基于有限元的袋裝飼料碼垛裝車一體機側(cè)翼板優(yōu)化設(shè)計

■趙黎明 鄧援超周謨林 史常青

（湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北武漢430068）

在袋裝飼料的碼垛過程中，碼垛裝置進行的碼包工作是非常重要的一環(huán)，而碼垛裝置的左右側(cè)翼板是關(guān)鍵零部件，在碼垛過程中承受較大的沖擊載荷。在碼垛裝置的工作過程中，袋裝飼料從裝車平臺掉落碼垛裝置，再由碼垛裝置實現(xiàn)二次下降運動和一次行走運動，到達碼包工位，在袋裝飼料掉落時候，左右側(cè)翼板需要承受很大的沖擊載荷，同時實際情況中碼垛裝置的質(zhì)量要求適當。所以在側(cè)翼板的設(shè)計過程中，需要通過優(yōu)化設(shè)計找到一組最佳設(shè)計點，從而盡可能提高產(chǎn)品性能的同時滿足工作要求。

1 袋裝飼料碼垛裝車現(xiàn)狀和背景

現(xiàn)有袋裝飼料碼垛形式中，主要是采用半自動式裝車和機器人碼垛兩種形式。半自動式裝車的特點是要求人工配合，工人勞動強度大，效率低。機器人碼垛形式主要特點是針對托盤碼垛，自動化程度高，但其作用對象是托盤[1]，直接面對卡車車廂時不能安全裝車。這兩種方式的工作示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 半自動化高臺裝車形式

2 本文中碼垛裝車一體機工作原理

本文中的碼垛裝車一體機是一種有別于上文中介紹的兩種碼垛形式的碼垛機，本文中的碼垛機結(jié)合了上述兩種碼垛形式的優(yōu)點，既可以針對托盤碼垛，還可以直接針對車廂碼垛。該碼垛裝車一體機的整體方案圖如圖3所示。

圖2 機器人碼垛形式

圖3 碼垛裝車機整體示意圖

袋裝飼料由包裝車間包裝好之后，由輸送上圖3中輸送裝置輸送至飼料包分配平臺，由飼料包分配平臺分配至多通道的碼垛裝置上面，最后由碼垛裝置將飼料包直接碼在車廂或者托盤上面，每完成一排的碼包工作之后，行走裝置會驅(qū)動整個平臺移動到下一個工作點，進行另一排的碼包工作。

本文的主要研究對象側(cè)翼板就是圖3所圈的碼垛裝置上，碼垛裝置碼包過程的動作如下所述：升降裝置首先完成接包動作，然后由升降驅(qū)動裝置下降，下降動作完成后，行走驅(qū)動裝置動作，將飼料包運送至碼垛位置，完成飼料包的碼包動作。碼垛裝置的工藝動作流程圖如圖4所示。

圖4 碼垛裝置的工藝流程

在碼垛裝置中，側(cè)翼板是作為機構(gòu)和飼料包的主要承重部件，同時還要承受飼料包的沖擊力。在碼垛裝車一體機中主要完成傳遞飼料包的動作，其在工作工程中對應(yīng)有兩種工作狀態(tài)，其兩種工作狀態(tài)如圖5所示。

3 側(cè)翼板的有限元分析

3.1 側(cè)翼板載荷的確定

要確定側(cè)翼板所受的載荷，先對其進行受力分析，側(cè)翼板所受載荷由銷軸傳遞過來，銷軸連接側(cè)翼板和閘門連桿裝置，因此，在這里先將閘門連桿裝置看作一個整體作受力分析，其示意圖如圖6所示。

圖5 側(cè)翼板的兩種工作狀態(tài)

圖6 閘門連桿受力示意圖

閘門板受到袋裝飼料垂直向下的沖擊載荷，對單側(cè)閘門板進行受力分析，在閘門的絞接處其受力方向可以簡化成X軸方向和Y方向的兩個分力，X軸方向的分力與限位塊所施加的F2平衡，Y軸方向的分力之和與沖擊載荷在F1平衡，沖擊載荷F1為1 300 N，參見參考文獻[4]。F1所產(chǎn)生的扭矩與F2產(chǎn)生的扭矩平衡。根據(jù)以上分析，我們可以列出下式(1)。

根據(jù)上式（1）代入初始設(shè)計參數(shù)可以得出載荷F3為560 N，F(xiàn)4為1 300 N。本文主要分析的側(cè)翼板是基于初始設(shè)計的側(cè)翼板，其材料為Q 235。

3.2 側(cè)翼板有限元模型的建立與網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS Workbench 15.0進行有限元模型的建立，應(yīng)為側(cè)翼板上有較多的連接孔位，實際情況較為復雜，幾何細節(jié)和物理分析是密切相關(guān)的，不必要的幾何細節(jié)會大大增加分析需求。因此在建立有限元模型時候?qū)δＰ瓦M行簡化，忽略其中孔位的影響[2]。在簡化過程中，需要把握的一個原則是：最大限度的保留側(cè)翼板的力學特征，將小面合并為大面并且相鄰近面公用一條輪廓線，從而保證劃分網(wǎng)格的連貫性，保證網(wǎng)格質(zhì)量[3]。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到分析結(jié)果的精確性。考慮到側(cè)翼板為板類零件，該分析中選用了六面體網(wǎng)格。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.3 側(cè)翼板初始設(shè)計尺寸分析結(jié)果

在初始設(shè)計數(shù)據(jù)下側(cè)翼板的分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 應(yīng)力分析云圖

圖9 總變形分析云圖

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)分析結(jié)果可得，最大應(yīng)力為21.8 MPa，最大變形量為0.197 mm，初始設(shè)計參數(shù)滿足側(cè)翼板的工況要求。但是此初始設(shè)計參數(shù)下的側(cè)翼板質(zhì)量高達18.28 kg。該參數(shù)下的側(cè)翼板質(zhì)量較大，對驅(qū)動裝置的設(shè)計要求需要提高，從而會使整體設(shè)計變得更為復雜，所以需要在滿足使用要求的前提下對側(cè)翼板進行進一步的優(yōu)化設(shè)計。

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 優(yōu)化參數(shù)的確定

在進一步的優(yōu)化設(shè)計中，需要保證側(cè)翼板能夠承受沖擊載荷不發(fā)生變形，同時又要左右側(cè)翼板的質(zhì)量盡可能的小。因此可以將側(cè)翼板的厚度D、側(cè)翼板內(nèi)切除三角形區(qū)域的較長直角邊H作為優(yōu)化設(shè)計的輸入?yún)?shù)。將側(cè)翼板總質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大總變形量作為輸出參數(shù)。輸入?yún)?shù)的示意圖如圖10所示。

圖10 輸入?yún)?shù)示意圖

4.2 設(shè)計點的確定

確定好輸入?yún)?shù)后，需要進一步確定輸入?yún)?shù)的變化范圍，該優(yōu)化設(shè)計中將厚度D的變化范圍定為12～16 mm。切除直角邊H的變化范圍定為350～550 mm。在輸入?yún)?shù)的變化范圍內(nèi)可以得到一組新的設(shè)計點，新的設(shè)計點與總質(zhì)量、應(yīng)力和總變形量的關(guān)系曲線圖分別如圖11所示。

圖11 設(shè)計點與質(zhì)量、總變形量、應(yīng)力關(guān)系曲線圖

總體質(zhì)量和總體變形量與輸入優(yōu)化參數(shù)D和H的響應(yīng)關(guān)系圖分別如圖12和圖13所示。

對各個設(shè)計點分別進行分析計算后，可以得到9組分析結(jié)果，結(jié)果見表1。

圖12 質(zhì)量與優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)曲面

圖13 變形與優(yōu)化參數(shù)的響應(yīng)曲面

表1 新的設(shè)計點對應(yīng)的分析結(jié)果

5 優(yōu)化結(jié)果

對上面9個設(shè)計點分別進行分析計算后，通過觀察每一種分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著厚度參數(shù)D的逐漸減小，側(cè)翼板的總質(zhì)量逐漸減小，應(yīng)力大小分布在20～60 MPa的范圍內(nèi)，總變形分布在0.197～0.486 mm的范圍內(nèi)，總質(zhì)量變化有較大的改善，其分布范圍為12～18 kg。綜合考慮其他因素后，選取第8個設(shè)計點作為新的設(shè)計參數(shù)。新的設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的新的分析計算結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14 新的設(shè)計點應(yīng)力分布云圖

圖15 新的設(shè)計點變形分布云圖

6 結(jié)論

①優(yōu)化結(jié)果表明碼垛裝車一體機側(cè)翼總質(zhì)量比初始設(shè)計減少了很多，總體變形和應(yīng)力分布依然處于一個可控的范圍之內(nèi)，碼垛側(cè)翼板依然可以滿足使用條件。通過該優(yōu)化設(shè)計不僅節(jié)約了材料降低了成本，還減小了慣性力，增加了驅(qū)動氣缸的使用壽命，同時降低了能耗。

②袋裝飼料碼垛裝車一體機側(cè)翼板的設(shè)計可以采用軟件設(shè)計的方式彌補傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計的不足，使產(chǎn)品更加趨于理想化。

③該文中的分析結(jié)果對于碼垛側(cè)翼板的進一步優(yōu)化具有重要的指導作用，為設(shè)計人員在后期的設(shè)計過程中提供了參考，提供了方向，達到了預期分析的目的。