王軍利， 馮博琳， 張文升， 李托雷， 雷 帥

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

稱重傳感器的設(shè)計隨著使用需求的不斷變化，其外形設(shè)計的越來越復(fù)雜，從而給稱重傳感器相關(guān)工裝夾具的設(shè)計提出了更高的要求[1-2]。稱重傳感器在制造過程中其表面難免存在一定的油污及灰塵，目前，在包裝出廠前主要靠人工來清掃灰塵及油污，勞動強(qiáng)度大且工作效率低，因此，設(shè)計一種自動化稱重傳感器清洗輔助裝置很有必要。在稱重傳感器加工輔助裝置設(shè)計研究領(lǐng)域，戴俊平等[3]設(shè)計了一種稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置托盤提升裝置，王慶梁等[4]設(shè)計了一種大量程四角誤差標(biāo)定機(jī)并對其進(jìn)行了動態(tài)特性研究。王豪杰等[5]對稱重傳感器四角標(biāo)定裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和研究。機(jī)架作為稱重傳感器清洗機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞將直接影響稱重傳感器清洗機(jī)的工作可靠性。

目前，在實(shí)際工作環(huán)境中現(xiàn)有的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架質(zhì)量較大，不方便搬運(yùn)。本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對現(xiàn)有的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行變形分析、應(yīng)力分析，之后利用優(yōu)化設(shè)計模塊對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計。

1 稱重傳感器清洗機(jī)組成及其工作原理

借鑒國內(nèi)外相關(guān)裝備的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架參照機(jī)架設(shè)計準(zhǔn)則[6]，稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的設(shè)計從使用工況、剛度、強(qiáng)度等多方面進(jìn)行考慮，具體的設(shè)計原則如下：

(1)首先機(jī)架的設(shè)計應(yīng)使其表面不得有礙安裝其他零部件，并且滿足人機(jī)工程要求。經(jīng)過人機(jī)工程學(xué)理論分析，最終設(shè)計的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架長630 mm，寬452 mm，高1800 mm。

(2)本文機(jī)架的制造材料采用Q235方鋼焊接而成，初始方鋼規(guī)格選擇為60 mm×60 mm×8 mm，在機(jī)架受力較大部位設(shè)計有加強(qiáng)筋。

1.機(jī)架 2.氣缸 3.手輪 4.壓緊裝置 5.滾刷 6.傳動鏈條 7.電機(jī) 8.調(diào)平裝置 9.氣缸 10.法蘭盤 11.稱重傳感器 12.螺釘圖1 稱重傳感器清洗機(jī)整體布局圖

圖2 方鋼的截面尺寸

圖3 托架有限元模型

(3)設(shè)計的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在使用過程中受到電機(jī)以及有可能產(chǎn)生的外界沖擊載荷，在上述情況下機(jī)架上任意點(diǎn)的應(yīng)力都不應(yīng)大于機(jī)架制造材料的許用應(yīng)力，不應(yīng)使機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生破壞。稱重傳感器清洗機(jī)組成如圖1所示。

其基本工作原理如下：先將稱重傳感器放置到傳送帶上，轉(zhuǎn)動手輪使上下滾刷將稱重傳感器固定，啟動電機(jī)通過鏈條傳動帶動傳送帶移動，與此同時上下滾刷對稱重傳感器上下表面的灰塵、油污進(jìn)行清掃，當(dāng)稱重傳感器運(yùn)送到氣缸下部時，最后再利用上下氣缸的高壓氣體對殘留的污漬進(jìn)行吹洗，之后人工檢查稱重傳感器清洗效果是否達(dá)標(biāo)。

2 機(jī)架的參數(shù)化建模與有限元靜力學(xué)分析

機(jī)架作為稱重傳感器清洗機(jī)的核心元件，在長期工作過程中，需要承受電機(jī)、氣缸的沖擊載荷以及受機(jī)械應(yīng)力或其他應(yīng)力作用，會產(chǎn)生疲勞破壞，其性能好壞將直接影響稱重傳感器清洗工作的可靠性，因此有必要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

2.1 參數(shù)化機(jī)架模型

在對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，首先要建立其參數(shù)化三維模型。本文采用了三維軟件ProE來建立稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的參數(shù)化三維模型，具體建模是將方鋼的長度、厚度尺寸參數(shù)化[7]。方鋼的截面尺寸示意圖如圖2所示。

2.2 有限元靜力學(xué)分析

有限元分析時將建立好的三維模型另存為igs通用格式文件導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS Workbench中，對機(jī)架進(jìn)行材料屬性的定義，材料選擇Q235方鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 材料參數(shù)

網(wǎng)格劃分時采用自動網(wǎng)格劃分法，并設(shè)置Relevance(相關(guān)性)為100，設(shè)置Relevance Center(相關(guān)中心)為Medium(中等)，劃分好的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

劃分好的有限元網(wǎng)格模型共有66 173個節(jié)點(diǎn)和38 896個單元。網(wǎng)格劃分完成后在Static Structural中對機(jī)架底部添加Fixed Support(固定約束)，機(jī)架整體施加Inertial Standard Gravity(重力加速度)，氣缸安裝部位施加Force(力)大小為1000 N，方向垂直于氣缸安裝表面向下，在設(shè)置完約束和載荷邊界條件后，經(jīng)過ANSYS Workbench進(jìn)行計算得到機(jī)架的總變形量和應(yīng)力值，其分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，機(jī)架的變形主要集中在上部氣缸安裝部位，變形量最大為0.262 03 mm；機(jī)架的最大應(yīng)力也發(fā)生在上部氣缸安裝部位，其值為33.692 MPa。從機(jī)架變形、應(yīng)力云圖上整體來看機(jī)架大部分變形值、應(yīng)力值都較小，因此稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、使用安全性高。

(a) 變形云圖 (b) 應(yīng)力云圖 圖4 機(jī)架的變形、應(yīng)力分布云圖

3 機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化結(jié)果分析

在對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計時以減小機(jī)架質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以機(jī)架材料不發(fā)生強(qiáng)度破壞為邊界條件，根據(jù)實(shí)際稱重傳感器清洗機(jī)使用環(huán)境設(shè)置機(jī)架的尺寸變化范圍為40 mm≤DS_L≤80 mm，4 mm≤DS_T≤16 mm，優(yōu)化設(shè)計時算法選擇ANSYS Workbench下的多目標(biāo)優(yōu)化求解方法[8-10]。經(jīng)過仿真分析得到了方鋼截面尺寸參數(shù)與輸出參數(shù)機(jī)架質(zhì)量、變形、應(yīng)力之間的關(guān)系，分別如圖5—圖7所示。

(a) 機(jī)架質(zhì)量與方鋼壁厚變化曲線 (b) 機(jī)架質(zhì)量與方鋼橫截面寬度變化曲線圖5 機(jī)架質(zhì)量與方鋼壁厚、橫截面寬度之間變化曲線

(a) 機(jī)架變形與方鋼壁厚變化曲線 (b) 機(jī)架變形與方鋼橫截面寬度變化曲線圖6 機(jī)架變形與方鋼壁厚、橫截面寬度之間變化曲線

(a) 機(jī)架應(yīng)力與方鋼壁厚變化曲線 (b) 機(jī)架應(yīng)力與方鋼橫截面寬度變化曲線圖7 機(jī)架應(yīng)力與方鋼壁厚、橫截面寬度之間變化曲線

從圖5中可以看出，機(jī)架的質(zhì)量隨方鋼壁厚(DS_T)和方鋼橫截面寬度(DS_L)的增大而增大。因此，為了減小稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的質(zhì)量，可以適當(dāng)減小方鋼壁厚和方鋼橫截面寬度。從圖6中可以看出，機(jī)架的變形隨方鋼壁厚(DS_T)和方鋼橫截面寬度(DS_L)的增大而減小，并且變化幅度逐漸減小。因此，適當(dāng)?shù)脑黾臃戒摫诤窈头戒摍M截面寬度可減小機(jī)架的變形量。從圖7中可以看出，機(jī)架的應(yīng)力隨方鋼壁厚(DS_T)的變化趨勢：機(jī)架的應(yīng)力先隨著方鋼寬度(DS_L)的增大而減小，當(dāng)方鋼壁厚為13 mm時機(jī)架應(yīng)力值達(dá)到最低，之后機(jī)架應(yīng)力隨著方鋼壁厚的增加而增加。機(jī)架的應(yīng)力隨方鋼截面寬度(DS_L)的變化趨勢：架應(yīng)力隨著方鋼橫截面寬度(DS_L)的增大而減小，并且變化幅度逐漸減小。

優(yōu)化后，稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的方鋼壁厚(DS_T)尺寸為9 mm，方鋼截面寬度(DS_L)為44 mm。經(jīng)過對機(jī)械制圖手冊[11]中有關(guān)方鋼規(guī)格選型內(nèi)容進(jìn)行研究，最終確定稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架方鋼截面尺寸參數(shù)為：方鋼壁厚(DS_T)10 mm，方鋼截面寬度(DS_L)40 mm。按照優(yōu)化后的方鋼截面尺寸對模型進(jìn)行再生，再次進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，其結(jié)果如圖8所示。

(a) 機(jī)架變形云圖 (b) 機(jī)架應(yīng)力云圖 圖8 優(yōu)化后機(jī)架的應(yīng)力、變形分布云圖

圖8為優(yōu)化后稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的變形和等效應(yīng)力分布云圖。從圖8(a)中可以看出，機(jī)架的最大變形發(fā)生在氣缸安裝部位的端部，最大的變形量為0.362 mm。從圖8(b)中可以看出，機(jī)架整體的應(yīng)力分布較為均勻且整體應(yīng)力值較小，并且氣缸安裝部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，最大應(yīng)力值達(dá)到了51.59 MPa。而本文研究的機(jī)架材料為Q235方鋼，它的最大屈服極限為235 MPa，最大應(yīng)力值小于屈服極限。因此，優(yōu)化后的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架靜強(qiáng)度和靜剛度均滿足實(shí)際工作要求。

從表2中可以看出，優(yōu)化后的稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架最大變形有所增加，機(jī)架最大變形幅值增加了23%；機(jī)架最大應(yīng)力有所增加，最大應(yīng)力達(dá)到了51.59 MPa，機(jī)架質(zhì)量減小了19.17%。其剛度和強(qiáng)度仍然滿足設(shè)計要求。

表2 優(yōu)化結(jié)果對比

4 結(jié) 論

經(jīng)過對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的靜力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計，可得到如下結(jié)論：

(1)根據(jù)實(shí)際稱重傳感器清洗要求，有限元分析時首先根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了載荷和邊界條件的定義，之后對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)架最大應(yīng)力、最大變形發(fā)生在氣缸安裝部位，且最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235方鋼的抗拉強(qiáng)度，安全裕度較大，機(jī)架的強(qiáng)度和剛度均滿足要求，說明稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架設(shè)計可靠性高，滿足設(shè)計要求。

(2)運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的優(yōu)化設(shè)計模塊對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行了輕量化設(shè)計，得到了機(jī)架方鋼截面尺寸參數(shù)與機(jī)架質(zhì)量、變形、應(yīng)力之間的關(guān)系，為機(jī)架方鋼截面參數(shù)的選擇提供了理論參考，利用有限元仿真分析方法對稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化，有利于減小機(jī)架設(shè)計、試驗(yàn)成本。

(3)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計模塊計算分析，最后得到了最優(yōu)方鋼截面尺寸參數(shù)為方鋼壁厚10 mm，方鋼截面寬度40 mm。優(yōu)化后稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的最大變形有所增加，最大變形幅值增加了23%，最大應(yīng)力增加了53%，機(jī)架質(zhì)量減小了19.17%，其靜剛度和靜強(qiáng)度均滿足使用要求。

綜上所述，本文的研究可為同類型的裝置優(yōu)化設(shè)計提供一定的工程借鑒。