基于ANSYS 的卸磚機分磚機構關鍵部件的優化設計

王屹楨，張 宇，侯榮國，曹茗茗，呂 哲

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博255000)

近年來，我國在制磚技術領域取得了突飛猛進的發展，這使得市場對自動化設備的需求大幅度增加。目前，在制磚工藝過程中，磚坯成形和燒結磚拆卸、運輸打包等工序實現了一定的機械化和自動化，但由于自動化程度不高導致燒結磚坯從分流輸送到包裝裝車仍需大量人工來輔助完成，生產過程中也易出現翻磚和堆磚現象，這些問題嚴重地制約了自動化的生產水平[1]。因此，在保證燒結磚輸送質量的前提下，提高制磚工作效率、節能降耗、節省人工成本創造更大的經濟效益顯得至關重要。為此，孫少強等[2]人設計了四桿導向裝置來提高磚坯運輸效率，王薪鑒等[3-4]人借助ANSYS 軟件對自身設計的卸磚夾緊裝置進行靜態及模態分析為提高結構強度提供理論支撐。廣東的兩家企業分別研制了雙機械手智能分級揀磚機構和高速分揀下磚機構，旨在解決不同產能需求和輸送過程中的堵磚現象[5-6]。

本文在此發展背景下設計出一種新型電控分磚機構，通過ANSYS 有限元軟件模擬在重載荷作用下分磚結構的關鍵零部件的應力參數和應變規律，并對其進行結構優化。

1 分磚機構工況分析

1.1 工藝流程分析

本文以尺寸240mm×115mm×53mm、單磚質量為2.63kg 的標準磚坯為例，要求分揀出規格4 列18 排磚垛層進行結構設計，分磚機構的流程圖如圖1 所示。

具體分磚工作流程：首先由齊磚機構將輸送線上的各個磚塊進行間隙消除和有序歸攏以備整齊推送至分裝機構進行整理和分離，分離成4 列18 排的矩形磚垛層后通過碼垛機械臂有序抓取累跺，之后通過傳動輸送裝置運輸打包機構進行封裝載運。

1.2 分磚結構主要組成

分磚機整體結構構成如圖2 所示，整齊磚陣從左側X 軸方向推入(箭頭方向)經過前后載磚平臺匯聚推板截止，分磚機構通過光、電、磁等非接觸感應元器件進行位置定位控制，以確保磚料輸送控制的可靠性。

圖2 分磚結構構成(為方便描述，4-后載磚平臺為透明顯示)

分磚機構主要由兩個部分構成。其一為磚塊整理部分，主要由滑塊導軌、推板及推板氣缸等部件構成，精確設定磚跺尺寸和推板位移量，采用氣壓驅動推板來實現對多余磚塊的回推使其達到預定磚跺目標;其二為磚塊分離部分，主要由加持氣缸、平臺分離氣缸和前載磚平臺等部件構成，加持氣缸對回推后兩邊磚料進行加持定位，而后平臺分離氣缸通過伸縮作用使兩側拼接載磚平臺分離，即標定磚跺與原始磚堆實現分離，分離間距用于后續碼垛。

1.3 分磚結構靜力學受力分析

載磚平臺作為支撐板件在磚坯負載和機架支撐力的綜合受力下易使形體產生形變失效，所以針對平臺薄板零件進行力學及有限元分析研究。選載磚平臺為有限元主要研究對象。為使平臺往復運動，支架提供四組支撐如圖3 所示，其中有三組同規格軸承及一組滑塊導軌共同支撐載磚平臺和磚坯負載，通過簡化采用靜力學受力分析和有限元接觸應力分析進行求解分析。

圖3 機架支點受力分布

載磚平臺靜力學受力分析：支架上每組支點對稱分布視為四組外力，在力系的作用下作用于平臺表面且處于平衡狀態，可忽略摩擦將其等效和簡化為支座桿件受力(此時載磚平臺視做剛體)。

如圖4 所示，F1為推板氣缸及輔助零部件的等效作用力;其中虛線區域為磚坯于平臺上的分布載荷q，實線箭標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 載磚平臺受力圖

2 載磚平臺有限元分析

前處理：利用solidworks 進行三維建模，為了最大程度還原分磚過程中后載磚平臺上表面的均布受力，將其所受集中力進行均布施力換算并將三維模型導入ANSYS DesignModeler 進一步按實際受力面劃分出適用于施加載荷的區域(面印記區域)，材料添加屬性如表1 所示。

表1 材料參數表

網格劃分采用六面體網格劃分，以此提高運算效率和精度。其中，網格單元尺寸為10mm，關聯中心缺省為粗糙特性，網格劃分質量接近92%。另外，將機架底座平面設定為固定約束，且平臺三塊面印記區域分別施加均布壓力，其中C 區域約為2046Pa(磚坯負載)，A、B 區域約為1017Pa(氣缸等部件負載)，如圖5所示。

圖5 平臺受力分布圖

后處理：在Mechanical 中添加載磚平臺整體變形顯示和應力應變顯示并計算求解。

通過圖6(a)可以看出載磚平臺在外力作用下變形區域以平臺中線呈對稱分布由兩側逐漸向中線遞增，在臨近平臺末端中部區域出現最大變形量，說明磚坯均布載荷在求解過程中合力值主要作用點在平臺末端附近，這與靜力學分析一致。平板最大變形量約為0.622mm，表明均布載荷在求解過程中其合力值主要作用點在平臺末端附近與靜力學受力分析一致，平板最大變形量遠小于機構失效形變量可忽略不計。圖6(b)表明載磚平臺在磚跺與機架支點接觸區域應力集中明顯，在第三組軸承支點與平臺接觸處區域其值約為36.9Mpa，與靜力學理論計算應力值(40.57Mpa)近似。參照應力破壞失效形式和安全因數進行強度校核，校核參數取自表1。塑性材料在強度計算中用許用應力[σ]進行判訂如表2 所示，通過靜力學理論分析及有限元仿真分析發現其表面受力所產生的應力極值皆小于Q235 材料的許用應力值(156Mpa)因此載磚平臺強度剛度良好。

圖6 平臺應力應變分析云圖

表2 材料校核參數表

3 機架支點接觸應力分析及其結構優化

機架結構及其支撐部件作為主要的受力部件其自身的強度、剛度與穩定性能是保障制磚正常運作的關鍵，因此針對機架及關鍵零部件進行有限元仿真分析和優化。

機架接觸應力分析前處理設置與平臺應力分析相同，綁定接觸設置采用罰函數接觸算法對稱接觸行為進行運算，機架接觸應力云圖如圖7(a)、(b)所示。

從圖7(a)中可以看出，機架中8 個接觸點在受載狀下整體應力平均保持在25Mpa，各支撐點臨近中軸線一側應力值較高。由于各支點受力不均，導致單側受力面的應力過于集中出現應力峰值。其最大接觸應力值為152.1Mpa，見圖7(b)。分析表明：在保證材料許用應力范圍內的同時提高支點的有效接觸面積，可有效避免應力集中的產生。

圖7 機架接觸應力云圖

基于對載磚平臺應力應變及支點應力分析，為進一步改善機架應力分布，針對機架進行結構分析并通過優化支點布局使結構更加可靠穩定。在施載區域施加均布載荷，將機架底座設置為固定約束，計算結束后將機架從總應力分析中分離進行單獨分析。圖8 為機架應力云圖，圖中標尺代表支撐軸承優化前后相隔間距。

從圖8(a)中可以看出，在滿載狀態下應力極值主要集中C 點上，其最大應力值為190.2Mpa。從圖8(b)輸出結果表明，將C、D 點間距合理增加后，D 點的應力值相對減小，其最大應力值為170.9Mpa，達到了一定的優化效果且優化前后應力值均小于其材料的許用應力機構運行過程穩定可靠。

圖8 機架應力云圖

4 結束語

本文對分磚機構關鍵部件進行了數值模擬，運用靜力學理論分析及ANSYS 有限元分析對機構中容易失效的零部件進行結構靜力學分析，獲得如下結論：

(1)通過載磚平臺靜力學分析可知應變應力值符合設計強度剛度需求。理論分析對有限元分析起到一定的輔助作用，有利于對危險點(危險截面)進行校核評估。

(2)通過機架各支點的接觸應力分析可知，其中第三組軸承支撐應力值達到峰值(150.1Mpa)。為減少軸承單側應力聚集，采用多支點接觸來增加接觸面積以改善集中應力的影響。

(3)通過機架各支點重新排列建模，發現優化前后應力極值由190.2Mpa 減少至170.9Mpa，有效地改善了平臺的穩定性。