異形易碎小型固性物料的轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)與特性試驗(yàn)研究

成楷，鐘飛，楊小俊，周宏娣

異形易碎小型固性物料的轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)與特性試驗(yàn)研究

成楷，鐘飛*，楊小俊，周宏娣

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

針對(duì)一種易碎異形小型固性物料的添加需求，開發(fā)一種物料轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置。采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析方法，運(yùn)用ANSYS WorkBench軟件對(duì)小型固性物料受到?jīng)_擊碰撞進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究其可承受的最大轉(zhuǎn)速。通過(guò)搭建平臺(tái)進(jìn)行實(shí)物轉(zhuǎn)運(yùn)料試驗(yàn)，驗(yàn)證該裝置的可靠性和穩(wěn)定性，得到為達(dá)到生產(chǎn)效益最大化的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果表明該物料最大承受轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，否則物料失效。根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)物料試驗(yàn)表明該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可滿足在高速連續(xù)狀態(tài)下轉(zhuǎn)運(yùn)料的工作要求，且在600 r/min時(shí)物料完好數(shù)最多，生產(chǎn)效率最高。

轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置；物料添加；Workbench；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)

轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上重要的構(gòu)成部分，其可靠性和穩(wěn)定性決定了生產(chǎn)效率[1]，而推送料機(jī)構(gòu)[2]是轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置的核心構(gòu)件，根據(jù)不同規(guī)格和材質(zhì)的物料，業(yè)界專家學(xué)者們結(jié)合相關(guān)機(jī)械原理設(shè)計(jì)出多種推送料裝置。針對(duì)規(guī)則外表面硬質(zhì)物料如紅棗、糖果等，曹勁草等[3]利用撥棗轉(zhuǎn)盤的圓周運(yùn)動(dòng)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)出一種紅棗去核機(jī)的上料機(jī)構(gòu)。田野等[4]設(shè)計(jì)了一種以曲柄-搖桿為原理的推糖機(jī)構(gòu)，并通過(guò)Adams軟件仿真優(yōu)化推搪速度。針對(duì)不規(guī)則外形軟質(zhì)物料的牙刷頭，姚林曉等[5]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)上料裝置，采用ANSYS Workbench顯示動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)牙刷頭的上料過(guò)程進(jìn)行仿真分析、優(yōu)化上料推頭機(jī)構(gòu)，解決上料過(guò)程中牙刷頭向上跳動(dòng)及與上料推頭接觸不緊密的問(wèn)題。針對(duì)餅干摞等包裝好的物料，向飛等[6]設(shè)計(jì)出一種基于凸輪-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料推送的自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)。針對(duì)小型黏性混合物料的輸送，馮硯博等[7]設(shè)計(jì)了一種混拌輸送機(jī)械裝置，利用滾動(dòng)螺旋中螺桿和螺母的配合以及直線導(dǎo)軌來(lái)控制螺母的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)管裝黏性物料的推送。針對(duì)植物特性影響野生藍(lán)莓收獲機(jī)采摘效率問(wèn)題，Jameel等[8]試驗(yàn)得出適宜的地面速度和割臺(tái)轉(zhuǎn)速組合可以最大限度地減少采收過(guò)程中的漿果損失。

針對(duì)一種外形不規(guī)則且易破易變形的水杯狀物料[9]，若采用傳統(tǒng)的鼓輪負(fù)壓吸附運(yùn)料[10]，因其不規(guī)則外形將導(dǎo)致吸附力不足，使其難以與鼓輪緊密貼合，無(wú)法確保其在鼓輪槽內(nèi)穩(wěn)定吸附。針對(duì)上述問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)出一種轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置以滿足水杯狀小型異形物料的轉(zhuǎn)運(yùn)料需求。另外，通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真方法進(jìn)行小型固性物料添加過(guò)程的碰撞分析，并結(jié)合試驗(yàn)分析對(duì)該轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置完成參數(shù)優(yōu)化。

1 轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置及工作原理

為實(shí)現(xiàn)異形物料底面-底面的對(duì)向排列添加，且在轉(zhuǎn)運(yùn)料過(guò)程中保證其完好率，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置完成送料、推料動(dòng)作。該轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置由送料單元及推料單元組成，完成異形物料的轉(zhuǎn)運(yùn)工序。送料單元由導(dǎo)軌、推桿滑塊、滾動(dòng)軸承以及盤形凸輪組成，如圖1a所示。送料單元依托“盤形凸輪-導(dǎo)軌推桿機(jī)構(gòu)”原理設(shè)計(jì)，通過(guò)合理的盤形凸輪槽曲線控制推桿滑塊的移動(dòng)，將儲(chǔ)料倉(cāng)中的異形物料推送至送料盤空腔，完成送料動(dòng)作。推料單元由滑塊、導(dǎo)軌以及盤形凸輪組成，如圖1b所示。推料單元依托“盤形凸輪-導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)”原理設(shè)計(jì)，通過(guò)送料盤的導(dǎo)軌以及推料盤的盤形凸輪控制滑塊的上下移動(dòng)，將空腔內(nèi)的異形物料在下料口位置推出，完成推料動(dòng)作。

1.1 送料單元

送料單元由輸料管、伺服電機(jī)、送料機(jī)構(gòu)及基座組成，如圖2a所示。其中送料機(jī)構(gòu)由推桿、滑塊及直線滑軌組成，如圖2b所示。送料盤在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)至儲(chǔ)料倉(cāng)A、B時(shí)，在送料盤盤形凸輪槽作用下送料機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的間歇同步送料，將儲(chǔ)料倉(cāng)中的物料推入送料盤的空腔中。

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置結(jié)構(gòu)

圖2 送料單元及局部放大圖

1.2 推料單元

推料單元由儲(chǔ)料倉(cāng)、推料盤、推料機(jī)構(gòu)、下料口及直線凸輪槽組成，如圖3a所示。其中推料機(jī)構(gòu)由滑塊、直線導(dǎo)軌推桿及推塊組成，如圖3b所示。當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，即將到達(dá)裝置最下端出料口C時(shí)，推料盤內(nèi)的盤形凸輪槽驅(qū)使推料機(jī)構(gòu)將送料盤空腔內(nèi)的小型固性物料垂直推入正下方的取料爪中。且由于推料盤的盤形凸輪槽曲線與安裝在基座的直線凸輪槽同步，通過(guò)設(shè)計(jì)出一個(gè)行程差，使得推料時(shí)始終保持一個(gè)物料的寬度，實(shí)現(xiàn)間歇取料。

2 有限元模型及仿真

2.1 有限元模型

為研究轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置從儲(chǔ)料倉(cāng)取料過(guò)程中，對(duì)物料瞬間碰撞沖擊造成的影響。在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率和改善模型的單元質(zhì)量，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)盤送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化并建立碰撞模型[11]，去除盤形凸輪槽、推桿、滑軌等次要構(gòu)件，僅保留送料盤、推塊等主要零件，簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

在建模、加載及求解過(guò)程中不考慮材料塑性影響，定義各部分的材料屬性如表1所示。

圖3 推料單元及局部放大圖

圖4 有限元模型簡(jiǎn)化

表1 所選材料屬性

Tab.1 Properties of selected material

2.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)采取局部細(xì)化網(wǎng)格的方法對(duì)模型指定區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，使仿真計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。各區(qū)域網(wǎng)格劃分方法如下：物料采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分；送料盤空腔左側(cè)面（即與物料發(fā)生碰撞的區(qū)域）采用Face Sizing方法，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5 mm；物料采用Body Sizing方法，設(shè)置網(wǎng)格大小為0.5 mm；針對(duì)其余部分網(wǎng)格，采用系統(tǒng)默認(rèn)生成網(wǎng)格的方法，網(wǎng)格大小為3 mm，整體模型生成網(wǎng)格后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為80 677，單元數(shù)為32 611，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 邊界條件設(shè)定

在建立有限元仿真模型之后，為了準(zhǔn)確模擬物料受到碰撞沖擊的瞬態(tài)過(guò)程，完成動(dòng)力學(xué)仿真分析，添加合理的邊界條件是建立完整動(dòng)力學(xué)有限元模型的必要條件[12]。由于ANSYS WorkBench在導(dǎo)入模型后會(huì)默認(rèn)生成基于系統(tǒng)接觸檢測(cè)出來(lái)的連接關(guān)系，但往往大多數(shù)是不合理的，因此刪除默認(rèn)連接關(guān)系并單獨(dú)設(shè)置。在Transient Structural的Connections中插入Contacts連接關(guān)系和轉(zhuǎn)動(dòng)副，建立如下連接關(guān)系，如表2所示。此外，各接觸面的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。

為避免單元節(jié)點(diǎn)相互穿透，算法選用增強(qiáng)拉格朗日（Augmented Lagrange）[13]，探測(cè)方法選擇高斯點(diǎn)探測(cè)（Gauss Point）[14]。對(duì)于碰撞沖擊類型，為消除接觸模型的小間距，選擇自動(dòng)調(diào)整接觸（Adjust to Touch）。另外，將旋轉(zhuǎn)角速度施加于送料盤中心，使送料盤繞圖2a中軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

表2 連接關(guān)系設(shè)定

Tab.2 Connection setting

2.4 仿真分析設(shè)定

假設(shè)送料盤空腔左側(cè)表面與物料之間距離為3 mm，根據(jù)送料盤不同轉(zhuǎn)速，計(jì)算送料盤碰撞物料所需時(shí)間，如表3所示。為保證求解收斂以及計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確率，設(shè)置時(shí)間步及不同轉(zhuǎn)速下送料盤的碰撞時(shí)間步。

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)小型固性物料瞬態(tài)碰撞進(jìn)行仿真計(jì)算，得出物料受到不同轉(zhuǎn)速下送料盤碰撞沖擊后的等效應(yīng)變、應(yīng)力分布以及對(duì)比曲線。小型固性物料的最大等效應(yīng)變?nèi)鐖D6、圖7所示。由圖5可知，形變主要集中在物料的側(cè)面，且隨著送料盤轉(zhuǎn)速的提高，物料最大等效應(yīng)變?cè)龃?。由圖6所示，在0～0.000 19 s時(shí)，送料盤還未碰撞到物料，物料等效應(yīng)變?yōu)?；當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，在0.000 5 s時(shí)物料最大等效應(yīng)變?yōu)?.033 012；當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，在0.000 318 02 s時(shí)物料最大等效應(yīng)變?yōu)?.070 773；當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，在0.000 250 55 s時(shí)最大等效應(yīng)變?yōu)?.149 84。

3組不同轉(zhuǎn)速下的固性物料等效應(yīng)力云圖如圖8所示，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在物料側(cè)面。不同轉(zhuǎn)速下固性物料時(shí)間-最大等效應(yīng)力如圖9所示，在0～0.000 19 s時(shí)，送料盤還未碰撞到物料，物料等效應(yīng)力為0；當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，在0.000 355 1 s時(shí)物料最大等效應(yīng)力為9.165 3 MPa；當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，在0.000 3180 2 s時(shí)物料最大等效應(yīng)力為19.486 MPa；當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，在0.000 250 55 s時(shí)最大等效應(yīng)力為41.504 MPa。此外，送料盤在1 200 r/min時(shí)物料的時(shí)間-最大等效應(yīng)力圖出現(xiàn)二次突變，這是由于送料盤線速度過(guò)高，超過(guò)物料受到?jīng)_擊后產(chǎn)生的速度，兩者發(fā)生二次碰撞，物料再次產(chǎn)生較高的應(yīng)力應(yīng)變。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，物料產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力超過(guò)物料材料的屈服強(qiáng)度，將導(dǎo)致物料嚴(yán)重破損，無(wú)法投入生產(chǎn)。

表3 轉(zhuǎn)速-時(shí)間步

Tab.3 Rotational speed-time step

圖6 固性物料等效應(yīng)變?cè)茍D

圖7 不同轉(zhuǎn)速下固性物料時(shí)間-最大等效應(yīng)變

圖8 固性物料等效應(yīng)力云圖

圖9 不同轉(zhuǎn)速下固性物料時(shí)間-最大等效應(yīng)力圖

4 完好率試驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證小型固性物料瞬態(tài)碰撞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行物料添加試驗(yàn)，得到不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)際取料數(shù)，并與物料在不同轉(zhuǎn)速下的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果對(duì)比。同時(shí)在保證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性以及穩(wěn)定性的前提下，研究物料完好數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)料轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[15]。

4.1 試驗(yàn)指標(biāo)的確定

在物料所能承受的極限轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速越快，轉(zhuǎn)運(yùn)盤取料數(shù)越多，但機(jī)器對(duì)物料的損傷程度越高。隨著轉(zhuǎn)料盤轉(zhuǎn)速越高，物料受到的瞬態(tài)沖擊載荷越大，應(yīng)變值越大，導(dǎo)致其破裂破損的可能性越大，破壞類型主要為上表面破裂、側(cè)面變形、下底面破損，如圖10所示。

圖10 物料破損類型

綜合考慮生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，在完好率>95%的前提下，將單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)盤的取料完好數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算式如下：

理論取料數(shù)=(1)

式中：理論取料數(shù)為轉(zhuǎn)料盤的理論取料總數(shù)；為轉(zhuǎn)料盤轉(zhuǎn)速，r/min；為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，min；完好率為小型固性物料的完好率，%；完好數(shù)為小型固性物料完好總數(shù)。

4.2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

物料運(yùn)料機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。

4.2.1 仿真結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)

測(cè)試分3組轉(zhuǎn)速，為減小隨機(jī)誤差，每組重復(fù)測(cè)試15次，每次測(cè)試時(shí)間10 min，并記錄每次試驗(yàn)轉(zhuǎn)料盤取料總數(shù)，得出轉(zhuǎn)速與取料數(shù)、完好數(shù)的變化曲線，如圖12所示。當(dāng)=600 r/min時(shí)，理論取料數(shù)為12 000個(gè)，實(shí)際取料數(shù)平均值為11 796個(gè)，其中物料完好數(shù)平均值為11 578個(gè)；當(dāng)=900 r/min時(shí)，理論取料數(shù)為18 000，實(shí)際取料數(shù)平均值為16 848，其中物料完好數(shù)平均值為10 633個(gè)；當(dāng)=1 200 r/min時(shí)，理論取料數(shù)為24 000，實(shí)際取料數(shù)平均值為21 528個(gè)，其中物料完好數(shù)的平均值為888個(gè)。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)料盤為1 200 r/min時(shí)，小型固性物料損耗嚴(yán)重，該結(jié)果與仿真結(jié)果相符。

圖11 轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 轉(zhuǎn)速-取料數(shù)、完好數(shù)變化曲線

注：實(shí)線表示取料數(shù)，虛線表示完好數(shù)。

4.2.2 轉(zhuǎn)速優(yōu)化試驗(yàn)

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，在保證物料完好率較高的前提下，為最大提高生產(chǎn)效率，在400～900 r/min內(nèi)尋找最優(yōu)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)設(shè)計(jì)：以50 r/min為轉(zhuǎn)速間隔，分11組不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，記錄相同時(shí)間不同轉(zhuǎn)速下物料完好數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速越高，相同時(shí)間內(nèi)的物料完好數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min開始增加時(shí)，由式（1）可得當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，單位時(shí)間內(nèi)取料數(shù)越多，且此時(shí)物料受到的沖擊載荷較小，故完好數(shù)逐步增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一值時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，物料受到的沖擊碰撞載荷越大，物料完好率越低，故物料完好數(shù)逐步減小。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下理論取料數(shù)-完好數(shù)對(duì)比

根據(jù)式（2）計(jì)算可得不同轉(zhuǎn)速下物料完好率，結(jié)果如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)速與完好率的關(guān)系

Tab.4 Relationship between rotational speed and quantity of intact rate

由表4可知，在完好率＞95%的前提下，當(dāng)轉(zhuǎn)料盤轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，物料完好數(shù)最多，生產(chǎn)效率最高。

5 結(jié)語(yǔ)

1）開發(fā)出一種針對(duì)異形易碎小型固性物料的轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置，并利用設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可靠性較高，可滿足在高速連續(xù)狀態(tài)下轉(zhuǎn)、運(yùn)物料的工作需求。

2）通過(guò)ANSYS Workbench軟件的Transient Structual模塊對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置的取料動(dòng)作進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出小型固性物料在不同轉(zhuǎn)速下的等效應(yīng)變、應(yīng)力云圖及對(duì)比曲線。仿真結(jié)果表明，當(dāng)送料盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，物料受到瞬態(tài)沖擊碰撞產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力超過(guò)小型固性物料材料的屈服強(qiáng)度，將導(dǎo)致物料嚴(yán)重破損。

3）通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比分析可知，在保證物料完好率＞95%的前提下，轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置轉(zhuǎn)速在600 r/min時(shí)物料完好數(shù)最多，生產(chǎn)效率最高。

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Structure Design and Characteristic Test of Transfer Device for Small Special-shaped Fragile Solid Materials

CHENG Kai, ZHONG Fei*,YANG Xiao-jun, ZHOU Hong-di

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to develop a transfer device to meet the addition requirements of small special-shaped fragile solid materials. Transient dynamics simulation and analysis method was adopted to carry out transient dynamics simulation and analysis on small solid materials subject to impact and collision with ANSYS WorkBench software and to study the maximum rotational speed that the materials could withstand. The reliability and stability of the device were verified by setting up a platform for the physical transfer test, and the optimal rotational speed was obtained to improve the production efficiency. According to the simulation results, the maximum rotational speed that the materials could withstand was 1 200 r/min, otherwise the materials failed. According to the test of transferring materials, the structure design of the device is reasonable, which can meet the working requirements of transferring materials in the continuous high-speed state, and achieve the maximum quantity of intact materials and the highest production efficiency at 600 r/min.

transfer device; material addition; Workbench; transient dynamics

TB486；TH6；TH16

A

1001-3563(2023)23-0156-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.019

2023-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金（52005168）；湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才基金項(xiàng)目（BSQD2020010）；現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（KFJJ-2021012）

責(zé)任編輯：曾鈺嬋