陶粒砌塊分料機(jī)靜力學(xué)分析

王淑花，秦寶榮，韓立光，趙海寶

(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)

在全球推進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的浪潮中，節(jié)能的重要性日益凸顯[1]。陶粒增強(qiáng)加氣砌塊作為一種具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔熱保溫、防火、隔音、環(huán)保等特點(diǎn)的新型墻體自保溫材料[2]在現(xiàn)代建筑業(yè)中備受歡迎。但是目前國(guó)內(nèi)的陶粒增強(qiáng)加氣砌塊的生產(chǎn)自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)效率低，砌塊的生產(chǎn)水平難以滿足建筑業(yè)的需求。因此高效率、全自動(dòng)化、低能耗的陶粒砌塊生產(chǎn)線的研究具有重大的意義。陶粒砌塊生產(chǎn)工藝為模具成型－濕熱養(yǎng)護(hù)－脫模切割－蒸汽養(yǎng)護(hù)[3]。筆者所在單位應(yīng)企業(yè)要求研發(fā)陶粒砌塊生產(chǎn)線，本文設(shè)計(jì)的砌塊分料機(jī)為生產(chǎn)線中重要設(shè)備之一，主要是負(fù)責(zé)將一次切割好的砌塊進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)，然后將翻轉(zhuǎn)的砌塊逐塊輸送到切割機(jī)上進(jìn)行二次切割。

1 分料機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分料機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分料機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

砌塊經(jīng)一次切割后運(yùn)輸?shù)椒至蠙C(jī)中間的輥?zhàn)蛹苌?。機(jī)架電機(jī)通過齒輪箱和鏈條帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)，陶粒砌塊便3塊為一組同時(shí)向左右翻轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到90°時(shí)，停止翻轉(zhuǎn)。機(jī)械手將砌塊夾緊后運(yùn)輸?shù)蕉吻懈顧C(jī)上，整個(gè)分料動(dòng)作結(jié)束。

分析分料機(jī)的工作狀況可知，分料機(jī)的翻轉(zhuǎn)架、左右導(dǎo)板、機(jī)械手需要具有良好的靜剛度。翻轉(zhuǎn)架變形過大，會(huì)影響砌塊兩端起落的同步性。同步性差必定會(huì)導(dǎo)致砌塊一端先與側(cè)支架接觸碰撞。由于砌塊僅是養(yǎng)護(hù)24h便進(jìn)行切割生產(chǎn)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬化并不完全，在碰撞過程中砌塊難免出現(xiàn)損傷。機(jī)械手若變形過大，會(huì)夾不緊砌塊，在運(yùn)輸過程中易出現(xiàn)掉料現(xiàn)象。左右導(dǎo)向板發(fā)生變形，則會(huì)影響機(jī)械手水平運(yùn)輸?shù)捻槙扯取Ｒ虼藢?duì)分料機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，對(duì)其靜剛度進(jìn)行分析十分必要。

2 分料機(jī)有限元建模

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，進(jìn)行如下假設(shè):(1)分料機(jī)在工作過程中始終處于彈性階段;(2)假定位移和變形都是微小的[4]。同時(shí)，分料機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)中有倒角、卡槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時(shí)，不可能全部考慮這些因素，由于局部細(xì)節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響不大，但會(huì)增加有限元模型的復(fù)雜度和計(jì)算時(shí)間，因此在幾何建模中，果斷去除這些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)[5]。機(jī)械手中的氣缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)將其簡(jiǎn)化為質(zhì)量等效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的質(zhì)量塊。在龍門架的分析中，主要是看這個(gè)框架的變形情況，因此將龍門架的鏈輪、鏈條、軸承座等都簡(jiǎn)化掉。另外分料機(jī)安裝的螺栓、小滾輪等對(duì)結(jié)構(gòu)分析影響不大的小零件，在建模時(shí)也將去除。在本文中，將分料機(jī)分為機(jī)械手、翻轉(zhuǎn)架、龍門架3個(gè)部分進(jìn)行分析。

各部件網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 分料機(jī)主要部件網(wǎng)格劃分模型圖

3 機(jī)械手變形分析及機(jī)構(gòu)改進(jìn)

機(jī)械手除了自身的重力外，主要承受氣缸給的推力、砌塊在被夾緊時(shí)給側(cè)板的壓力和沿側(cè)板向下的摩擦力。根據(jù)機(jī)械手的實(shí)際工作情況施加載荷和約束，機(jī)械手的變形位移云圖如圖3(a)所示。

機(jī)械手在靜力作用下，側(cè)板向外彎曲，機(jī)械手框架的方鋼、氣缸座及氣缸座板均向下彎曲變形，最大變形量為0.55941mm。從框架方鋼位移曲線(如圖3(b)所示)可知，方鋼呈現(xiàn)U變形，在方鋼中間位置達(dá)到最大變形量。而機(jī)械手側(cè)板的位移曲線(如圖3(c)所示)基本呈直線狀，說明機(jī)械手側(cè)板本身變形并不是很大，側(cè)板向外擴(kuò)張主要是受方鋼和氣缸固定座板彎曲變形的牽動(dòng)。所以，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，側(cè)板簡(jiǎn)單加上三角形肋板即可，主要對(duì)方鋼和氣缸固定板處進(jìn)行改進(jìn)。

機(jī)械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案及結(jié)果如圖4所示。

圖3 機(jī)械手變形分布圖

圖4 機(jī)械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)及位移云圖

機(jī)械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，變形情況都是框架方鋼向下彎曲，側(cè)板向外伸張。3種方案機(jī)械手最大變形量依次為0.40963mm，0.49807mm，0.37127mm。比較可知，方案3的改進(jìn)大大降低了機(jī)械手的變形程度，所以方案3可以作為機(jī)械手的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

4 翻轉(zhuǎn)架變形分析及機(jī)構(gòu)改進(jìn)

翻轉(zhuǎn)架的靜態(tài)載荷為:翻轉(zhuǎn)架自身的重力和砌塊對(duì)翻轉(zhuǎn)葉面的壓力，翻轉(zhuǎn)架軸的兩端受到軸承的支撐。翻轉(zhuǎn)架的變形位移云圖如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)架變形云圖

由圖5(a)可知，變形最大的地方位于前軸端處的翻轉(zhuǎn)葉片頂端，最大位移為5.1932mm。從圖5(b)可知，前軸端處葉片在砌塊壓力作用下整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而與后軸端處葉片不在同一平面上，呈現(xiàn)一定的傾角。此翻轉(zhuǎn)架在對(duì)砌塊進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)影響砌塊兩端起落的同步性。翻轉(zhuǎn)架的改進(jìn)情況如圖6所示。

圖6 翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖

經(jīng)過改進(jìn)后，翻轉(zhuǎn)架的最大變形處仍位于前軸端處翻轉(zhuǎn)葉片的頂端，但是變形量減小。由表1可知方案3的改進(jìn)最有效，經(jīng)計(jì)算此時(shí)翻轉(zhuǎn)架扇葉變形后的偏轉(zhuǎn)角度大概為0.06°，因此選擇方案3作為翻轉(zhuǎn)架的最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

表1 不同方案下翻轉(zhuǎn)架位移結(jié)果對(duì)比 mm

5 龍門架變形分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

龍門架中導(dǎo)向板承載著整個(gè)機(jī)械手，導(dǎo)向板的力學(xué)性能直接影響著機(jī)械手在水平方向的運(yùn)動(dòng)。在這里對(duì)龍門架進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要是看這些零部件的受力及變形狀況。對(duì)龍門架進(jìn)行加載和約束后，其變形狀況如圖7所示。

圖7 龍門架位移云圖

從圖7可以看出，龍門架最大位移位于導(dǎo)向板頂端，頂端向內(nèi)彎曲變形，最大位移為0.55433mm。機(jī)械手在變形的導(dǎo)向板上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的后果:一是機(jī)械手左右不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手框架出現(xiàn)傾斜，容易與左右導(dǎo)板發(fā)生碰撞甚至卡死。二是導(dǎo)軌向下彎曲，也就意味著機(jī)械手下降的位置會(huì)比之前要低，在放置砌塊時(shí)，砌塊就容易與輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)發(fā)生碰撞。針對(duì)龍門架的變形狀況，現(xiàn)將龍門架左右導(dǎo)向板用槽鋼連接，結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。龍門架經(jīng)過改進(jìn)后，變形位移云圖如圖8(b)所示，從圖可知，龍門架的最大變形已經(jīng)從左右導(dǎo)向板前端轉(zhuǎn)到加強(qiáng)槽鋼中間部分。左右導(dǎo)向板的最大變形量為0.13898mm，可見此結(jié)構(gòu)的改進(jìn)獲得了成功。

圖8 龍門架結(jié)構(gòu)改進(jìn)及位移云圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)陶粒砌塊分料機(jī)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，針對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了分料機(jī)的靜剛度，使分料機(jī)的性能得到了改善。有限元模型的建立與分析使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就可評(píng)估未來系統(tǒng)的靜態(tài)特性，從而為方案評(píng)估以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。將有限元分析技術(shù)與分料機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，不僅縮短了設(shè)計(jì)周期、降低了設(shè)計(jì)成本，還使得分料機(jī)的設(shè)計(jì)更加完美，性能更加可靠。

[1] 周炫，喻曉林，李曉健.復(fù)合保溫磚的研究與發(fā)展[J].磚瓦，2007(9):90－95.

[2] 范錦忠.陶粒泡沫混凝土砌塊[J].磚瓦，2009(7):44－47.

[3] 劉蘇文.陶粒生產(chǎn)輕質(zhì)保溫小砌塊工藝[J].科技縱橫，2009(5):20－23.

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