基于ADAMS的包裝機橫封傳動機構(gòu)剛?cè)狁詈戏治?/h1>
2017-10-20 09:44:24張曉春
滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2017年3期
張曉春
（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽 銅陵244000）
基于ADAMS的包裝機橫封傳動機構(gòu)剛?cè)狁詈戏治?/p>
張曉春
（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽 銅陵244000）
橫封傳動機構(gòu)是自動包裝機的重要部件，它的性能對包裝質(zhì)量影響較大。本文通過建立V FP500型包裝機橫封機構(gòu)的力學(xué)模型，然后基于H Y PERM ESH、A N SY S和A D A M S對各傳動件進行剛?cè)狁詈戏治?，驗證傳動件強度在封裝的過程中是否滿足要求，根據(jù)分析的結(jié)果為進一步優(yōu)化提供參考。
自動包裝機；橫封機構(gòu)；力學(xué)模型；剛?cè)狁詈?/p>
一、引言
自動包裝機是指應(yīng)用機器實現(xiàn)產(chǎn)品的全部或者部分包裝的機器，這些包裝過程可能涵蓋自動稱重與計量、填充材料、制造包裝袋、封裝合攏、切斷、運輸、打印產(chǎn)品的批號、增加拆封切口、無料示警等全部或部分過程[1]。
橫封機構(gòu)主要作用是對包裝材料進行橫向封口及將相連的包裝材料橫向切斷，在包裝設(shè)備中，橫向封口是至關(guān)重要的，橫向封口質(zhì)量的好壞將影響被包裝商品的存儲時間、包裝美觀度及流通方式。所以說橫向封口的傳動機構(gòu)是設(shè)計者設(shè)計時考慮的重要部件，筆者通過對橫封機構(gòu)傳動件進行剛?cè)狁詈戏治?，掌握其力學(xué)性能，并對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，提高機器部件的工作性能[2]。
二、建立橫封機構(gòu)力學(xué)模型
首先要建立橫封機構(gòu)的有限元模型，并進行CB模態(tài)計算，然后將模態(tài)計算結(jié)果保存為模態(tài)中性文件MNF，為下一步導(dǎo)入專業(yè)分析軟件作準備[3]。
橫封機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)橫向封裝與切斷，其構(gòu)成部件包括長拉桿、短拉桿、驅(qū)動臂、驅(qū)動軸、搖臂等，結(jié)合HYPERMESH于ANSYS的優(yōu)點，在進行剛?cè)狁詈蠒r選擇在HYPERMESH中進行前處理，生成.cdb文件，然后將.cdb文件導(dǎo)入到ANSYS中，利用ANSYS與ADAMS之間能夠直接進行數(shù)據(jù)交換接口，可以直接從ANSYS中生成ADAMS需要的MNF文件[4]。
部分零件的有限元模型數(shù)據(jù)如下：轉(zhuǎn)軸：節(jié)點（NODES）=35613，單元（ELEMS）=31618；活塞桿：節(jié)點（NODES）=27617，單元（ELEMS）=23942；短拉桿：節(jié)點（NODES）=6594，單元（ELEMS）=23254；驅(qū)動臂：節(jié)點（NODES）=16554，單元（ELEMS）=13307；
圖2.1 轉(zhuǎn)軸有限元模型
圖2.2 活塞桿有限元模型
圖2.3 短拉桿有限元模型
圖2.4 驅(qū)動臂有限元模型
在HYPERMESH軟件中將零部件離散成若干細小的網(wǎng)格后，就需要設(shè)置材料、密度、彈性模型、泊松比等，然后再導(dǎo)出到ANSYS中求解輸出MNF文件。將柔性體全部替換之后，剛?cè)狁詈夏Ｐ托匀鐖D2.5所示，其中白色為柔性體。
圖2.5 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>
三、剛?cè)狁詈戏抡娣治?/p>
（一）整個部件的耦合分析
圖3.1 變形云圖
圖3.2 柔性體變形云圖
剛?cè)狁詈夏Ｐ蜋z查完成后，確定不存在冗余約束的前提下運行仿真，將仿真時間設(shè)置為4s，步長為0.01步，在仿真的過程中，柔性體會顯示變形云圖，仿真結(jié)束之后，保存仿真的結(jié)果文件為Last Run進入后處理，將插件Durability，然后調(diào)取結(jié)果文件動畫，在動畫窗口中選擇變形顯（Deformation），即可看到變形云圖。
切換顯示方式為應(yīng)力云圖（Von Mises stress)，查看應(yīng)力分布結(jié)果如圖3.3所示：可以觀察到Von Mises Stress（米塞斯等效應(yīng)力）最大值為100.33 MPa，最?。兹沟刃?yīng)力）為5.85e-9MPa，接近為 0。
圖3.3 橫封機構(gòu)最大應(yīng)力云圖
（二）單個零件的耦合分析
具體查看驅(qū)動臂、活塞桿、轉(zhuǎn)軸、長拉桿、與短拉桿的應(yīng)力變化，選擇插件Durability下拉菜單中的Hot Spots table，具體操作如下：在Flex Body中選擇changlagan1柔性體，在Analysis中選擇仿真結(jié)果文件Last Run，點擊report即可，就會生成柔性體上各熱點（即米塞斯等效應(yīng)力最大值點，也稱最危險點）的應(yīng)力。
（三）長拉桿剛?cè)狁詈戏治觯ò咐?/p>
為了得到某個柔性體上的熱點應(yīng)力變化曲線，在Hot Spots table中選擇一個節(jié)點，對于長拉桿柔性體上的19186號熱點的應(yīng)力變化曲線，在Analysis中選擇仿真結(jié)果文件Last Run，接著選擇 Flexible Body為 changlagan1，在 Select Node List輸入19186，在Stress下選擇Von Mises，點擊OK即可生成。以下是柔性體長拉桿1在橫封機構(gòu)運動過程中的熱點應(yīng)力表以及最大應(yīng)力熱點曲線圖：
圖3.4 柔體長拉桿1熱點米塞斯等效應(yīng)力表
圖3.5 熱點19186米塞斯等效應(yīng)力曲線圖
橫封機構(gòu)在工作的過程中柔性體長拉桿1變形在時時變化，圖3.4為柔性體長拉桿1熱點應(yīng)力表，表中各節(jié)點應(yīng)力按照從大到小排列，取應(yīng)力最大熱點19186繪制熱點應(yīng)力曲線圖，從圖3.5中可以得出，橫封機構(gòu)在不同時刻熱點19186的應(yīng)力會發(fā)生變化，在機構(gòu)運動過程中柔性體長拉桿1會受到最大應(yīng)力達到9.46MPa左右，在瞬間沖擊力與重力的作用，封裝過程中會引起長拉桿1柔性體發(fā)生抖動，由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量，柔性長拉桿1并沒有保持等幅振動，而是作振幅不斷衰減的衰減振動，由于驅(qū)動加在活塞桿上，所以直到活塞桿上升到最大值停止運動，此時應(yīng)力降到最小；活塞桿下降的過程同上升過程應(yīng)力變化類似。當一個工作過程完成后，橫封機構(gòu)處于靜止狀態(tài)，此時系統(tǒng)所受的應(yīng)力很小并處于穩(wěn)定狀態(tài)。
（四）耦合結(jié)果分析
從各柔性體變形云圖和各柔性體熱點應(yīng)力表格和表格中熱點所對應(yīng)的應(yīng)力曲線可以得到一些結(jié)論，當橫封機構(gòu)開始啟動時，各柔性體從靜止開始加速運動，柔性體在瞬間沖擊力與重力的作用，會引起柔性體發(fā)生抖動，由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量，柔性體不會保持等幅振動，而是作振幅不斷衰減的衰減振動，由于驅(qū)動加在活塞桿上，所以直到活塞桿上升到最大值停止運動，此時應(yīng)力降到最?。换钊麠U下降的過程同上升過程應(yīng)力變化類似。當工作過程完成后，橫封機構(gòu)處于靜止狀態(tài)，此時系統(tǒng)所受的沖擊力很小并處于穩(wěn)定狀態(tài)。在柔性體驅(qū)動臂、活塞桿、轉(zhuǎn)軸、長拉桿和短拉桿的應(yīng)力圖表中，柔性體長拉桿1所受的最大應(yīng)力為9.46MPa，柔性體長拉桿2所受的最大應(yīng)力為5.58MPa，柔性體短拉桿1所受到的最大應(yīng)力為6.14MPa，柔性體短拉桿2所受到的最大應(yīng)力為24.57MPa，柔性體活塞桿所受到的最大應(yīng)力為44.73MPa，柔性體驅(qū)動臂所受到的最大應(yīng)力為35.0046MPa，其中柔性體轉(zhuǎn)軸所受到的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為100.334MPa，最大應(yīng)力熱點的具體位置出現(xiàn)在節(jié)點56358處和對稱的56357處，這兩點位于轉(zhuǎn)軸和擺桿鉸接點附近。
四、結(jié)論
對于材料為普通碳鋼的轉(zhuǎn)軸來說，鋼的屈服強度為220.59MPa[5]，根據(jù)最大應(yīng)力來比較，轉(zhuǎn)軸所受的最大應(yīng)力遠遠小于普通碳鋼的許用應(yīng)力，因此，橫封機構(gòu)在作業(yè)的過程中能夠長時間安全運行。通過剛?cè)狁詈戏治?，可以為橫封機構(gòu)的設(shè)計改進提供了理論依據(jù)，同時為合理解決同類共性問題提供了具有參考價值的分析方法。
[1]楊祖彬，曾莉紅.基于食品安全的我國食品包裝機械技術(shù)發(fā)展路徑探討[J].中國食品學(xué)報，2013，（04）：117-124.
[2]賀兵.基于虛擬樣機技術(shù)的包裝機械系統(tǒng)仿真研究[J].包裝工程,2008，（02）：47-49.
[3]張玉華.機械系統(tǒng)設(shè)計建模與仿真[M].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)出版社，2010.
[4]付亞蘭，謝素明.基于HYPERMESH的結(jié)構(gòu)有限元建模技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2014.
[5]賀李平，龍凱，肖介平.ANSYS13.0與Hypermesh11.0聯(lián)合仿真有限元分析[M].北京：機械工程出版社，2012.
TH132
A
1671－5993（2017）03－0059－03
2017-05-01
2016年安徽高校自然科學(xué)重點研究項目“MPPT獨立式光伏系統(tǒng)優(yōu)化研究”（KJ2016A714）。
張曉春（1982-），男，安徽金寨人，銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要研究方向：精密儀器與機械。
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張曉春
（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽 銅陵244000）
基于ADAMS的包裝機橫封傳動機構(gòu)剛?cè)狁詈戏治?/p>
張曉春
（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽 銅陵244000）
橫封傳動機構(gòu)是自動包裝機的重要部件，它的性能對包裝質(zhì)量影響較大。本文通過建立V FP500型包裝機橫封機構(gòu)的力學(xué)模型，然后基于H Y PERM ESH、A N SY S和A D A M S對各傳動件進行剛?cè)狁詈戏治?，驗證傳動件強度在封裝的過程中是否滿足要求，根據(jù)分析的結(jié)果為進一步優(yōu)化提供參考。
自動包裝機；橫封機構(gòu)；力學(xué)模型；剛?cè)狁詈?/p>
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自動包裝機是指應(yīng)用機器實現(xiàn)產(chǎn)品的全部或者部分包裝的機器，這些包裝過程可能涵蓋自動稱重與計量、填充材料、制造包裝袋、封裝合攏、切斷、運輸、打印產(chǎn)品的批號、增加拆封切口、無料示警等全部或部分過程[1]。
橫封機構(gòu)主要作用是對包裝材料進行橫向封口及將相連的包裝材料橫向切斷，在包裝設(shè)備中，橫向封口是至關(guān)重要的，橫向封口質(zhì)量的好壞將影響被包裝商品的存儲時間、包裝美觀度及流通方式。所以說橫向封口的傳動機構(gòu)是設(shè)計者設(shè)計時考慮的重要部件，筆者通過對橫封機構(gòu)傳動件進行剛?cè)狁詈戏治?，掌握其力學(xué)性能，并對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，提高機器部件的工作性能[2]。
二、建立橫封機構(gòu)力學(xué)模型
首先要建立橫封機構(gòu)的有限元模型，并進行CB模態(tài)計算，然后將模態(tài)計算結(jié)果保存為模態(tài)中性文件MNF，為下一步導(dǎo)入專業(yè)分析軟件作準備[3]。
橫封機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)橫向封裝與切斷，其構(gòu)成部件包括長拉桿、短拉桿、驅(qū)動臂、驅(qū)動軸、搖臂等，結(jié)合HYPERMESH于ANSYS的優(yōu)點，在進行剛?cè)狁詈蠒r選擇在HYPERMESH中進行前處理，生成.cdb文件，然后將.cdb文件導(dǎo)入到ANSYS中，利用ANSYS與ADAMS之間能夠直接進行數(shù)據(jù)交換接口，可以直接從ANSYS中生成ADAMS需要的MNF文件[4]。
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圖2.1 轉(zhuǎn)軸有限元模型
圖2.2 活塞桿有限元模型
圖2.3 短拉桿有限元模型
圖2.4 驅(qū)動臂有限元模型
在HYPERMESH軟件中將零部件離散成若干細小的網(wǎng)格后，就需要設(shè)置材料、密度、彈性模型、泊松比等，然后再導(dǎo)出到ANSYS中求解輸出MNF文件。將柔性體全部替換之后，剛?cè)狁詈夏Ｐ托匀鐖D2.5所示，其中白色為柔性體。
圖2.5 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>
三、剛?cè)狁詈戏抡娣治?/p>
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圖3.2 柔性體變形云圖
剛?cè)狁詈夏Ｐ蜋z查完成后，確定不存在冗余約束的前提下運行仿真，將仿真時間設(shè)置為4s，步長為0.01步，在仿真的過程中，柔性體會顯示變形云圖，仿真結(jié)束之后，保存仿真的結(jié)果文件為Last Run進入后處理，將插件Durability，然后調(diào)取結(jié)果文件動畫，在動畫窗口中選擇變形顯（Deformation），即可看到變形云圖。
切換顯示方式為應(yīng)力云圖（Von Mises stress)，查看應(yīng)力分布結(jié)果如圖3.3所示：可以觀察到Von Mises Stress（米塞斯等效應(yīng)力）最大值為100.33 MPa，最?。兹沟刃?yīng)力）為5.85e-9MPa，接近為 0。
圖3.3 橫封機構(gòu)最大應(yīng)力云圖
（二）單個零件的耦合分析
具體查看驅(qū)動臂、活塞桿、轉(zhuǎn)軸、長拉桿、與短拉桿的應(yīng)力變化，選擇插件Durability下拉菜單中的Hot Spots table，具體操作如下：在Flex Body中選擇changlagan1柔性體，在Analysis中選擇仿真結(jié)果文件Last Run，點擊report即可，就會生成柔性體上各熱點（即米塞斯等效應(yīng)力最大值點，也稱最危險點）的應(yīng)力。
（三）長拉桿剛?cè)狁詈戏治觯ò咐?/p>
為了得到某個柔性體上的熱點應(yīng)力變化曲線，在Hot Spots table中選擇一個節(jié)點，對于長拉桿柔性體上的19186號熱點的應(yīng)力變化曲線，在Analysis中選擇仿真結(jié)果文件Last Run，接著選擇 Flexible Body為 changlagan1，在 Select Node List輸入19186，在Stress下選擇Von Mises，點擊OK即可生成。以下是柔性體長拉桿1在橫封機構(gòu)運動過程中的熱點應(yīng)力表以及最大應(yīng)力熱點曲線圖：
圖3.4 柔體長拉桿1熱點米塞斯等效應(yīng)力表
圖3.5 熱點19186米塞斯等效應(yīng)力曲線圖
橫封機構(gòu)在工作的過程中柔性體長拉桿1變形在時時變化，圖3.4為柔性體長拉桿1熱點應(yīng)力表，表中各節(jié)點應(yīng)力按照從大到小排列，取應(yīng)力最大熱點19186繪制熱點應(yīng)力曲線圖，從圖3.5中可以得出，橫封機構(gòu)在不同時刻熱點19186的應(yīng)力會發(fā)生變化，在機構(gòu)運動過程中柔性體長拉桿1會受到最大應(yīng)力達到9.46MPa左右，在瞬間沖擊力與重力的作用，封裝過程中會引起長拉桿1柔性體發(fā)生抖動，由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量，柔性長拉桿1并沒有保持等幅振動，而是作振幅不斷衰減的衰減振動，由于驅(qū)動加在活塞桿上，所以直到活塞桿上升到最大值停止運動，此時應(yīng)力降到最小；活塞桿下降的過程同上升過程應(yīng)力變化類似。當一個工作過程完成后，橫封機構(gòu)處于靜止狀態(tài)，此時系統(tǒng)所受的應(yīng)力很小并處于穩(wěn)定狀態(tài)。
（四）耦合結(jié)果分析
從各柔性體變形云圖和各柔性體熱點應(yīng)力表格和表格中熱點所對應(yīng)的應(yīng)力曲線可以得到一些結(jié)論，當橫封機構(gòu)開始啟動時，各柔性體從靜止開始加速運動，柔性體在瞬間沖擊力與重力的作用，會引起柔性體發(fā)生抖動，由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量，柔性體不會保持等幅振動，而是作振幅不斷衰減的衰減振動，由于驅(qū)動加在活塞桿上，所以直到活塞桿上升到最大值停止運動，此時應(yīng)力降到最?。换钊麠U下降的過程同上升過程應(yīng)力變化類似。當工作過程完成后，橫封機構(gòu)處于靜止狀態(tài)，此時系統(tǒng)所受的沖擊力很小并處于穩(wěn)定狀態(tài)。在柔性體驅(qū)動臂、活塞桿、轉(zhuǎn)軸、長拉桿和短拉桿的應(yīng)力圖表中，柔性體長拉桿1所受的最大應(yīng)力為9.46MPa，柔性體長拉桿2所受的最大應(yīng)力為5.58MPa，柔性體短拉桿1所受到的最大應(yīng)力為6.14MPa，柔性體短拉桿2所受到的最大應(yīng)力為24.57MPa，柔性體活塞桿所受到的最大應(yīng)力為44.73MPa，柔性體驅(qū)動臂所受到的最大應(yīng)力為35.0046MPa，其中柔性體轉(zhuǎn)軸所受到的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為100.334MPa，最大應(yīng)力熱點的具體位置出現(xiàn)在節(jié)點56358處和對稱的56357處，這兩點位于轉(zhuǎn)軸和擺桿鉸接點附近。
四、結(jié)論
對于材料為普通碳鋼的轉(zhuǎn)軸來說，鋼的屈服強度為220.59MPa[5]，根據(jù)最大應(yīng)力來比較，轉(zhuǎn)軸所受的最大應(yīng)力遠遠小于普通碳鋼的許用應(yīng)力，因此，橫封機構(gòu)在作業(yè)的過程中能夠長時間安全運行。通過剛?cè)狁詈戏治?，可以為橫封機構(gòu)的設(shè)計改進提供了理論依據(jù)，同時為合理解決同類共性問題提供了具有參考價值的分析方法。
[1]楊祖彬，曾莉紅.基于食品安全的我國食品包裝機械技術(shù)發(fā)展路徑探討[J].中國食品學(xué)報，2013，（04）：117-124.
[2]賀兵.基于虛擬樣機技術(shù)的包裝機械系統(tǒng)仿真研究[J].包裝工程,2008，（02）：47-49.
[3]張玉華.機械系統(tǒng)設(shè)計建模與仿真[M].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)出版社，2010.
[4]付亞蘭，謝素明.基于HYPERMESH的結(jié)構(gòu)有限元建模技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2014.
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TH132
A
1671－5993（2017）03－0059－03
2017-05-01
2016年安徽高校自然科學(xué)重點研究項目“MPPT獨立式光伏系統(tǒng)優(yōu)化研究”（KJ2016A714）。
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