重組竹熱壓自動卸料裝置設(shè)計與仿真研究

任長清， 宋 鵬， 楊春梅， 丁禹程， 張佳林， 王 濤

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

重組竹產(chǎn)業(yè)近年來不斷發(fā)展，其作為竹制材料工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)和高值化利用的最有效途徑之一，重組竹技術(shù)在竹材原料的膠合性能方向不斷突破技術(shù)瓶頸，通過提高竹材的利用率，使重組竹板的附加值大大提高，實現(xiàn)了重組竹產(chǎn)業(yè)向高效高利用率方向發(fā)展。

重組竹壓制設(shè)備分為冷壓和熱壓兩大類別，本文研究熱壓工藝是通過重組竹熱壓機(jī)將疏解后的竹材施膠進(jìn)行熱壓。熱壓法從應(yīng)用至今工藝已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但亦存在兩方面的問題：一是板坯采用人工鋪裝，竹束鋪裝不均勻?qū)е聼釅撼砂宓拿芏炔町愝^大；二是卸料時采用人工卸料不僅容易影響重組竹板產(chǎn)品質(zhì)量，還提高生產(chǎn)成本。

通過對重組竹制造企業(yè)工廠的實際情況進(jìn)行了解，在重組竹熱壓過程中膠液會透過竹束粘在底部鋪裝的鋼板上，這就導(dǎo)致在熱壓完成后重組竹板會與鋼板之間產(chǎn)生一定的粘連，在卸料時不能輕易取下板料。目前工廠里缺少一種專用卸板的裝置，通過人力將粘連的板材卸下，增加了工人的勞動成本。因此本文是設(shè)計了一種可以將整個重組竹加工過程中可以和出料機(jī)構(gòu)結(jié)合起來實現(xiàn)連續(xù)的自動化生產(chǎn)的自動卸料的裝置。

1 重組竹熱壓自動卸料裝置的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，重組竹熱壓自動卸料裝置主要由起料裝置、重組竹板、活動擋鐵、底部導(dǎo)軌和鋪裝鋼板組成，其中起料裝置主要是在熱壓完成后將重組竹板向上提起，活動擋鐵是在竹束鋪裝過程中起到輔助擋塊的作用，確保竹束不向外溢出，在熱壓過程中通過齒輪齒條傳動自動實現(xiàn)活動擋塊的收放運(yùn)動。起料裝置與底部導(dǎo)軌相連接可以實現(xiàn)橫向推進(jìn)，通過導(dǎo)軌橫向移動將起料卡爪插入熱壓完成后的重組竹板和鋪裝鋼板之間并使兩者產(chǎn)生一定的縫隙。起料裝置是主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其是通過一個曲柄的轉(zhuǎn)動帶動滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)滑動，實現(xiàn)向上提起運(yùn)動從而使重組竹板與下方鋼板分離。

圖1 重組竹熱壓自動起料裝置結(jié)構(gòu)圖

重組竹熱壓自動卸料裝置的整個自動卸料過程：當(dāng)熱壓完成后的重組竹板材從熱壓機(jī)上落到卸料臺上后，鋼板上邊的活動擋鐵自動抬起，其次分別列于卸料臺兩側(cè)的六個卸料裝置先根據(jù)高度感應(yīng)裝置通過驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)自動調(diào)整執(zhí)行構(gòu)件的高度，在氣缸的推動作用下橫向推動裝置將起料裝置插入板材下面，而后驅(qū)動裝置向上提升起料裝置將料板卸下，完成卸料動作后由運(yùn)輸小車取走完成卸料。

2 重組竹熱壓自動卸料裝置起料裝置分析

在整個自動卸料裝置中，驅(qū)動裝置是一個曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要是通過電機(jī)連接主動桿，使主動桿通過繞電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動起料裝置實現(xiàn)在水平和豎直方向的移動，這種方向上的運(yùn)動使得負(fù)責(zé)起料的桿件可以做一個圓周運(yùn)動，可以通過主動桿旋轉(zhuǎn)的角度調(diào)節(jié)起料裝置插入重組竹板材和鋼板間隙在豎直方向上位置。

圖2 重組竹熱壓自動卸料裝置起料裝置結(jié)構(gòu)圖

實際卸料過程中，等到將起料裝置插入重組竹板材底下將竹板抬起，由于竹板自身的重力以及它與底下鋼板之間有膠合的粘性力，因此需要對整個驅(qū)動裝置進(jìn)行運(yùn)動性能分析和力學(xué)性能分析。進(jìn)行運(yùn)動性能分析時可以將圖2結(jié)構(gòu)圖簡化為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸位置是固定不變的，因此A點可視為與機(jī)架相連接，圖2中的滑塊結(jié)構(gòu)可以沿導(dǎo)軌在X方向與Y方向運(yùn)動，其運(yùn)動軌跡為以A點為圓心以連接桿LAB長度為半徑的圓，簡化結(jié)果如圖3。

圖3 重組竹熱壓自動卸料裝置驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

根據(jù)圖3可以看出，電機(jī)驅(qū)動曲柄LAB繞A點轉(zhuǎn)動，A點位置坐標(biāo)為(XA，YA)，速度為VA，其加速度為aA，構(gòu)件AB的角位置Φ、角速度ω、角加速度α表示。B點的坐標(biāo)用(XB，YB)表示、速度VB和加速度aB。設(shè)構(gòu)件上的位置分別用矢量rA、rB表示，兩點的距離用矢量l表示。由圖4可列出B點的位置矢量方程為：

rB=rA+l

(1)

圖4 重組竹熱壓自動卸料裝置起料裝置運(yùn)動分析圖

其在兩坐標(biāo)軸上的分量分別為：

XB=XA+l·sinφ

(2)

YB=YA-l·cosφ

(3)

因為A點固定不動所以速度和加速度均為0，因此B點的速度可以表示為：

VBx=ω·l·cosφ

(4)

VBy=ω·l·sinφ

(5)

VBy=VCy

(6)

驅(qū)動電機(jī)選擇的是額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/m的86BLF03直流無刷電機(jī)，每臺電機(jī)的額定輸出功率為220 W，減速器采用BLDC 5020無刷驅(qū)動器，該驅(qū)動器具備霍爾茨極位置設(shè)定，實現(xiàn)每次提拉動作轉(zhuǎn)動60°。該驅(qū)動器可實現(xiàn)1∶75級減速，因此輸出軸轉(zhuǎn)速n=40 r/m。曲柄LAB=100 mm，取初始位置角Φ=60°。

(7)

V總=ω·l=0.42 m/s

(8)

(9)

由上式可知起料機(jī)構(gòu)插入重組竹板下向上的提拉速度約為0.36 m/s，電機(jī)輸出軸功率P由輸出軸轉(zhuǎn)速計算。由于重組竹板質(zhì)量為90 kg，竹板和鋪裝鋼板的粘性力約為質(zhì)量的一倍，同時有6個起重裝置提拉，因此每個起重機(jī)構(gòu)需要的力F為300 N。

P=F·V=300×0.42=126 W

(10)

因此在起重動作過程中電機(jī)對竹板做功功率約為126 W。

3 重組竹熱壓自動卸料裝置仿真分析

重組竹熱壓自動卸料裝置中，驅(qū)動結(jié)構(gòu)作為動力元件和執(zhí)行元件中的連接部分，是整個裝置中最重要的承載部件，它是直接影響重組竹熱壓自動卸料裝置中起料機(jī)構(gòu)工作特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因此對驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，模擬出準(zhǔn)確的結(jié)果，為卸料裝置的設(shè)計提供可靠依據(jù)。SolidWorks軟件中集成有限元分析系統(tǒng)SolidWorks Simulation，本文設(shè)計的重組竹熱壓自動卸料裝置建模采用SolidWorks，可以直接導(dǎo)入Simulation插件進(jìn)行有限元仿真分析。

目前熱壓后重組竹竹板的質(zhì)量約為90 kg，重組竹熱壓完成后膠仍然和下面鋼板保有一定的粘度，因此在進(jìn)行仿真分析時這一部分力也不能忽略。

進(jìn)行對驅(qū)動結(jié)構(gòu)的仿真分析時由于受力較復(fù)雜，需要對模型進(jìn)行一定的簡化：(1)將整個位于裝置下方和地面相固定的部分隱藏，然后將連接驅(qū)動裝置固定的機(jī)架部分設(shè)成固定約束；(2)重組竹熱壓自動卸料機(jī)構(gòu)材料為合金鋼彈性模量為2.1e11泊松比為0.28線性彈性且各向同性。

首先進(jìn)行起料裝置插入重組竹下方動作的仿真：將三維模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation后先定義材料，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌和滑塊機(jī)構(gòu)為合金鋼，其彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.28，密度為7 700 Kg/m3，屈服強(qiáng)度為620.4 MPa，抗剪模量7.9×1010Pa。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過實際生產(chǎn)經(jīng)驗估算起料機(jī)構(gòu)插入重組竹板施加載荷為一半的板重約為450 N，受力位置如圖5所示，施加約束和載荷后的模型如圖6。

圖5 載荷施加位置圖

圖6 重組竹熱壓自動卸料驅(qū)動裝置劃分網(wǎng)格

求解完成后結(jié)果如圖7所示，此結(jié)構(gòu)在進(jìn)行橫向移動插入重組竹板下方時，由于后方的檔板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致變形很小，這種變形程度在實際工作過程中幾乎不會造成影響，該結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。

圖7 橫向移動仿真分析應(yīng)力結(jié)果圖

關(guān)鍵的動作是要對起料結(jié)構(gòu)插入重組竹下方時的提拉動作進(jìn)行分析，起料機(jī)構(gòu)向上抬起時需要克服的力包括熱壓后竹板的重力以及熱膠和鋪裝鋼板之前的粘性力。每個重組竹板重量約為90 kg，粘性力約為重組竹竹板重量的一倍，向上提拉所需要收到合力約為1 800 N，分別有六個起料機(jī)構(gòu)共同向上提起，因此每個竹板向上提起的力約為300 N，受力位置如圖8所示。

圖8 載荷施加位置圖

運(yùn)行完成后位移結(jié)果如圖9所示，通過位移情況分析該結(jié)構(gòu)在做起料動作時，起料過程主要是下部起料結(jié)構(gòu)承受較大的載荷，因此這部分材料需要加強(qiáng)處理，采用材料改進(jìn)后也滿足使用要求。

圖9 起料運(yùn)動仿真分析位移結(jié)果圖

4 結(jié)論

針對當(dāng)前重組竹熱壓完成后竹板和鋼板之間溢膠粘連的問題，本次設(shè)計的重組竹熱壓自動卸料裝置采用三組分布式結(jié)構(gòu)可有效提高起料效率，減少單個裝置受到的提拉力，同時也能夠有效延長裝置的使用壽命。卸料裝置在底部導(dǎo)軌上滑動可以根據(jù)熱壓機(jī)鋪裝鋼板的尺寸進(jìn)行調(diào)整，最大可實現(xiàn)寬度為2 m的鋪裝鋼板的卸料，不同批次重組竹鋼板鋪裝高度也可以通過調(diào)整BLDC 5020無刷驅(qū)動器的初始角度來實現(xiàn)，因此此次設(shè)計的重組竹熱壓自動卸料裝置能靈活適應(yīng)生產(chǎn)廠家的不同尺寸重組竹板的生產(chǎn)需要。在實際工廠生產(chǎn)中該裝置和卸料叉車結(jié)合可以在很大程度上減少人力的使用，大幅提高生產(chǎn)效率。該自動卸料裝置的設(shè)計適應(yīng)了重組竹產(chǎn)業(yè)向生產(chǎn)自動化方向發(fā)展的需求，為實際生產(chǎn)提供有效的幫助。