基于Solidworks和Ansys Workbench的搖臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析*

陳 松

(1.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.蘭州博立睿達(dá)機(jī)電技術(shù)有限公司，甘肅蘭州 730070)

0 引言

紙紗復(fù)合袋是一種采用新型制袋設(shè)備生產(chǎn)出的復(fù)合包裝袋，大量使用于食品、建材、化工等領(lǐng)域，具有灌裝方便、容量大、結(jié)實(shí)耐磨等特點(diǎn)。筆者所涉及的搖臂機(jī)構(gòu)是適用于復(fù)合紙袋糊底機(jī)中的一個(gè)重要組成部分。它主要完成對(duì)新型紙紗復(fù)合袋糊底機(jī)托輥的支撐托起作用。復(fù)合紙袋袋筒表面凹凸不平，為保證對(duì)紙袋涂膠充分且不能使膠水污染袋筒表面，要求涂膠過(guò)程中涂膠機(jī)構(gòu)對(duì)袋筒有較大的壓力，使用托輥托起袋筒使復(fù)合紙袋涂膠充分且其他表面不受膠水污染。搖臂機(jī)構(gòu)能否可靠工作直接影響到紙紗復(fù)合糊底機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，基于Solidworks和Ansys Workbench對(duì)紙紗復(fù)合袋糊底機(jī)中搖臂機(jī)構(gòu)的仿真分析，研究關(guān)鍵零部件的力學(xué)性能，為紙紗復(fù)合糊底機(jī)實(shí)際生產(chǎn)提供了理論支持。

1 托輥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)要求，紙紗復(fù)合糊底機(jī)每分鐘加工20條紙袋，在紙袋加工運(yùn)行到托輥機(jī)構(gòu)區(qū)域時(shí)，又根據(jù)紙袋樣品，測(cè)得糊底完后袋底寬度為230 mm、未糊底前展開(kāi)寬度為535 mm。搖臂機(jī)構(gòu)材料選擇為Q235A，材料相關(guān)參數(shù)如表1所列。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初步設(shè)計(jì)搖臂機(jī)構(gòu)中心距離為295 mm?，F(xiàn)擬定使用氣缸為動(dòng)力源，因搖臂機(jī)構(gòu)支撐起的負(fù)載載荷較大且具有一定的震蕩沖擊，為使氣缸工作穩(wěn)定、空壓機(jī)能正常工作，設(shè)計(jì)搖臂機(jī)構(gòu)為中間支撐，兩端受力，且整體為杠桿結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中托輥機(jī)構(gòu)的作用是托起紙袋與上方的涂膠輥筒緊密結(jié)合且通過(guò)涂膠輥筒的主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳送紙袋向下一工序運(yùn)動(dòng)，托輥部件從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。又因軸的單一支撐結(jié)構(gòu)容易引起機(jī)械振動(dòng)，且剛度不足，設(shè)計(jì)托輥機(jī)構(gòu)為雙支撐結(jié)構(gòu)。若選用兩端支撐方案，托輥機(jī)構(gòu)尺寸太大，固定安裝不便，故選用一端與中心支撐，一端為兩端支撐［1］。如圖1所示。

表1 材料性能參數(shù)

本方案采用兩個(gè)深溝承與支球軸撐軸配合。通過(guò)焊接在搖臂組件上的套筒對(duì)軸承定位(如圖2)。

刷膠輥筒距離工作臺(tái)表面為30 mm，選定氣缸行程為50 mm的薄氣缸作為托輥機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，普通薄氣缸的工作壓力為0.4～0.6 MPa，初步選擇薄氣缸的型號(hào)為SDA50×50，通過(guò)氣缸連接組件，氣缸把動(dòng)力傳遞到搖臂組件上。使用solidworks三維繪圖軟件，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行三維繪圖，得到托輥部件的質(zhì)量，又因?yàn)樗x氣缸行程為50 mm，托輥部件上升30 mm且工作臺(tái)厚度為8 mm，通過(guò)設(shè)計(jì)方案，可以確定搖臂組件水平長(zhǎng)度及總體結(jié)構(gòu)［2］，如圖3所示。

圖1 托輥支撐方式

圖2 支撐軸處套筒配合

對(duì)已有設(shè)計(jì)進(jìn)行校核計(jì)算，通過(guò)Solidworks軟件對(duì)托輥部件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，測(cè)得托輥部件質(zhì)量為15.06 kg，通過(guò)公式 F=mg，S=F÷(0.7×1.01×106)，又 S=π×r2。通過(guò)搖臂機(jī)構(gòu)的杠桿作用，計(jì)算出 r=0.001215，m=12.15 mm，為保證氣缸工作穩(wěn)定可靠，故選用缸徑40 mm的薄氣缸是合適的，所選薄氣缸最總參數(shù)為40×50。

所確定的方案中，搖臂組件依靠?jī)蓚€(gè)軸保持其穩(wěn)定性，在其支點(diǎn)處，因轉(zhuǎn)動(dòng)需求，支點(diǎn)處軸上需安裝軸承，如圖4所示。

圖4 支撐軸軸承定位

圖3 搖臂機(jī)構(gòu)

2 托輥機(jī)構(gòu)有限元模型的建立

對(duì)搖臂機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行離散，建立機(jī)構(gòu)的有限元模型，如圖5所示，得到56 165個(gè)節(jié)點(diǎn)，27 109個(gè)單元。

圖5 搖臂機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分

對(duì)于載荷和約束的添加，按照如下原則進(jìn)行:在搖臂機(jī)構(gòu)的主動(dòng)施力部位添加載荷，在搖臂機(jī)構(gòu)的被動(dòng)受力部位添加約束［3］。在搖臂機(jī)構(gòu)的固定安裝處添加固定約束，載荷根據(jù)規(guī)定要求分別添加，包括機(jī)構(gòu)上部載荷及各吊座處的懸吊載荷。

3 機(jī)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

根據(jù)搖臂機(jī)構(gòu)的工作運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到其極限位置對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。在靜態(tài)應(yīng)力分析前根據(jù)搖臂機(jī)構(gòu)的使用條件，對(duì)固定支撐座施加固定約束，對(duì)安裝板上的2個(gè)支撐座施加18 kN的力。然后對(duì)搖臂機(jī)構(gòu)的總變形和應(yīng)力進(jìn)行求解［4］。如圖6和7所示，搖臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)力最大處為支撐軸支點(diǎn)處，材料許用應(yīng)力為235 MPa，本設(shè)計(jì)符合材料要求，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變形。

如圖7所示，搖臂機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變符合材料要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 搖臂應(yīng)力分析

圖7 搖臂應(yīng)變分析

在靜態(tài)應(yīng)力分析前根據(jù)搖臂機(jī)構(gòu)的使用條件，對(duì)支撐軸施加固定約束，對(duì)氣缸受力軸的施加0.5 MPa的壓強(qiáng)，對(duì)前端支撐托輥部件處施加147.588 N的作用力。并對(duì)搖臂機(jī)構(gòu)的總變形、應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行求解［5］。

如圖8和9所示，搖臂機(jī)構(gòu)中總變形最大處為左搖臂支撐托輥部件處，材料許用應(yīng)力為235 MPa，設(shè)計(jì)符合材料要求，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變形。如圖10，搖臂構(gòu)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變符合材料要求，滿足設(shè)計(jì)要求［6］。

圖8 搖臂機(jī)構(gòu)總變形圖

圖9 搖臂機(jī)構(gòu)應(yīng)力圖

圖10 搖臂機(jī)構(gòu)應(yīng)變圖

4 結(jié)論

(1)在搖臂機(jī)構(gòu)極限位置處，機(jī)構(gòu)的應(yīng)力小于材料的屈服極限，不會(huì)產(chǎn)生永久塑性變形。

(2)根據(jù)模擬運(yùn)動(dòng)下計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果，對(duì)搖臂機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵位置進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，校核機(jī)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糠喜牧弦蟆?/p>

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