一種新型柴油機缸蓋機械輸送設備的設計與研究

張世明,鮑君華,何衛東

(大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)

0 引言

近些年來，為了滿足實際生產需求，各種新型輸送設備不斷出現，許多企業和大學進行了相關研究，以提高裝配機械的自動化程度和裝配流水線的生產效率。隨著現代化科學技術的不斷提高，機械化程度不斷提高，人們對機械設備的設計要求和使用要求也在不斷提高，朝著結構簡單化、生產高效化、運行環保化方向發展，并根據其工作原理、運動特點進行結構和性能優化。本文針對一種新型柴油機缸蓋加工運輸需求，在滿足輸送要求和保證強度及剛度的前提下，對整個輸送設備中的相關零部件進行結構優化，使其滿足設備輕量化和結構簡單化的要求。

1 缸蓋輸送設備設計原理及其系統結構

1.1 缸蓋輸送設備的設計

要求缸蓋輸送設備不僅能把物體輸送到指定的位置，同時還能保證輸送的連續性和準時性，所以采用了鏈傳動輸送方式，相比帶傳動而言，鏈傳動傳送更加準確。

本文采用機械設計基礎和材料力學方面的知識，通過計算分析，按照構思構建出輸送設備的三維立體模型，選擇合適的驅動電機，然后對模型進行有限元仿真分析，進行強度、剛度靜力學分析和部分零部件的拓撲優化，通過比較分析設計出一種高效有序的輸送設備。

1.2 輸送設備總體結構設計

本文以某型柴油機缸蓋為輸送對象，其質量約為250 kg，根據驅動功率的計算結果選用1.5 kW電機作為驅動裝置，缸蓋輸送機構的工作效率主要取決于整體設備的結構合理性。柴油機缸蓋如圖1所示。運用Creo軟件進行三維建模，設計出的輸送設備三維模型如圖2所示。其中導軌臺和2311型雙鏈輪輥筒選用標準型號即可，并根據選取的標準件尺寸對底部框架結構、側面支撐板、底部框架焊接大板、輥筒底部連接板及其加強筋的結構和尺寸進行設計。

圖1 柴油機缸蓋 圖2 缸蓋輸送設備三維模型 圖3 缸蓋輸送設備簡化模型 圖4 輸送設備網格劃分

2 輸送設備整體結構靜力學仿真分析

2.1 有限元模型的建立

在進行模擬仿真過程中，網格劃分起著重要作用。對整個輸送設備進行網格劃分時，首先需要將三維模型轉化為step格式導入ANSYS有限元分析軟件中，在保證不影響計算結果的前提下適當對整體結構進行簡化，比如把螺栓、螺孔、輥筒、電動機以及頂部滑軌機構全部簡化，這樣有利于有限元軟件的收斂，簡化后的缸蓋輸送設備模型如圖3所示。

然后根據需求對簡化模型進行網格劃分，由于整個設備結構比較規整，所以主要采用四面體和六面體網格劃分，其整體網格劃分如圖4所示。

2.2 有限元受力分析

整個輸送設備上承受的載荷有柴油機缸蓋質量250 kg、一組滑軌上6個輥筒的質量6×4.8 kg以及側壓板質量。經計算整個輸送設備上承受的載荷為380 kg，也就是單個缸蓋滑軌組所承受的載荷為3 800 N。輸送設備采用Q235作為主要設計材料，由于整體結構比較對稱規整，按照均布載荷設置，即單個輥筒側面支撐板所受均布載荷為1 900 N。仿真分析得到的整個輸送設備應力云圖和變形云圖分別如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在施加載荷的情況下，整個設備所受最大應力值為39.532 MPa，遠遠小于Q235的許用應力值；整個輸送設備的最大變形量為0.110 91 mm。

圖5 缸蓋輸送設備應力云圖 圖6 缸蓋輸送設備變形云圖 圖7 優化后的缸蓋輸送設備應力云圖 圖8 優化后缸蓋輸送設備變形云圖

3 輸送設備的優化設計及仿真分析

在保證工作過程中滿足強度、剛度要求和使用要求的前提下，盡量達到設備結構簡單化和輕量化的目的，通過分析研究，最后決定采用以下優化方法：加強筋數量減半，輥筒底部連接板和底部框架焊接大板作適當挖空處理；考慮到整體結構的穩定性，輥筒側面支撐板不作減厚處理，方管仍然沿用30 mm×30 mm×2 mm。

輸送設備整體結構中各部件優化結果如下：底部框架焊接大板進行結構優化后質量由原來的86.4 kg減少到46.5 kg，減重接近50%；輥筒底部連接板進行結構優化后，質量由原來的103.5 kg減少到48.7 kg,質量減輕了53%；輥筒側面支撐板外側的加強筋由原來的每個側板四道加強筋減少為二道加強筋，每個加強筋質量為0.6 kg,整個輸送設備的加強筋數量減少了20個，總共減輕質量為12.0 kg。對優化后的模型進行靜力學仿真分析，得到優化后缸蓋輸送設備的應力云圖和變形云圖，分別如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8中可以看出：優化后的缸蓋輸送設備承受的最大應力為65.5 MPa，小于Q235材料的許用應力；最大變形量為0.233 07 mm，相比于優化前略微有所增加，但仍然在標準變形范圍內，所以此次優化還是成功的。

4 結束語

本文運用機械設計和材料力學相關原理，根據所運輸柴油機缸蓋的實際運輸需求，設計出一套新型運輸設備，可滿足柴油機缸蓋加工運輸需求。并在保證工作過程中滿足強度、剛度要求和使用要求的前提下，盡量達到了設備結構簡單化和輕量化的目的。