孫少?gòu)?qiáng)，楊榮松,2，張益銘，陳志亮

(1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065) (2.重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在燒結(jié)磚制磚工藝和裝備上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，制磚設(shè)備的很多工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，制磚工藝也達(dá)到了較高的自動(dòng)化程度[1]。然而，磚坯經(jīng)隧道窯燒結(jié)成形后，成品磚裝車仍主要靠人工手持磚夾裝車，作業(yè)強(qiáng)度大、重復(fù)操作多且效率低。盡管有一些簡(jiǎn)單改裝的夾磚、抱磚和裝磚機(jī)，但多是通過(guò)人工操作手柄和電器開關(guān)來(lái)控制液壓缸、氣缸作業(yè)，或者是將叉車改裝成帶有夾磚和抱磚的裝置來(lái)完成裝車或堆放，對(duì)磚的堆放有特別的要求，占用場(chǎng)地大，作業(yè)效率也不理想[2-3]。目前還沒(méi)有較為成熟的產(chǎn)品用于燒結(jié)磚成品自動(dòng)裝車，為此，根據(jù)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)開發(fā)了自動(dòng)化程度較高的燒結(jié)磚裝磚機(jī)。四桿導(dǎo)向裝置是裝磚機(jī)的重要部件，若導(dǎo)向桿變形將直接影響裝磚機(jī)升降作業(yè)。由于裝磚機(jī)工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，在工作過(guò)程中極易受到貨物質(zhì)量、小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加減速等慣性載荷以及運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)遇到障礙而產(chǎn)生較大的橫向沖擊載荷作用[4]。四桿導(dǎo)向裝置中導(dǎo)向桿為細(xì)長(zhǎng)桿件，在受到橫向載荷時(shí)極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，影響機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)人員的安全，因此對(duì)四桿導(dǎo)向裝置的安全可靠性，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度進(jìn)行分析驗(yàn)證十分必要。

本文主要對(duì)裝磚機(jī)四桿導(dǎo)向裝置進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)其在自重、慣性扭矩和橫向沖擊載荷復(fù)合作用時(shí)進(jìn)行瞬態(tài)分析，獲得四桿導(dǎo)向裝置的固有頻率和振型以及導(dǎo)向桿應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，通過(guò)研究導(dǎo)向桿的應(yīng)力及應(yīng)變狀況，來(lái)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為裝磚機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 裝磚機(jī)總體概況

裝磚機(jī)主要由小車驅(qū)動(dòng)裝置、升降液壓缸、小車架、四桿導(dǎo)向裝置、旋轉(zhuǎn)夾緊裝置和橫梁支架等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。控制裝置通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)夾緊裝置夾、放磚塊，升降液壓缸帶動(dòng)四桿導(dǎo)向裝置升降以及驅(qū)動(dòng)小車沿橫梁移動(dòng)來(lái)完成磚塊的搬移和裝車。四桿導(dǎo)向裝置中導(dǎo)向桿與上下連接板和夾緊裝置分別用螺栓固定連接，4個(gè)導(dǎo)向桿通過(guò)在小車架導(dǎo)向套內(nèi)滑動(dòng)來(lái)完成上下運(yùn)動(dòng)，小車可沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)來(lái)完成搬運(yùn)工作。

圖1 裝磚機(jī)簡(jiǎn)圖

2 有限元分析前期處理

本文主要是對(duì)四桿導(dǎo)向裝置進(jìn)行模態(tài)及瞬態(tài)分析，由于該裝置屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，細(xì)節(jié)多，形狀變化大，因此在滿足設(shè)計(jì)要求且不影響分析結(jié)果的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式與受力特點(diǎn)，對(duì)其做如下簡(jiǎn)化：1)忽略尺寸較小不作為主要承力部分的開孔和尺寸較小的板塊；2)對(duì)于明顯不會(huì)影響四桿導(dǎo)向裝置整體剛度、強(qiáng)度的部位，如旋轉(zhuǎn)夾緊裝置上某些螺孔、凸臺(tái)、圓角、節(jié)點(diǎn)焊縫等進(jìn)行簡(jiǎn)化。用Pro/E軟件建立四桿導(dǎo)向裝置的三維簡(jiǎn)化模型，以減小模型規(guī)模，縮短運(yùn)算時(shí)間[5]。建模時(shí)四桿導(dǎo)向裝置中心處的液壓缸由桿件簡(jiǎn)化代替，省去導(dǎo)向桿與上下連接板的連接螺栓，在分析設(shè)置時(shí)采用綁定連接可達(dá)到同樣的效果[6]。建立的四桿導(dǎo)向裝置三維簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 四桿導(dǎo)向裝置三維簡(jiǎn)化模型

將在Pro/E軟件中建好的三維簡(jiǎn)化模型以X_T格式導(dǎo)入ANSYS軟件。上下連接板、小車架和夾緊裝置材料為Q235A,密度為7.85g/cm3,彈性模量為2.03×105MPa,泊松比為0.30；4個(gè)導(dǎo)向桿、升降液壓缸的材料為45鋼，密度為7.85g/cm3,彈性模量為2.10×105MPa,泊松比為0.28；導(dǎo)向套的材料為FZ2175。在分析中網(wǎng)格劃分十分重要，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響分析的準(zhǔn)確性和最終結(jié)果的收斂性[7]。網(wǎng)格劃分后，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為630 468，單元總數(shù)為258 136，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

3 模態(tài)分析

四桿導(dǎo)向裝置為裝磚機(jī)的重要工作件，由于受載復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)慣量大，故較容易產(chǎn)生故障，特別是當(dāng)工作頻率與固有頻率接近時(shí)，裝置振動(dòng)加劇甚至出現(xiàn)共振導(dǎo)致零部件磨損加快，壽命降低，裝置故障率升高[8]，因此四桿導(dǎo)向裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性對(duì)裝磚機(jī)的工作可靠性至關(guān)重要。為防止振動(dòng)導(dǎo)致故障發(fā)生，有必要在設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中進(jìn)行振動(dòng)固有特性的分析，以獲得其固有頻率和振型。

圖3 四桿導(dǎo)向裝置模型網(wǎng)格劃分

3.1 理論基礎(chǔ)

裝磚機(jī)屬于有限自由度結(jié)構(gòu)，在彈性分析范疇內(nèi)，動(dòng)力學(xué)方程如下[9]：

(1)

式中：M,C,K分別為質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；X,f(t)為位移和激勵(lì)向量。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)外部激振力并忽略阻尼時(shí),f(t)=0,C=0，代入式(1)化簡(jiǎn)得:

(2)

設(shè)式(2)解的形式為:

X=Asin(ωt+φ)

(3)

式中：A為振幅矩陣。將式(3)代入式(2)得：

(K-ω2M)A=0

(4)

若使式(3)振幅矩陣A有非零解，應(yīng)有:

|K-ω2M|=0

(5)

式中：ω為系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率。

解出式(4)、(5)中的ω和A即可得到裝磚機(jī)四桿導(dǎo)向裝置的固有頻率和振型。

由于四桿導(dǎo)向裝置為大型構(gòu)件且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，進(jìn)行固有特性分析時(shí)結(jié)構(gòu)自由度總數(shù)較大，相應(yīng)的固有頻率和振型也很多，求其全部固有頻率和振型比較困難。在實(shí)際工程中，頻率高的振型對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，一般可忽略不計(jì)，因而只需計(jì)算前幾階頻率及相應(yīng)的振型[10]。小車架帶動(dòng)四桿導(dǎo)向裝置移動(dòng)，根據(jù)實(shí)際工況運(yùn)用ANSYS中模態(tài)分析模塊對(duì)小車架上端進(jìn)行固定約束，在設(shè)置分析選項(xiàng)后對(duì)裝磚機(jī)四桿導(dǎo)向裝置進(jìn)行模態(tài)分析，獲得其前6階固有頻率和振型如表1和圖4所示。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果表明，四桿導(dǎo)向裝置中導(dǎo)向桿水平方向動(dòng)態(tài)擺動(dòng)、彎曲和繞旋轉(zhuǎn)夾緊裝置中心扭轉(zhuǎn)變形是影響導(dǎo)向裝置動(dòng)態(tài)特性的主要因素，由振型圖可知導(dǎo)向桿的變形相對(duì)較大且各階頻率對(duì)其影響明顯，說(shuō)明4個(gè)導(dǎo)向桿彎曲振動(dòng)占主導(dǎo)地位。裝磚機(jī)的4個(gè)導(dǎo)向桿是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，剛度和強(qiáng)度相對(duì)較小，工作過(guò)程中也容易出現(xiàn)共振。引起四桿導(dǎo)向裝置振動(dòng)的主要振源來(lái)自小車架橫向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)夾緊裝置的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而四桿導(dǎo)向裝置在電機(jī)和減速機(jī)作用下橫向運(yùn)動(dòng)工作頻率為2.27Hz,旋轉(zhuǎn)夾緊裝置旋轉(zhuǎn)工作頻率最大為0.20Hz，都小于導(dǎo)向裝置固有頻率，并不會(huì)產(chǎn)生共振。

表1 裝磚機(jī)四桿導(dǎo)向裝置前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖4 四桿導(dǎo)向裝置前6階振型

4 瞬態(tài)分析

裝磚機(jī)在工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)夾緊裝置滿載旋轉(zhuǎn)、小車帶動(dòng)四桿導(dǎo)向裝置突然啟動(dòng)和制動(dòng)的情況，由于貨物和四桿導(dǎo)向裝置自身質(zhì)量的作用，啟動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生較大的慣性力，小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中下端的旋轉(zhuǎn)夾緊裝置也極有可能碰到障礙物產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致導(dǎo)向桿產(chǎn)生應(yīng)力和變形，因此用瞬態(tài)分析來(lái)驗(yàn)證四桿導(dǎo)向裝置在受到扭轉(zhuǎn)與沖擊復(fù)合載荷作用時(shí)應(yīng)力和變形隨著時(shí)間的變化規(guī)律。由于制動(dòng)采用兩次制動(dòng)法，制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)且制動(dòng)力小于啟動(dòng)慣性力，故只做突然啟動(dòng)和行走過(guò)程中底部旋轉(zhuǎn)夾緊裝置突然受到?jīng)_擊時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變分析。

4.1 啟動(dòng)慣性載荷瞬態(tài)分析

裝磚機(jī)正常工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)夾緊裝置以較高速度旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生慣性力。通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐傳遞給下連接板和四桿導(dǎo)向裝置的旋轉(zhuǎn)慣性力小于50N·m，夾緊裝置滿載時(shí)包括自重的總質(zhì)量為533kg,要求在小車啟動(dòng)0.5s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定速度1m/s，并考慮安全系數(shù)，故啟動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力約為1 500N。因此按此工況做啟動(dòng)載荷瞬態(tài)分析。

4.1.1約束與加載

為使分析結(jié)果盡量準(zhǔn)確，各零件按實(shí)際裝配連接進(jìn)行約束，對(duì)裝置中的小車架上端進(jìn)行固定約束，限制其在X,Y,Z3個(gè)方向自由度。4個(gè)導(dǎo)向桿沿導(dǎo)向套上下移動(dòng)設(shè)置為滑動(dòng)摩擦，四桿導(dǎo)向裝置在工作過(guò)程中受到復(fù)合載荷作用，分別為旋轉(zhuǎn)夾緊裝置和磚塊載荷重力，同時(shí)下端旋轉(zhuǎn)夾緊裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)可能對(duì)其產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)慣性力矩和啟動(dòng)慣性力復(fù)合作用。為了模擬夾緊裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng)慣性力對(duì)四桿導(dǎo)向裝置中導(dǎo)向桿產(chǎn)生的應(yīng)力和變形影響，在旋轉(zhuǎn)夾緊裝置側(cè)板施加啟動(dòng)慣性力，如圖5所示，約束條件如圖6所示。

圖5 啟動(dòng)慣性力變化曲線

圖6 邊界條件和載荷

4.1.2變形應(yīng)力結(jié)果分析

旋轉(zhuǎn)夾緊裝置在受到50N·m扭轉(zhuǎn)力矩旋轉(zhuǎn)時(shí)，小車啟動(dòng)瞬間四桿導(dǎo)向裝置導(dǎo)向桿的變形、應(yīng)力響應(yīng)以及整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖7(a)、(c)、(e)所示，導(dǎo)向桿和整體結(jié)構(gòu)在變形、應(yīng)力最大時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的變形、應(yīng)力云圖如圖7(b)、(d)、(f)所示。

由圖7可以看出，旋轉(zhuǎn)夾緊裝置在滿載旋轉(zhuǎn)時(shí)小車突然啟動(dòng)，導(dǎo)向桿的應(yīng)力主要集中在導(dǎo)向桿下端與下連接板連接處和小車架下端導(dǎo)向套與導(dǎo)向桿接觸處，其中在導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套接觸處的應(yīng)力在1.29s時(shí)刻達(dá)到最大,為15.21MPa,整個(gè)機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為45.875MPa；最大變形發(fā)生在導(dǎo)向桿最下端,為0.818 9mm/m，由于結(jié)構(gòu)阻尼作用，隨著時(shí)間的推移變形逐漸趨于穩(wěn)定在1.750 0mm。導(dǎo)向桿為較長(zhǎng)桿件，變形相對(duì)較小，因此并不會(huì)影響導(dǎo)向桿的滑動(dòng)。

4.2 沖擊載荷瞬態(tài)分析

4.2.1沖擊加載

在小車帶動(dòng)四桿導(dǎo)向裝置移動(dòng)的過(guò)程中，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的四桿導(dǎo)向裝置導(dǎo)向桿的剛度和強(qiáng)度在較極端的情況下是否還能滿足設(shè)計(jì)要求，模擬了旋轉(zhuǎn)夾緊裝置側(cè)板突然受到如圖8所示階躍載荷沖擊下的應(yīng)力、變形情況。仿真約束設(shè)置與啟動(dòng)慣性力的約束設(shè)置相同。

圖8 沖擊載荷變化曲線

4.2.2沖擊變形應(yīng)力結(jié)果分析

夾緊裝置在50N·m扭轉(zhuǎn)力作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)夾板突然受到?jīng)_擊，四桿導(dǎo)向裝置導(dǎo)向桿的變形、應(yīng)力響應(yīng)以及整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖9(a)、(c)、(e)所示，導(dǎo)向桿和整體結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力最大時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力云圖如圖9(b)、(d)、(f)所示。

圖9 沖擊時(shí)響應(yīng)曲線及相應(yīng)最大時(shí)刻云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)裝磚機(jī)四桿導(dǎo)向裝置進(jìn)行模態(tài)分析，得出其前6階固有頻率和振型，發(fā)現(xiàn)裝磚機(jī)的工作頻率偏離其固有頻率，故不會(huì)產(chǎn)生共振。由瞬態(tài)分析得出在夾緊裝置旋轉(zhuǎn)、小車啟動(dòng)及在運(yùn)動(dòng)中受到?jīng)_擊時(shí)， 導(dǎo)向桿最大變形都較小且持續(xù)時(shí)間極短,并不會(huì)影響四桿導(dǎo)向裝置的上下滑動(dòng)，變形在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。導(dǎo)向桿和整個(gè)機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力都小于對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，四桿導(dǎo)向裝置剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，并不會(huì)發(fā)生塑性變形和破壞，由此驗(yàn)證了裝磚機(jī)導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性，為今后此類結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。