羅道堅(jiān)

（貴州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

流體灌裝機(jī)是利用流體泵和壓蓋機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)配合包裝容器在灌裝過程中沿輸送皮帶作圓周方向或者直線方向的等速回轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)來完成灌裝和封蓋的操作。旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)占地面積小、生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜難設(shè)計(jì)，尤其需要對(duì)主要零部件進(jìn)行受分析，保證剛度的同時(shí)減輕質(zhì)量，減少機(jī)械振動(dòng)，確保灌裝機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

1 旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)的工況分析

果醬、蜂蜜一類的高黏度流體，通常使用罐裝瓶進(jìn)行存儲(chǔ)。采用灌裝機(jī)進(jìn)行流體罐裝至罐裝瓶中，其大致工作過程為：將流體灌瓶泵固定在罐裝瓶工位的上方，待流體罐裝完畢后，采用壓蓋機(jī)壓入（或通過壓蓋模將瓶蓋緊固）軟木塞或金屬冠蓋進(jìn)行封口[1]。罐裝設(shè)備利用間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位和鎖緊裝置，以實(shí)現(xiàn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)上的多工位停歇，確保轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過一個(gè)循環(huán)角度，能夠在轉(zhuǎn)臺(tái)停歇時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確和可靠地進(jìn)行灌裝、封口，完成灌裝、封口等工序同時(shí)進(jìn)行，并利用傳送帶將灌裝封口好的容器輸出工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)罐裝。

2 旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將容器進(jìn)行連續(xù)灌裝流體及封口的總功能，可將總功能分解輸入功能、轉(zhuǎn)臺(tái)的停歇功能、灌裝功能、夾緊功能、壓帽功能等功能，利用主要輸出功能機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能圖可構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣，以求出旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案，再根據(jù)各機(jī)構(gòu)的兼容性，各機(jī)構(gòu)的空間布置，類似產(chǎn)品的借鑒和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)等[2]，選出最優(yōu)方案。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方案和功能時(shí)序分析，利用NX等CAD/CAE軟件進(jìn)行灌裝機(jī)的建模，建立包括操作室、進(jìn)料管、罐裝裝置、流水線、氣動(dòng)裝置以及防護(hù)裝置的果醬旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)整機(jī)模型，如圖1所示。

3 主要部件的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化

本設(shè)計(jì)利用NX完成灌裝機(jī)的工作臺(tái)（即底座）、壓蓋機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步利用NX進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和驗(yàn)證分析，獲得零件薄弱環(huán)節(jié)的信息，進(jìn)而針對(duì)性的通過形狀、尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化等優(yōu)化改善零部件結(jié)構(gòu)性能，大幅度提升其性能[3]。零件優(yōu)化的流程如圖2所示。

流水線上的工作臺(tái)，即底座，是罐裝機(jī)的重要基礎(chǔ)件，用于安裝轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)，放置罐裝瓶、連接支撐腿，底座的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性直接影響灌裝機(jī)的工作穩(wěn)定性和加工精度，要求其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠降低其他振動(dòng)干擾。

利用NX軟件進(jìn)行底座的三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)，底座結(jié)構(gòu)尺寸三維圖。選擇工作臺(tái)長(zhǎng)度、寬度、工作面的厚度為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮底座結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、質(zhì)量、工藝等因素確定其變量的變化極限區(qū)間，見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量的變化界限Tab.1 The variation limits of design variables

底座上安裝有電機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)、罐裝瓶等質(zhì)量約40 kg的機(jī)械部件，同時(shí)傳遞罐裝瓶的轉(zhuǎn)臺(tái)上有1 600 r/min的周期性振動(dòng)。首先利用ANSYS對(duì)底座進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和拓?fù)浞治?，并根?jù)分析結(jié)果在NX中進(jìn)行底座的參數(shù)調(diào)整，即尋找結(jié)構(gòu)剛度的最佳分布或傳遞力的最佳方式來優(yōu)化目標(biāo)結(jié)構(gòu)的特定性能或減輕其質(zhì)量，如圖3所示。

根據(jù)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果在NX中對(duì)底座的進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，調(diào)整底座外形和尺寸，表2為優(yōu)化前后尺寸與性能對(duì)比。

從表2數(shù)據(jù)對(duì)比分析，經(jīng)過尺寸優(yōu)化后，底座變形量減小11.22%，底座應(yīng)力提高10.05%，底座質(zhì)量減小了32.52%。

表2 優(yōu)化前后尺寸與性能對(duì)比Tab.2 Comparison of size and performance before and after optimization

4 總結(jié)

運(yùn)用NX軟件對(duì)底座進(jìn)行分析后，可以進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)分析及結(jié)果驗(yàn)證，通過改變底座的結(jié)構(gòu)來增加其本身剛度和減少質(zhì)量，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的合理性。有限元分析方法解決此類問題相比傳統(tǒng)方法更加簡(jiǎn)單易行，值得在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)件優(yōu)化時(shí)借鑒。