以此往復(fù)循環(huán)，直至當(dāng)前車位所裝載層數(shù)達(dá)到要求，移動小車帶動整個(gè)裝車機(jī)后移，循環(huán)上述裝車流程，直至裝載完成。

1.2 碼垛機(jī)構(gòu)主要機(jī)構(gòu)及其傳動方案設(shè)計(jì)

碼垛機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝車機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是保證裝車效率與質(zhì)量的重要部分。基于抽屜式原理，本裝車碼垛機(jī)構(gòu)主要采用抽板收集袋裝物料，達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)量后統(tǒng)一落包的思想。其主要原理如圖2所示，物料由過渡輸送帶輸送到抽板上，撥板左右推動料包進(jìn)行位置擺放，最終抽板向后平移，推板機(jī)構(gòu)立起擋包，統(tǒng)一碼放料包。

圖2 碼垛原理

碼垛機(jī)構(gòu)中的主要傳動如圖3所示，撥板由同步帶驅(qū)動左右移動，抽板由同步帶驅(qū)動前后移動。兩者協(xié)同作業(yè)，完成碼垛過程的擺包和落包過程。

圖3 碼垛傳動方案

2 撥板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撥板機(jī)構(gòu)是碼垛機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是保證料包整齊排列的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包含撥板、法蘭滑塊和導(dǎo)軌，其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，抽板底板尺寸寬為2 200 mm,長為1 300 mm，底板為斜坡狀，與水平面夾角為6°。撥板通過導(dǎo)柱的法蘭滑塊相連，可在導(dǎo)柱上滑動，撥板2個(gè)頂角通過同步帶壓板及連接裝置與同步帶相連，在同步帶的驅(qū)動下左右移動，完成擺包動作。撥板與法蘭滑塊相連，安裝在直線導(dǎo)軌上，直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)尺寸為φ=40 mm,長度l=1 500 mm,安裝在主框架上。

圖4 撥板機(jī)構(gòu)

為方便后續(xù)計(jì)算分析，簡化板上連接小孔，撥板的結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中板厚t=10 mm,其余詳細(xì)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖5 撥板結(jié)構(gòu)示意

表1 撥板尺寸

3 撥板機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析與仿真

3.1 撥板的力學(xué)分析

當(dāng)袋裝料包經(jīng)輸送帶運(yùn)送到抽板上，來料2包或者3包時(shí)，撥板開始進(jìn)行分撥料包。在此勻速運(yùn)動過程中，對撥板進(jìn)行受力分析[4]，如圖6所示。圖6a中，撥板的下部分陰影區(qū)域表示受到料包的阻力，方向垂直界面向里，用勻強(qiáng)壓力P表示；左右2個(gè)上角為驅(qū)動力作用區(qū)域，驅(qū)動力方向垂直直面向外，用F1和F2表示。

圖6 撥板受力示意

針對圖6a在豎直方向受力所在平面內(nèi)力矩平衡為

(1)

lFNi,O(i=1,2)表示力到板質(zhì)心的距離。

針對圖6b中，相對于兩孔所在水平面，根據(jù)力矩平衡則有

(2)

雖然板的下邊界與水平面有1個(gè)夾角，但是阻力和驅(qū)動力相對于x軸的力矩相等，故M1與M2的大小相同，即

M1=M2

(3)

由式(2)與式(3)聯(lián)立，即可得到板大端的水平力矩M2；由力的傳導(dǎo)特性，可得撥板的最大應(yīng)力在圓孔與驅(qū)動力的連線附近，此處不再推導(dǎo)其最大應(yīng)力公式。

3.2 撥板導(dǎo)柱的力學(xué)分析

由于撥板的質(zhì)心靠近大端處，故前端導(dǎo)柱所承受的力較大，此處針對大端處所對應(yīng)的導(dǎo)柱進(jìn)行力學(xué)分析，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)柱受力分析

由材料力學(xué)[5]知，導(dǎo)柱受力可等價(jià)為圖7b和圖7c的疊加，此問題為靜不定問題，當(dāng)只受壓力時(shí)，如圖7b所示，由變形協(xié)調(diào)條件可得

(4)

根據(jù)疊加法可知：

θa=θa,FN2+θa,Ma1+θa,Mb1=

(5)

θb=θb,FN2+θb,Ma1+θb,Mb1=

(6)

Ma1,Mb1分別為a端和b端的彎矩。聯(lián)立求解式(4)～式(6)，得支點(diǎn)處的彎矩大小為：

(7)

(8)

由平衡方程得a端與b端的垂直支持反力大小為：

(9)

(10)

(11)

同理，當(dāng)只受如圖7c所示的彎矩時(shí)，其a與b支點(diǎn)處力和彎矩的大小分別為

(12)

考慮力和力矩的方向等問題，當(dāng)兩者同時(shí)作用時(shí)，支點(diǎn)a與b處總力和彎矩為：

(13)

(14)

對整個(gè)導(dǎo)柱上的內(nèi)力進(jìn)行分析，由材料力學(xué)中剪力與彎矩圖，可得最大剪力在導(dǎo)柱的左半部分，最大彎矩在支點(diǎn)a處，其最大值分別為：

(15)

(16)

則a處最大彎曲正應(yīng)力為

(17)

Wz為導(dǎo)柱的抗彎截面系數(shù)。

3.3 基于ANSYS的仿真分析

為驗(yàn)證撥板機(jī)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，采用ANSYS Workbench對撥板機(jī)構(gòu)的受力進(jìn)行仿真分析。撥板材料為Q235，撥板導(dǎo)柱為45號鋼，其材料屬性[6]如表2和表3所示。

表2 撥板的材料參數(shù)

表3 撥板導(dǎo)柱的材料參數(shù)

當(dāng)撥板在導(dǎo)柱中點(diǎn)時(shí)，對模型施加載荷，由于設(shè)計(jì)最大推包數(shù)為3包，每包質(zhì)量為50 kg,水泥包與底板的摩擦因數(shù)為0.25，即阻力f為375 N，水泥包厚度約150 mm，即3包水泥的阻力均勻作用在撥板下端高為150 mm的矩形區(qū)域，設(shè)置載荷時(shí)選用類型為：Pressure(均勻壓力)大小為1.78×10-3MPa；撥板2個(gè)上角驅(qū)動力，此處受壓面積為150 mm×80 mm，設(shè)置Pressure為1.56×10-3MPa，其余設(shè)置此處不再詳述。通過仿真運(yùn)行，得到撥板在導(dǎo)柱中點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變云圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8 撥板機(jī)構(gòu)變形云圖

圖9 撥板機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

根據(jù)圖8撥板機(jī)構(gòu)的變形云圖可知，導(dǎo)柱上的最大變形發(fā)生在中點(diǎn)位置，最大值約為0.239 mm；撥板的最大變形發(fā)生在驅(qū)動力作用的2個(gè)角部以及下部中點(diǎn)位置，角部最大變形為0.359 mm，下部中點(diǎn)位置最大變形為0.319 mm。而對于最大應(yīng)力部分，由圖9可知，導(dǎo)柱上主要出現(xiàn)在左端連接處，最大值為10.912 MPa，撥板上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在撥板連接孔與驅(qū)動力所在點(diǎn)的連線上，最大值為12.502 MPa。

導(dǎo)柱的直徑為40 mm,則其抗彎截面系數(shù)Wz=6.28×10-6m3，將撥板和導(dǎo)柱尺寸數(shù)據(jù)及上述驅(qū)動參數(shù)代入到式(17)中，最終得導(dǎo)柱的最大應(yīng)力為8.833 MPa。

對撥板機(jī)構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)理論值和仿真值接近，誤差產(chǎn)生因素可能為導(dǎo)柱所受彎矩比分析的還要復(fù)雜；其次建模計(jì)算是按最大彎曲正應(yīng)力，因此比綜合性仿真的值略小。綜合考慮，說明理論建模的正確性。最后通過仿真云圖發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 結(jié)束語

首先,通過分析現(xiàn)有袋裝水泥生產(chǎn)及裝車流程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，建立了全自動裝車機(jī)模型，并對主要的碼垛機(jī)構(gòu)中的撥板機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對正常工況下的撥板機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模，分別對撥板和撥板導(dǎo)柱進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)求解，推導(dǎo)最大應(yīng)力應(yīng)變公式，并預(yù)估其所在位置。最后通過ANSYS Workbench對其工作時(shí)的變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了模型的正確性的同時(shí)，也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方向。