廖鳴元， 鄧援超， 趙黎明

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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水泥碼垛裝置的自鎖及閘門優(yōu)化

廖鳴元， 鄧援超， 趙黎明

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

分析水泥碼垛裝置里的閘門設(shè)計(jì)，應(yīng)用平面連桿結(jié)構(gòu)使之達(dá)到碼垛過程中動(dòng)作穩(wěn)定、可靠的效果，同時(shí)分析了閘門在工作時(shí)候的受力情況，并對(duì)其提出優(yōu)化方案。

閘門裝置； 平面連桿； 包裝機(jī)械； 應(yīng)力分析

在水泥碼垛過程中，由于水泥碼垛裝置需要進(jìn)入車箱側(cè)板以內(nèi)進(jìn)行工作，所以采取了閘門控制水泥包自由落體的形式進(jìn)行碼垛，這樣不僅可以滿足水泥包掉落高度，保證水泥包不會(huì)炸包，同時(shí)還可以確保碼垛質(zhì)量。碼垛裝置的設(shè)計(jì)采用的是閘門方式，必須保證兩側(cè)閘門同時(shí)開合、同時(shí)關(guān)閉，且水泥袋在自由落體到閘門上時(shí)的穩(wěn)定性。如果兩側(cè)閘門動(dòng)作不同步，則導(dǎo)致水泥包下落的時(shí)候產(chǎn)生位置偏差，所以閘門設(shè)計(jì)采取連桿機(jī)構(gòu)。由于水泥袋落下均采取自由落體，每一次水泥袋掉落，閘門都需要承受質(zhì)量是50 kg的水泥袋的沖擊，而反復(fù)的沖擊有可能造成鉸鏈斷裂，因此必須對(duì)閘門裝置進(jìn)行有限元分析，判斷閘門裝置是否會(huì)斷裂，同時(shí)提出優(yōu)化方案。

1　結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)碼垛裝置的設(shè)計(jì)原理可知，水泥包從前面的工位轉(zhuǎn)移到碼垛裝置時(shí)采取的是自由落體形式，為了不給閘門裝置驅(qū)動(dòng)件造成無謂的影響，閘門裝置運(yùn)用了自鎖結(jié)構(gòu)(圖1)。

該機(jī)構(gòu)為平面十桿機(jī)構(gòu)，由機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式可以算出機(jī)構(gòu)自由度

F=3n-2PL-PH

式中：n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；PL為低副數(shù)；PH為高副數(shù)。F=3×9-2×13-0=1，即該機(jī)構(gòu)是自由度為1的平面十桿機(jī)構(gòu)，有一個(gè)主動(dòng)件，故機(jī)構(gòu)具有唯一確定運(yùn)動(dòng)。

(a)初始位置

(b)極限位置圖 1　閘門裝置設(shè)計(jì)方案原理

2　方案結(jié)構(gòu)受力分析

本文主要討論閘門裝置，平面連桿運(yùn)動(dòng)，其受力狀況如圖2所示。

圖 2　初始位置受力簡圖

碼垛裝置在初始狀態(tài)的時(shí)候，連桿機(jī)構(gòu)只會(huì)承受水泥包的重力，閘門分別和1號(hào)桿件和5號(hào)桿件焊接，因此重力是直接作用在1號(hào)和5號(hào)桿件上?？梢詫⑺喟闹亓Ψ殖蒄水1和F水5在F水1的作用下，1號(hào)桿件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向右的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致C點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)水平向右的力F23。

相對(duì)應(yīng)的，在F水5的作用下，5號(hào)桿件所傳遞的力會(huì)使4號(hào)桿件對(duì)3號(hào)桿件施加一個(gè)水平向左的力F43，在安裝要求當(dāng)中，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)桿件應(yīng)該是水平安裝，那么在僅受水平力作用的時(shí)候，3號(hào)連桿不會(huì)產(chǎn)生位移，所以閘門是不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的，從而形成自鎖現(xiàn)象。

3　閘門裝置有限元分析

此閘門的作用是從上層閘門接收水泥包，通過定位系統(tǒng)確定水泥包位置之后，再打開閘門放下水泥包。上層閘門距離此閘門的垂直距離為380 mm，那么首先需要估算出水泥包下落對(duì)閘門造成的沖擊力大小才能進(jìn)行有限元分析。

Solidworks是一款集三維立體建模動(dòng)畫仿真與單個(gè)零件有限元分析的強(qiáng)大軟件，本次有限元分析就是通過利用solidworks進(jìn)行單個(gè)零件建模、添加約束夾具來進(jìn)行的。

首先在solidworks中對(duì)閘門零件進(jìn)行建模，然后于鉸鏈處添加夾具約束，同時(shí)對(duì)閘門板添加沖擊力，估值為1 300 N，進(jìn)行仿真(圖3)。

圖 3　閘門應(yīng)力分析

由圖3可知，在鉸鏈連接處的應(yīng)力集中最嚴(yán)重。對(duì)此圖進(jìn)行放大，可以發(fā)現(xiàn)零件應(yīng)力集中點(diǎn)(圖4)。根據(jù)軟件靜力學(xué)分析的結(jié)果，此處的應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過屈服極限，所以此點(diǎn)是在正常工作中最容易造成斷裂的點(diǎn)。為了保證加工出來的零件和機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量，必須在設(shè)計(jì)和調(diào)試階段盡可能地將此類應(yīng)力集中進(jìn)行分散，使機(jī)構(gòu)在工作中可以更加穩(wěn)定可靠。

圖 4　應(yīng)力集中點(diǎn)

根據(jù)以往的工作經(jīng)歷，大部分會(huì)采取5類方法來提高零件強(qiáng)度：1)改用高強(qiáng)度材料；2)增大零件危險(xiǎn)截面尺寸；3)進(jìn)行熱處理以提高材料力學(xué)性能；4)提高制造精度，降低工作時(shí)的動(dòng)載荷；5)合理布置各零件的相互位置，減少作用在零件上的載荷。

本文采用的是增大零件危險(xiǎn)截面尺寸的方法來改善零件當(dāng)中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即將閘門零件軸套部分增加一個(gè)坡面設(shè)計(jì)，在不影響閘門整體動(dòng)作的前提下增大了危險(xiǎn)截面的尺寸，將新得到的零件再次進(jìn)行有限元分析，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖 5　改良后零件的應(yīng)力分析

由圖5可知，在不改變閘門其他條件的前提下，增加坡面設(shè)計(jì)可以有效分散應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而大大提高閘門的使用壽命，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性。

應(yīng)力分析之后，再進(jìn)行閘門的形變分析。由于水泥包按照設(shè)計(jì)要求是掉落到閘門正中間，添加約束以及仿真之后，得圖6。

圖 6　閘門形變分析

由對(duì)閘門的形變分析可知，閘門正中間形變量最大，是受到?jīng)_擊力最集中的部位，形變量已經(jīng)可以影響到機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，所以必須采取措施進(jìn)行優(yōu)化，在此處采取的優(yōu)化方式是增大閘門板厚度，除此之外還可以縮短支撐跨距，或者增加支撐點(diǎn)等。

4　結(jié)束語

本文在分析機(jī)構(gòu)需實(shí)現(xiàn)的基本動(dòng)作和功能的基礎(chǔ)上，對(duì)該部件運(yùn)用到的自鎖現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)敘述，同時(shí)針對(duì)閘門零件有可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不足之處后進(jìn)行靜力學(xué)分析，并提出了改良方案，該方案切實(shí)可行，解決了實(shí)際問題。目前該部件在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

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[責(zé)任編校： 張眾]

Optimizing the Design of the Cement Pallet Device

LIAO Mingyuan， DENG Yuanchao, ZHAO Liming

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper analyzes the gate design of the cement pallet device by using planar linkage structure in order to achieve stable movement and reliable effect. Meanwhile, it analyzes the stress the gate receives in work and proposes the optimization scheme.

gate device; planar linkage; packaging machinery; stress analysis

2016-04-22

廖鳴元(1991-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程

1003-4684(2016)04-0005-02

TH122

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