易拉罐灌裝機架有限元分析及優化設計

周波 孫敬慧 黃文金

0 引言

易拉罐灌裝機機架是灌裝機的永久性部件，是一個重要的基礎支撐性部件，其上安裝有傳動系統、灌裝系統、輸罐系統及防護部分。為了保證機架的安全性、穩定性及灌裝精度，對機架強度、剛度和穩定性要求較高。

合肥中辰輕工機械有限公司開發YLGD60 易拉罐灌裝機是一款60 頭的高速設備。采用有限元方法對機架進行分析，并根據分析結果重新對支腿數量、位置及部分結構改進優化，為機架的結構設計提供參考。

1 易拉罐灌裝機的結構

如圖1 所示，灌裝機由傳動系統、輸罐系統、灌裝系統、防護門和機架組成。傳動系統給整個灌裝機提供動力；輸罐系統負責將灌裝好的易拉罐從灌裝系統輸出；灌裝系統按照設定參數將液體灌裝到易拉罐中。機架包括臺板和支腿，臺板靠支腿支撐，其上安裝傳動系統、灌裝系統、輸罐系統和防護門。

圖1 易拉罐灌裝機的結構

2 建立分析模型

在Workbench 中建立機架的模型。在DesignModeler中，建立面為臺板，分割出臺板與各部件的連接支撐面。臺板上的加強筋和支腿按三維模型中的位置和尺寸用直線表示。如圖2 所示。

圖2 機架模型

3 進行參數設置與分析

1）參數設置和網格劃分

臺板材料及加強筋為304 不銹鋼，在材料屬性中定義密度為7.93X103kg/m3，彈性模量為195GPa，泊松比為0.3。支腿材料為Q235，在材料屬性中定義密度為7.85X103kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.33。

臺板網格采用殼單元，設置厚度為35mm，材料為304 不銹鋼；加強筋設置為梁單元，材料為304 不銹鋼；支腿設置為梁單元，材料為Q235，網格大小均設置為10mm。網格劃分后如圖3 所示。

圖3 機架網格

各梁單元和殼單元設定剛性連接，使整個模型變形協調。

2）邊界條件

灌裝系統重量約3060kg，A 處加載-Z 方向的力30000N；兩個過渡輪重約35KG，分別施加-Z 方向的力，約為343N；星輪重約76.8KG，施加-Z 方向的力，約753.5N；輸瓶線重約32Kg，施加-Z 方向的力，約313.6N；進瓶螺桿重46Kg，施加-Z 方向的力，約為450N；凸輪升降立柱處載荷約44.9KG，施加-Z 方向的力，約440N，共兩處；輸罐系統立柱處載荷約32kg，施加-Z 方向的力，約313.6N，共四處；渦輪箱重約200kg，靠四根立柱懸掛于臺板下方，四根立柱處分別加載-Z 方向490N 的力；臺板四周安裝防護裝置，每側重約150Kg，施加-Z 方向的力，大小約為1470N。支腿處施加全約束。

施加載荷和約束后如圖4 所示。

圖4 載荷和約束圖

3）分析結果

通過有限元分析計算，得到機架的應力分布和位移云圖。由圖5 可知，機架的最大應力為71.8MPa，小于210MPa，滿足臺板的工作要求，最大應力位置如圖所示；最大變形為0.894mm，位置如圖6 所示。因臺板上面安裝長達1m 的立柱，變形量過大；防護門處變形較為明顯，支撐強度不能滿足設計要求。

圖5 應力云圖

圖6 位移云圖

4 結構優化

經分析，灌裝系統安裝處變形最大，中間三個支腿略顯單薄，調整位置無法提高總體剛度和強度。在變形量最大位置附近增加一個支腿，并調整其他支腿的位置；為減小安裝防護裝置處的變形，在臺板邊緣四周下方增加加強筋，優化后結構劃分網格后如圖7 所示。

圖7 結構優化后網格圖

重新進行施加約束和載荷，經分析計算得到位移云圖和應力云圖，從圖中可知最大應力減小到36.7MPa，較之前減小48.8%，最大應力位置如圖8 所示；最大位移減小到0.279mm，較之優化前減小68.8%，最大位置如圖9所示。

圖8 優化后的應力圖

圖9 優化后位移圖

5 結論

分析、優化結構后，應力和變形大幅度減小，符合設計要求。后續實踐表明，機架變形明顯減小，安裝精度提高，減小了調試的工作量和難度。