陶粒增強(qiáng)加氣砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)

鄭玲燕，秦寶榮，劉志偉，王科中

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造和先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310014)

陶粒增強(qiáng)加氣砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)

鄭玲燕，秦寶榮，劉志偉，王科中

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造和先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310014)

陶粒增強(qiáng)加氣砌塊是一種新型自保溫墻體材料。在砌塊切割成型工藝中需要對坯料的位置狀態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)變換，為此設(shè)計(jì)了一種坯料轉(zhuǎn)位裝置。通過分析轉(zhuǎn)位裝置關(guān)鍵部件的變形狀況對其工作的影響，應(yīng)用有限元方法對該轉(zhuǎn)位裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，找出其剛度不足的部位，并對這些剛度不足部位進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的靜剛度，得到了滿意的結(jié)果。

陶粒增強(qiáng)加氣砌塊;生產(chǎn)線;轉(zhuǎn)位裝置;設(shè)計(jì);有限元;靜力學(xué)分析

陶粒增強(qiáng)加氣砌塊是一種新型的建筑節(jié)能自保溫墻體材料。以河道淤泥、粉煤灰、污泥制成輕質(zhì)陶粒，再將輕質(zhì)陶粒與粉煤灰、管樁余漿等主要材料，經(jīng)配料、攪拌、澆注、養(yǎng)護(hù)、切割等工藝而制成的細(xì)密多孔狀輕質(zhì)加氣混凝土砌塊［1－2］，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、保溫性能好、吸水率低、尺寸精度高等特點(diǎn)［3－4］。陶粒增強(qiáng)加氣砌塊切割成型的工藝過程中，坯料需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等位置狀態(tài)的變換。本文根據(jù)砌塊切割成型工藝的需要，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)位裝置，對轉(zhuǎn)位裝置關(guān)鍵部件在力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了滿意的結(jié)果。

1 砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)

陶粒增強(qiáng)加氣砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置如圖1所示，由帶升降裝置的輸送線、轉(zhuǎn)位機(jī)械手、步進(jìn)輸送機(jī)、翻轉(zhuǎn)葉輪和連續(xù)輸送機(jī)等組成。經(jīng)過第一次切割成片狀的坯料輸送到升降裝置上方時，升降裝置將坯料向上升起，轉(zhuǎn)位機(jī)械手夾住坯料，將坯料移送至步進(jìn)輸送機(jī)上方，轉(zhuǎn)位機(jī)械手移動過程中同時旋轉(zhuǎn)90°，將縱向站立的片狀坯料轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向站立，步進(jìn)輸送機(jī)將坯料輸送至翻轉(zhuǎn)葉輪，翻轉(zhuǎn)葉輪將站立的片狀坯料翻轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)，放置到連續(xù)輸送機(jī)上送至下一臺切割機(jī)，將片狀坯料切割成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的砌塊。

圖1 陶粒增強(qiáng)加氣砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置

根據(jù)上述工作過程可知，轉(zhuǎn)位機(jī)械手是整個轉(zhuǎn)位裝置的關(guān)鍵部件，它是靠夾緊力所產(chǎn)生的摩擦力工作的，夾緊力過大會損傷坯塊表面，夾緊力不足會導(dǎo)致移送和旋轉(zhuǎn)過程中坯料滑落。機(jī)械手部件本身的變形也會導(dǎo)致夾緊力的下降，從而影響其工作的可靠性。因此，對機(jī)械手的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析是十分必要的。

2 轉(zhuǎn)位機(jī)械手靜態(tài)特性分析

在對轉(zhuǎn)位機(jī)械手進(jìn)行幾何建模時，去除對結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響不大的局部細(xì)節(jié)，以降低有限元模型的復(fù)雜度和計(jì)算時間［5］。網(wǎng)格的劃分是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它需要綜合考慮多方面因素。網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣對計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模都會產(chǎn)生直接的影響［6］。根據(jù)轉(zhuǎn)位機(jī)械手各零部件的尺寸規(guī)格和預(yù)估計(jì)較大受力點(diǎn)，實(shí)行對不同部位分別設(shè)置尺寸的自由網(wǎng)格劃分方法。經(jīng)過反復(fù)劃分計(jì)算，找到比較合理的網(wǎng)格劃分形式，以提高分析精度［7］。

轉(zhuǎn)位機(jī)械手除了自身的重力外［8］，主要是受到液壓缸給的推力、砌塊在被夾緊時給手臂側(cè)板的壓力、沿手臂側(cè)板向下的摩擦力和與砌塊運(yùn)動方向相反的慣性力。由于液壓缸給的推力和砌塊給的壓力形成平衡力矩，所以在施加力時只需要對手臂側(cè)板施加壓力、摩擦力、慣性力就可以了。

已知砌塊坯料尺寸為1 300mm×1 300mm×600mm，密度為850kg/m3，橡膠塊規(guī)格為350mm×100mm×30mm，砌塊與橡膠塊間的摩擦系數(shù)為0.5，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的角加速度為0.314rad/s，橫向運(yùn)動時電機(jī)的啟動加速度為0.15m/s2，所以砌塊旋轉(zhuǎn)時手臂側(cè)板受到的慣性力F1=mrω2=47.07N，砌塊橫向運(yùn)動時手臂側(cè)板受到的慣性力F2=ma=119.34N。由于是對受力的極限位置進(jìn)行靜力分析，所以這里加載時慣性力取119.34N。同時根據(jù)上面的參數(shù)可以計(jì)算出每個橡膠塊所受到的向下的摩擦力為1 949.22N，正壓力為3 898.44N，壓強(qiáng)為0.11MPa。

本文借助ANSYS Workbench軟件［9］對轉(zhuǎn)位機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析。在完成網(wǎng)格劃分及約束、加載等步驟后，對轉(zhuǎn)位機(jī)械手進(jìn)行有限元分析計(jì)算［10］，得到的變形結(jié)果如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)位機(jī)械手變形分布圖

從圖2(a)可以看到，轉(zhuǎn)位機(jī)械手在靜載荷下發(fā)生了變形，機(jī)械手臂、機(jī)架及橫梁均發(fā)生彎曲變形，但大部分變形都集中在機(jī)械手臂上，其最大變形量為1.877 7mm。從圖2(b)可知，機(jī)械手臂側(cè)板受到砌塊的正壓力后在長度方向發(fā)生了彎曲變形，但是由于受到慣性力的作用，側(cè)板前端的變形程度略小于后端的變形程度。而圖2(c)基本呈現(xiàn)直線狀，說明機(jī)械手臂側(cè)板高度方向本身的變形量并不是很大，其位置發(fā)生偏移主要是受側(cè)板底部彎曲變形的牽動。這些結(jié)構(gòu)的變形都會造成機(jī)械手臂側(cè)板的外張，影響側(cè)板夾取砌塊動作的完成。

由于企業(yè)要求砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置最大變形量不得超過0.5mm，而由圖2可知轉(zhuǎn)位機(jī)械手的最大變形量為1.877 7mm，已超出企業(yè)要求，所以為了保證砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置工作的可行性及穩(wěn)定性，需要對該轉(zhuǎn)位機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以減小其變形。從圖2可以看出，轉(zhuǎn)位機(jī)械手的較大變形都集中在機(jī)械手臂上，且最大變形量也在此位置。因此這里為了簡化計(jì)算，只對機(jī)械手臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

3 轉(zhuǎn)位機(jī)械手部件改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖3為機(jī)械手臂的原始結(jié)構(gòu)及各改進(jìn)方案的爆炸圖。在圖3(a)中，導(dǎo)軌由兩塊獨(dú)立的凹型鋼材焊接在面板上，兩滑塊間焊了1根橫梁，用來連接液壓缸，滑塊與手臂側(cè)板連接。對機(jī)械手臂的原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出機(jī)械手臂的變形過大可能是由于手臂側(cè)板、導(dǎo)軌或滑塊的靜剛度不足所致。為此，對機(jī)械手臂的原始方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以減小機(jī)械手臂的變形量，這里給出了3種機(jī)械手臂的改進(jìn)方案。改進(jìn)方案1如圖3(b)所示，是將滑塊改成2塊獨(dú)立的工字結(jié)構(gòu)鋼，相應(yīng)的導(dǎo)軌槽改成T字型，手臂側(cè)板加肋條，液壓缸與手臂側(cè)板相連;改進(jìn)方案2如圖3(c)所示，是將導(dǎo)軌改成圓柱式，液壓缸與滑動手臂相連;改進(jìn)方案3如圖3(d)所示，是將矩形鋼焊接在凹型面板上構(gòu)成導(dǎo)軌，滑塊由滑板替代，手臂側(cè)板加肋條，液壓缸與手臂側(cè)板相連。機(jī)械手臂各改進(jìn)方案的變形結(jié)果如圖4所示。

圖3 機(jī)械手臂原始結(jié)構(gòu)及各改進(jìn)方案的爆炸圖

圖4 機(jī)械手臂各改進(jìn)方案的變形分布圖

由圖4可知，機(jī)械手臂的變形情況都是面板發(fā)生彎曲變形，手臂側(cè)板向外伸張。3種改進(jìn)方案中，機(jī)械手臂最大變形量依次為0.64463mm、0.534 18mm、0.374 08mm。經(jīng)比較可知，方案3的改進(jìn)大大降低了機(jī)械手臂的變形程度，所以選擇方案3作為機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

將方案3中的機(jī)械手臂裝配到轉(zhuǎn)位機(jī)械手中，分析整個部件的變形情況，以驗(yàn)證整個部件的可靠性。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)位機(jī)械手的變形結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的轉(zhuǎn)位機(jī)械手的總變形云圖

通過分析計(jì)算，得出改進(jìn)后的轉(zhuǎn)位機(jī)械手的最大變形量為 0.436 68mm，較原始方案中的1.877 7mm變形程度有了很大的改善，而且這個變形量也符合企業(yè)整個裝置最大變形低于0.5mm的要求，所以此結(jié)構(gòu)可以作為砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合有限元分析技術(shù)對砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對轉(zhuǎn)位裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出轉(zhuǎn)位機(jī)械手的變形分布圖，找出轉(zhuǎn)位機(jī)械手剛度的薄弱環(huán)節(jié)為機(jī)械手臂，從而對機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在分析對比3套機(jī)械手臂改進(jìn)方案后，找出最優(yōu)方案。再把最優(yōu)方案裝配到轉(zhuǎn)位機(jī)械手中，分析整個部件的變形情況，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，設(shè)計(jì)可行。將砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)與有限元分析技術(shù)結(jié)合起來，不僅可以降低生產(chǎn)成本、縮短設(shè)計(jì)周期，還能使得砌塊生產(chǎn)線轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)更完美、性能更可靠。

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The Design of Transfer Device for Ceramsite－reinforced Aerated Concrete Block Production Line

ZHENG Lingyan，QIN Baorong，LIU Zhiwei，WANG Kezhong
(Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)

Ceramsite－reinforced aerated concrete block is a new self－thermal insulation wall material.In order to rotate or reverse the blocks for the block cutting process，it designs a block transfer device.It analyzes the effects of the deformation condition of the transfer device＇s key component on its work.With the help of the finite element method，it analyzes the static character of the transfer device＇s key component，and obtains the deformed parts.Then it improves the fragile structures of the transfer device，and finally obtains the satisfactory results.

Ceramsite－reinforced Aerated Concrete Block;Transfer Device Design;Finite Element;Static A－nalysis

TH122

A

2095－509X(2013)11－0022－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.006

2013－08－14

鄭玲燕(1988—)，女，江西南昌人，浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。