針對(duì)袋裝水泥裝車半自動(dòng)化問題，設(shè)計(jì)一款全自動(dòng)裝車機(jī)。首先，根據(jù)袋裝水泥車間生產(chǎn)狀況，確定水泥裝車方案，即采用抽屜式逐層裝車原理，利用SolidWorks創(chuàng)建裝車機(jī)三維模型;其次，為使水泥包快速準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置，針對(duì)撥板機(jī)構(gòu)中的分撥板及導(dǎo)柱進(jìn)行受力分析，建立其力學(xué)模型，推導(dǎo)出應(yīng)力公式;后，通過(guò)ANSYS有限元軟件進(jìn)行分撥板的力學(xué)仿真，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

　　0 引言

　　在當(dāng)代建筑行業(yè)中，水泥占據(jù)著很重要的地位，而在水泥的生產(chǎn)運(yùn)輸行業(yè)，袋裝水泥的生產(chǎn)又占據(jù)了很大的比例。目前，現(xiàn)有的袋裝水泥裝車方法普遍采用的是一種半自動(dòng)化裝車機(jī)，即輸送帶傳輸外加人工碼袋，共同實(shí)現(xiàn)袋裝水泥的裝車工作[1-2]。這種方式由于存在成本高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，無(wú)法和當(dāng)代的包裝機(jī)所匹配，此外，這種裝車環(huán)境惡劣，對(duì)裝載工人的健康以及空氣質(zhì)量造成很大的負(fù)面影響。因此，設(shè)計(jì)一款好的自動(dòng)袋裝水泥裝車機(jī)是至關(guān)重要的，以便降低成本、提高物流自動(dòng)化程度。

　　1 自動(dòng)裝車機(jī)的整體方案

　　1.1 裝車機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)水泥廠的水泥生產(chǎn)流程及目前市場(chǎng)的主要裝車機(jī)型，袋裝水泥通過(guò)灌裝機(jī)包裝好后由輸送帶傳輸，一方面輸送到碼垛機(jī)處，進(jìn)行碼垛存?zhèn)};另一方面直接輸送到貨車車廂內(nèi)，由人工碼垛進(jìn)行裝車。

　　綜合碼垛機(jī)和直接裝車2種流程方式[3]，本文提出一種基于抽屜式原理的自動(dòng)裝車機(jī)。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：該裝車機(jī)位于二樓平臺(tái)軌道上，一樓通道上停有待裝卡車，行走小車帶動(dòng)整個(gè)裝車機(jī)行駛到卡車上方，碼垛機(jī)構(gòu)由提升裝置下落到車廂上;通過(guò)包裝機(jī)包裝好的袋裝水泥經(jīng)傳送帶運(yùn)輸?shù)剿捷斔蛶?，然后?jīng)傾斜輸送帶傳送到過(guò)渡輸送帶上，由過(guò)渡輸送帶進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整傳送到碼垛機(jī)構(gòu)上，碼垛機(jī)構(gòu)包含撥板機(jī)構(gòu)、抽板機(jī)構(gòu)和推板機(jī)構(gòu)，碼垛機(jī)構(gòu)碼放好一層后，提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整個(gè)裝置向上1個(gè)位移，以此往復(fù)循環(huán)，直至當(dāng)前車位所裝載層數(shù)達(dá)到要求，移動(dòng)小車帶動(dòng)整個(gè)裝車機(jī)后移，循環(huán)上述裝車流程，直至裝載完成。

　　圖1 袋裝水泥裝車機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

　　1.2 碼垛機(jī)構(gòu)主要機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

　　碼垛機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝車機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是保證裝車效率與質(zhì)量的重要部分?；诔閷鲜皆?，本裝車碼垛機(jī)構(gòu)主要采用抽板收集袋裝物料，達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)量后統(tǒng)一落包的思想。其主要原理如圖2所示，物料由過(guò)渡輸送帶輸送到抽板上，撥板左右推動(dòng)料包進(jìn)行位置擺放，終抽板向后平移，推板機(jī)構(gòu)立起擋包，統(tǒng)一碼放料包。

　　圖2 碼垛原理

　　碼垛機(jī)構(gòu)中的主要傳動(dòng)如圖3所示，撥板由同步帶驅(qū)動(dòng)左右移動(dòng)，抽板由同步帶驅(qū)動(dòng)前后移動(dòng)。兩者協(xié)同作業(yè)，完成碼垛過(guò)程的擺包和落包過(guò)程。

　　圖3 碼垛傳動(dòng)方案

　　2 撥板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　撥板機(jī)構(gòu)是碼垛機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是保證料包整齊排列的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包含撥板、法蘭滑塊和導(dǎo)軌，其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，抽板底板尺寸寬為2 200 mm,長(zhǎng)為1 300 mm，底板為斜坡狀，與水平面夾角為6°。撥板通過(guò)導(dǎo)柱的法蘭滑塊相連，可在導(dǎo)柱上滑動(dòng)，撥板2個(gè)頂角通過(guò)同步帶壓板及連接裝置與同步帶相連，在同步帶的驅(qū)動(dòng)下左右移動(dòng)，完成擺包動(dòng)作。撥板與法蘭滑塊相連，安裝在直線導(dǎo)軌上，直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)尺寸為φ=40 mm,長(zhǎng)度l=1 500 mm,安裝在主框架上。

　　圖4 撥板機(jī)構(gòu)

　　為方便后續(xù)計(jì)算分析，簡(jiǎn)化板上連接小孔，撥板的結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中板厚t=10 mm,其余詳細(xì)尺寸參數(shù)如表1所示。

　　圖5 撥板結(jié)構(gòu)示意

　　表1 撥板尺寸

　　3 撥板機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析與仿真

　　3.1 撥板的力學(xué)分析

　　當(dāng)袋裝料包經(jīng)輸送帶運(yùn)送到抽板上，來(lái)料2包或者3包時(shí)，撥板開始進(jìn)行分撥料包。在此勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)撥板進(jìn)行受力分析[4]，如圖6所示。圖6a中，撥板的下部分陰影區(qū)域表示受到料包的阻力，方向垂直界面向里，用勻強(qiáng)壓力P表示;左右2個(gè)上角為驅(qū)動(dòng)力作用區(qū)域，驅(qū)動(dòng)力方向垂直直面向外，用F1和F2表示。

　　圖6 撥板受力示意

　　針對(duì)圖6a在豎直方向受力所在平面內(nèi)力矩平衡為

　　(1)

　　lFNi,O(i=1,2)表示力到板質(zhì)心的距離。

　　針對(duì)圖6b中，相對(duì)于兩孔所在水平面，根據(jù)力矩平衡則有

　　F·h+

　　(f·y)=M

　　(2)

　　F為2個(gè)上角驅(qū)動(dòng)力F1和F2的和;

　　(f·y)為料包阻力力矩的積分;M為2根導(dǎo)柱對(duì)撥板水平力矩M1和M2的和(力矩的方向?yàn)橛沂址▌t拇指的指向)。

　　雖然板的下邊界與水平面有1個(gè)夾角，但是阻力和驅(qū)動(dòng)力相對(duì)于x軸的力矩相等，故M1與M2的大小相同，即

　　M1=M 2

　　(3)

　　由式(2)與式(3)聯(lián)立，即可得到板大端的水平力矩M2;由力的傳導(dǎo)特性，可得撥板的大應(yīng)力在圓孔與驅(qū)動(dòng)力的連線附近，此處不再推導(dǎo)其大應(yīng)力公式。

　　3.2 撥板導(dǎo)柱的力學(xué)分析

　　由于撥板的質(zhì)心靠近大端處，故前端導(dǎo)柱所承受的力較大，此處針對(duì)大端處所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)柱進(jìn)行力學(xué)分析，如圖7所示。

　　圖7 導(dǎo)柱受力分析

　　由材料力學(xué)[5]知，導(dǎo)柱受力可等價(jià)為圖7b和圖7c的疊加，此問題為靜不定問題，當(dāng)只受壓力時(shí)，如圖7b所示，由變形協(xié)調(diào)條件可得

　　(4)

　　根據(jù)疊加法可知：

　　θa=θa,FN2+θa,Ma1+θa,Mb1=

　　(5)

　　θb=θb,FN2+θb,Ma1+θb,Mb1=

　　(6)

　　Ma1,Mb1分別為a端和b端的彎矩。聯(lián)立求解式(4)～式(6)，得支點(diǎn)處的彎矩大小為：

　　(7)

　　(8)

　　由平衡方程得a端與b端的垂直支持反力大小為

　　(9)

　　(10)

　　當(dāng)撥板運(yùn)行到導(dǎo)柱中點(diǎn)部位時(shí)，即

　　其對(duì)導(dǎo)柱的影響大，此時(shí)

　　(11)

　　同理，當(dāng)只受如圖7c所示的彎矩時(shí)，其a與b支點(diǎn)處力和彎矩的大小分別為

　　(12)

　　考慮力和力矩的方向等問題，當(dāng)兩者同時(shí)作用時(shí)，支點(diǎn)a與b處總力和彎矩為：

　　(13)

　　(14)

　　對(duì)整個(gè)導(dǎo)柱上的內(nèi)力進(jìn)行分析，由材料力學(xué)中剪力與彎矩圖，可得大剪力在導(dǎo)柱的左半部分，大彎矩在支點(diǎn)a處，其大值分別為：

　　(15)

　　(16)

　　則a處大彎曲正應(yīng)力為

　　(17）

　　Wz為導(dǎo)柱的抗彎截面系數(shù)。

　　3.3 基于ANSYS的仿真分析

　　為驗(yàn)證撥板機(jī)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，采用ANSYS Workbench對(duì)撥板機(jī)構(gòu)的受力進(jìn)行仿真分析。撥板材料為Q235，撥板導(dǎo)柱為45號(hào)鋼，其材料屬性[6]如表2和表3所示。

　　表2 撥板的材料參數(shù)

　　表3 撥板導(dǎo)柱的材料參數(shù)

　　當(dāng)撥板在導(dǎo)柱中點(diǎn)時(shí)，對(duì)模型施加載荷，由于設(shè)計(jì)大推包數(shù)為3包，每包質(zhì)量為50 kg,水泥包與底板的摩擦因數(shù)為0.25，即阻力f為375 N，水泥包厚度約150 mm，即3包水泥的阻力均勻作用在撥板下端高為150 mm的矩形區(qū)域，設(shè)置載荷時(shí)選用類型為：Pressure(均勻壓力)大小為1.78×10-3 MPa;撥板2個(gè)上角驅(qū)動(dòng)力，此處受壓面積為150 mm×80 mm，設(shè)置Pressure為1.56×10-3 MPa，其余設(shè)置此處不再詳述。通過(guò)仿真運(yùn)行，得到撥板在導(dǎo)柱中點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，分別如圖8和圖9所示。

　　圖8 撥板機(jī)構(gòu)變形云圖

　　圖9 撥板機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

　　根據(jù)圖8撥板機(jī)構(gòu)的變形云圖可知，導(dǎo)柱上的大變形發(fā)生在中點(diǎn)位置，大值約為0.239 mm;撥板的大變形發(fā)生在驅(qū)動(dòng)力作用的2個(gè)角部以及下部中點(diǎn)位置，角部大變形為0.359 mm，下部中點(diǎn)位置大變形為0.319 mm。而對(duì)于大應(yīng)力部分，由圖9可知，導(dǎo)柱上主要出現(xiàn)在左端連接處，大值為10.912 MPa，撥板上的大應(yīng)力出現(xiàn)在撥板連接孔與驅(qū)動(dòng)力所在點(diǎn)的連線上，大值為12.502 MPa。

　　導(dǎo)柱的直徑為40 mm,則其抗彎截面系數(shù)Wz=6.28×10-6 m3，將撥板和導(dǎo)柱尺寸數(shù)據(jù)及上述驅(qū)動(dòng)參數(shù)代入到式(17)中，終得導(dǎo)柱的大應(yīng)力為8.833 MPa。

　　對(duì)撥板機(jī)構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)理論值和仿真值接近，誤差產(chǎn)生因素可能為導(dǎo)柱所受彎矩比分析的還要復(fù)雜;其次建模計(jì)算是按大彎曲正應(yīng)力，因此比綜合性仿真的值略小。綜合考慮，說(shuō)明理論建模的正確性。后通過(guò)仿真云圖發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　首先,通過(guò)分析現(xiàn)有袋裝水泥生產(chǎn)及裝車流程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，建立了全自動(dòng)裝車機(jī)模型，并對(duì)主要的碼垛機(jī)構(gòu)中的撥板機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)正常工況下的撥板機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模，分別對(duì)撥板和撥板導(dǎo)柱進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)求解，推導(dǎo)大應(yīng)力應(yīng)變公式，并預(yù)估其所在位置。后通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)其工作時(shí)的變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了模型的正確性的同時(shí)，也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方向。