水泥碼垛裝置的自鎖及閘門優(yōu)化

廖鳴元， 鄧援超， 趙黎明

(湖北工業(yè)大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

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水泥碼垛裝置的自鎖及閘門優(yōu)化

廖鳴元， 鄧援超， 趙黎明

(湖北工業(yè)大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

分析水泥碼垛裝置里的閘門設計，應用平面連桿結構使之達到碼垛過程中動作穩(wěn)定、可靠的效果，同時分析了閘門在工作時候的受力情況，并對其提出優(yōu)化方案。

閘門裝置； 平面連桿； 包裝機械； 應力分析

在水泥碼垛過程中，由于水泥碼垛裝置需要進入車箱側板以內進行工作，所以采取了閘門控制水泥包自由落體的形式進行碼垛，這樣不僅可以滿足水泥包掉落高度，保證水泥包不會炸包，同時還可以確保碼垛質量。碼垛裝置的設計采用的是閘門方式，必須保證兩側閘門同時開合、同時關閉，且水泥袋在自由落體到閘門上時的穩(wěn)定性。如果兩側閘門動作不同步，則導致水泥包下落的時候產生位置偏差，所以閘門設計采取連桿機構。由于水泥袋落下均采取自由落體，每一次水泥袋掉落，閘門都需要承受質量是50 kg的水泥袋的沖擊，而反復的沖擊有可能造成鉸鏈斷裂，因此必須對閘門裝置進行有限元分析，判斷閘門裝置是否會斷裂，同時提出優(yōu)化方案。

1　結構方案設計

根據碼垛裝置的設計原理可知，水泥包從前面的工位轉移到碼垛裝置時采取的是自由落體形式，為了不給閘門裝置驅動件造成無謂的影響，閘門裝置運用了自鎖結構(圖1)。

該機構為平面十桿機構，由機構自由度計算公式可以算出機構自由度

F=3n-2PL-PH

式中：n為活動構件數；PL為低副數；PH為高副數。F=3×9-2×13-0=1，即該機構是自由度為1的平面十桿機構，有一個主動件，故機構具有唯一確定運動。

(a)初始位置

(b)極限位置圖 1　閘門裝置設計方案原理

2　方案結構受力分析

本文主要討論閘門裝置，平面連桿運動，其受力狀況如圖2所示。

圖 2　初始位置受力簡圖

碼垛裝置在初始狀態(tài)的時候，連桿機構只會承受水泥包的重力，閘門分別和1號桿件和5號桿件焊接，因此重力是直接作用在1號和5號桿件上?？梢詫⑺喟闹亓Ψ殖蒄水1和F水5在F水1的作用下，1號桿件會產生一個向右的轉矩，導致C點產生一個水平向右的力F23。

相對應的，在F水5的作用下，5號桿件所傳遞的力會使4號桿件對3號桿件施加一個水平向左的力F43，在安裝要求當中，2號、3號、4號桿件應該是水平安裝，那么在僅受水平力作用的時候，3號連桿不會產生位移，所以閘門是不會產生旋轉的，從而形成自鎖現(xiàn)象。

3　閘門裝置有限元分析

此閘門的作用是從上層閘門接收水泥包，通過定位系統(tǒng)確定水泥包位置之后，再打開閘門放下水泥包。上層閘門距離此閘門的垂直距離為380 mm，那么首先需要估算出水泥包下落對閘門造成的沖擊力大小才能進行有限元分析。

Solidworks是一款集三維立體建模動畫仿真與單個零件有限元分析的強大軟件，本次有限元分析就是通過利用solidworks進行單個零件建模、添加約束夾具來進行的。

首先在solidworks中對閘門零件進行建模，然后于鉸鏈處添加夾具約束，同時對閘門板添加沖擊力，估值為1 300 N，進行仿真(圖3)。

圖 3　閘門應力分析

由圖3可知，在鉸鏈連接處的應力集中最嚴重。對此圖進行放大，可以發(fā)現(xiàn)零件應力集中點(圖4)。根據軟件靜力學分析的結果，此處的應力已經遠遠超過屈服極限，所以此點是在正常工作中最容易造成斷裂的點。為了保證加工出來的零件和機構能夠達到預期的質量，必須在設計和調試階段盡可能地將此類應力集中進行分散，使機構在工作中可以更加穩(wěn)定可靠。

圖 4　應力集中點

根據以往的工作經歷，大部分會采取5類方法來提高零件強度：1)改用高強度材料；2)增大零件危險截面尺寸；3)進行熱處理以提高材料力學性能；4)提高制造精度，降低工作時的動載荷；5)合理布置各零件的相互位置，減少作用在零件上的載荷。

本文采用的是增大零件危險截面尺寸的方法來改善零件當中的應力集中現(xiàn)象，即將閘門零件軸套部分增加一個坡面設計，在不影響閘門整體動作的前提下增大了危險截面的尺寸，將新得到的零件再次進行有限元分析，得到的結果如圖5所示。

圖 5　改良后零件的應力分析

由圖5可知，在不改變閘門其他條件的前提下，增加坡面設計可以有效分散應力集中的現(xiàn)象，從而大大提高閘門的使用壽命，同時也提高了產品的可靠性。

應力分析之后，再進行閘門的形變分析。由于水泥包按照設計要求是掉落到閘門正中間，添加約束以及仿真之后，得圖6。

圖 6　閘門形變分析

由對閘門的形變分析可知，閘門正中間形變量最大，是受到沖擊力最集中的部位，形變量已經可以影響到機構正常運行，所以必須采取措施進行優(yōu)化，在此處采取的優(yōu)化方式是增大閘門板厚度，除此之外還可以縮短支撐跨距，或者增加支撐點等。

4　結束語

本文在分析機構需實現(xiàn)的基本動作和功能的基礎上，對該部件運用到的自鎖現(xiàn)象進行詳細敘述，同時針對閘門零件有可能出現(xiàn)的問題進行了分析，發(fā)現(xiàn)不足之處后進行靜力學分析，并提出了改良方案，該方案切實可行，解決了實際問題。目前該部件在現(xiàn)場運行可靠、穩(wěn)定。

[1]魏兵，熊禾根.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2007:9-88.

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[5]李春廣,高斌.傳動角與平面連桿機構的設計[D].鄭州：鄭州紡織工學院，1997.

[責任編校： 張眾]

Optimizing the Design of the Cement Pallet Device

LIAO Mingyuan， DENG Yuanchao, ZHAO Liming

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper analyzes the gate design of the cement pallet device by using planar linkage structure in order to achieve stable movement and reliable effect. Meanwhile, it analyzes the stress the gate receives in work and proposes the optimization scheme.

gate device; planar linkage; packaging machinery; stress analysis

2016-04-22

廖鳴元(1991-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為機械電子工程

1003-4684(2016)04-0005-02

TH122

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