基于Pro E-Mechanica新型壓榨機(jī)頂板設(shè)計(jì)與分析

郭崇嵩，周 忍

(1.簡森工業(yè)洗滌技術(shù)(徐州)有限公司，江蘇 徐州 221000； 2.徐工消防安全裝備有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

工業(yè)洗滌機(jī)械屬于機(jī)械制造行業(yè)的一個(gè)分支[1-2]。近年來高效，高可靠性，高自動(dòng)化的洗滌生產(chǎn)線不斷發(fā)展，形成洗-壓-烘-燙-疊，一體的現(xiàn)代化生產(chǎn)線。對相應(yīng)的洗滌機(jī)械提出了更高的要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)輕量化，可靠性以及加工便捷化顯得更為重要。筆者所介紹的壓榨機(jī)是洗滌生產(chǎn)線中必不可少的核心機(jī)器之一，可以快速脫除洗滌物中的水分。[3]機(jī)器的可靠性關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線的平穩(wěn)高效的運(yùn)行，壓榨機(jī)頂板是壓榨機(jī)的主要核心零部件之一，目前已存在的頂板結(jié)構(gòu)為鋼板拼焊，其結(jié)構(gòu)笨重、加工工藝復(fù)雜、焊接變形難以控制，在加工生產(chǎn)，運(yùn)輸安裝過程中均存在不同程度的問題。筆者根據(jù)頂板的受力特點(diǎn)和壓榨機(jī)的工作原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新的頂板結(jié)構(gòu)，并使用ProE-Mechanica對新、舊兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元的對比分析，觀察受力以及變形結(jié)果并進(jìn)行結(jié)果討論[4]。

1 頂板結(jié)構(gòu)模型建立

目前市場上存在的頂板結(jié)構(gòu)多數(shù)為鋼板拼焊的框架結(jié)構(gòu)，為了保證頂板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)形式比較笨重，實(shí)際加工中焊接量較大，焊接變形較嚴(yán)重，后續(xù)加工難度較大，其主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示(為了方便后續(xù)比較，該種結(jié)構(gòu)形式定義為TP1)。

圖1 TP1三維結(jié)構(gòu)模型及斷截面形式

TP1結(jié)構(gòu)模型參數(shù)屬性如表1所列。

表1 TP1結(jié)構(gòu)模型參數(shù)表

壓榨機(jī)頂板的位置為機(jī)器的上部，上面安裝執(zhí)行油缸，液壓站，電器柜等部件，工作原理如圖2(a)所示：濕布草進(jìn)入容器中，主油缸下壓進(jìn)行布草脫水，之后使用推板將壓成餅狀布草推出，然后進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)。

圖2 壓榨機(jī)工作原理

根據(jù)工作原理可以得出頂板為整個(gè)機(jī)器的核心受力部件，而頂板中間主油缸安裝位置以及周圈四處固定位置為主要受力的位置，即圖3中A～G中各點(diǎn)，故在拓?fù)鋬?yōu)化的過程中考慮在A-E、B-F、C-G、D-H以及E-F-G-H位置處增加加強(qiáng)筋，針對受力較小的陰影部位進(jìn)行了“挖空“處理，在保證零件剛度強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減小了零件的重量。同時(shí)考慮加工工藝，新結(jié)構(gòu)形式采用鑄造的加工方式，解決了焊接工藝變形的問題，結(jié)構(gòu)形式定義為TP2。

圖3 TP2受力分析及三維結(jié)構(gòu)模型

優(yōu)化后的TP2結(jié)構(gòu)模型參數(shù)屬性如表2所列。

表2 TP2結(jié)構(gòu)模型參數(shù)表

由上表可以看出新結(jié)構(gòu)重量比原結(jié)構(gòu)重量降低400 kg，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)。下面我們基于ProE-Mechanica對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，一方面驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化過程中對頂板受力分析的正確性，另一方面從應(yīng)變大小和變形量兩個(gè)維度對新舊兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 受力模型建立

為了保證對比結(jié)果的有效性，對于兩種模型采取同樣的加載方式，受力的簡化力求與實(shí)際受力情況一致。

2.1 受力分析

(1) 根據(jù)壓榨機(jī)主要的工作原理，主油缸承載最大壓力時(shí)，此時(shí)由油缸下壓產(chǎn)生的支反力最大，頂板受力最大。

(2) 在主油缸承載最大壓力時(shí)，兩側(cè)的輔助油缸需要持續(xù)提供一定的下壓載荷，對頂板產(chǎn)生一定的支反力。

(3) 頂板上安裝有液壓站和電器柜等零部件，該部分零部件的重力需要添加到計(jì)算模型中。

綜上所述，將受力模型變量的目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)為：

X=[F1,F2,G1,G2]T

式中：F1為主油缸產(chǎn)生支反力；F2為輔助油缸產(chǎn)生支反力；G1為液壓站重力；G2為電器柜重力。

圖4 TP受力簡化模型

2.2 受力計(jì)算

目前市場上最普遍的壓榨機(jī)在頂板受力最大時(shí)，壓榨布草的壓力P1為37～40 Bar。此處取40 Bar進(jìn)行計(jì)算，主油缸承載最大壓力是，兩側(cè)輔助油缸施加的下壓載荷經(jīng)驗(yàn)值P2為：60 Bar。

F1=Pi*S

式中：P為油缸施加的壓力；S為相應(yīng)壓力作用的面積；i=1,2。

經(jīng)過計(jì)算可以得出相應(yīng)的載荷如表3所列。

表3 受力模型參數(shù)表

3 模型加載及有限元分析

將上述載荷分別加載到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行有限元分析，主要從結(jié)構(gòu)的受力和變形兩個(gè)維度來考察結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)[5]。

加載過程中將頂板底部4處安裝面進(jìn)行全約束的簡化處理，分別添加目標(biāo)載荷進(jìn)行計(jì)算。

3.1 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

如圖5所示，經(jīng)過加載計(jì)算得到兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力云圖。

圖5 應(yīng)力云圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形云圖

兩種結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算后得到的變形云圖如圖6所示。

圖6 變形云圖

4 結(jié)果對比及分析

經(jīng)過有限元分析計(jì)算可以得出上述兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值和最大變形值如[6]表6所列。

從上表中可以看出，雖然兩種結(jié)構(gòu)模型都能夠滿足正常的工作要求，但TP2的應(yīng)力和變形狀態(tài)要優(yōu)于TP1，其中應(yīng)力值TP2比TP1小89%，變形量TP2比TP1小15%，同時(shí)TP2結(jié)構(gòu)要比TP1結(jié)構(gòu)輕量化23.5%。

表4 結(jié)果分析對比表

考慮客戶端安裝空間和安裝工具都有很大的局限性，頂板的重量是機(jī)器比較關(guān)注的參數(shù)之一，重量越小對運(yùn)輸以及安裝都有著比較大的優(yōu)勢； TP2結(jié)構(gòu)形式為整體鑄件，TP1結(jié)構(gòu)形式為板材拼焊，新結(jié)構(gòu)成功的解決了焊接過程中變形量較大的這個(gè)問題，提高了加工的便捷性。符合機(jī)器安全，可靠，高效，輕量化的發(fā)展趨勢。綜上所述，TP2結(jié)構(gòu)形式要優(yōu)于TP1結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié) 語

建立三維結(jié)構(gòu)模型，通過拓?fù)鋬?yōu)化模型設(shè)計(jì)、受力分析、有限元分析對兩種壓榨機(jī)頂板結(jié)構(gòu)從應(yīng)力，變形和自身質(zhì)量方面進(jìn)行了對比分析。一方面有限元分析的受力狀態(tài)和理論分析的受力狀態(tài)一致：頂板的主要受力和變形部位為中間主油缸安裝部位，其余部位受力和變形很小，可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面雖然兩種結(jié)構(gòu)形式均可以滿足目前工作需求，但通過分析看出新結(jié)構(gòu)形式比舊結(jié)構(gòu)要好，應(yīng)力和變形更小，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的輕量化。本文系統(tǒng)直觀的闡述了壓榨機(jī)頂板的受力變形情況，提出了一種更優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)分析了受力分布狀態(tài)，為后續(xù)其他零部件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。