袋裝水泥裝車機及撥板機構的設計與研究

　　針對袋裝水泥裝車半自動化問題，設計一款全自動裝車機。首先，根據袋裝水泥車間生產狀況，確定水泥裝車方案，即采用抽屜式逐層裝車原理，利用SolidWorks創建裝車機三維模型;其次，為使水泥包快速準確地到達指定位置，針對撥板機構中的分撥板及導柱進行受力分析，建立其力學模型，推導出應力公式;后，通過ANSYS有限元軟件進行分撥板的力學仿真，為后續的優化設計提供依據。

 

　　0 引言

　　在當代建筑行業中，水泥占據著很重要的地位，而在水泥的生產運輸行業，袋裝水泥的生產又占據了很大的比例。目前，現有的袋裝水泥裝車方法普遍采用的是一種半自動化裝車機，即輸送帶傳輸外加人工碼袋，共同實現袋裝水泥的裝車工作[1-2]。這種方式由于存在成本高、效率低、勞動強度大等問題，無法和當代的包裝機所匹配，此外，這種裝車環境惡劣，對裝載工人的健康以及空氣質量造成很大的負面影響。因此，設計一款好的自動袋裝水泥裝車機是至關重要的，以便降低成本、提高物流自動化程度。

　　1 自動裝車機的整體方案

　　1.1 裝車機整體方案設計

　　根據水泥廠的水泥生產流程及目前市場的主要裝車機型，袋裝水泥通過灌裝機包裝好后由輸送帶傳輸，一方面輸送到碼垛機處，進行碼垛存倉;另一方面直接輸送到貨車車廂內，由人工碼垛進行裝車。

　　綜合碼垛機和直接裝車2種流程方式[3]，本文提出一種基于抽屜式原理的自動裝車機。其主要結構如圖1所示。其工作原理為：該裝車機位于二樓平臺軌道上，一樓通道上停有待裝卡車，行走小車帶動整個裝車機行駛到卡車上方，碼垛機構由提升裝置下落到車廂上;通過包裝機包裝好的袋裝水泥經傳送帶運輸到水平輸送帶上，然后經傾斜輸送帶傳送到過渡輸送帶上，由過渡輸送帶進行姿態調整傳送到碼垛機構上，碼垛機構包含撥板機構、抽板機構和推板機構，碼垛機構碼放好一層后，提升機構帶動整個裝置向上1個位移，以此往復循環，直至當前車位所裝載層數達到要求，移動小車帶動整個裝車機后移，循環上述裝車流程，直至裝載完成。

　　圖1 袋裝水泥裝車機的總體結構

　　1.2 碼垛機構主要機構及其傳動方案設計

　　碼垛機構是整個裝車機的關鍵結構，是保證裝車效率與質量的重要部分?；诔閷鲜皆?，本裝車碼垛機構主要采用抽板收集袋裝物料，達到預設數量后統一落包的思想。其主要原理如圖2所示，物料由過渡輸送帶輸送到抽板上，撥板左右推動料包進行位置擺放，終抽板向后平移，推板機構立起擋包，統一碼放料包。

　　圖2 碼垛原理

　　碼垛機構中的主要傳動如圖3所示，撥板由同步帶驅動左右移動，抽板由同步帶驅動前后移動。兩者協同作業，完成碼垛過程的擺包和落包過程。

　　圖3 碼垛傳動方案

　　2 撥板機構的設計

　　撥板機構是碼垛機構中的關鍵結構，是保證料包整齊排列的重要執行機構，主要包含撥板、法蘭滑塊和導軌，其主要機械結構如圖4所示。根據設計要求，抽板底板尺寸寬為2 200 mm,長為1 300 mm，底板為斜坡狀，與水平面夾角為6°。撥板通過導柱的法蘭滑塊相連，可在導柱上滑動，撥板2個頂角通過同步帶壓板及連接裝置與同步帶相連，在同步帶的驅動下左右移動，完成擺包動作。撥板與法蘭滑塊相連，安裝在直線導軌上，直線導軌設計尺寸為φ=40 mm,長度l=1 500 mm,安裝在主框架上。

　　圖4 撥板機構

　　為方便后續計算分析，簡化板上連接小孔，撥板的結構如圖5所示。其中板厚t=10 mm,其余詳細尺寸參數如表1所示。

　　圖5 撥板結構示意

　　表1 撥板尺寸

　　3 撥板機構的力學分析與仿真

　　3.1 撥板的力學分析

　　當袋裝料包經輸送帶運送到抽板上，來料2包或者3包時，撥板開始進行分撥料包。在此勻速運動過程中，對撥板進行受力分析[4]，如圖6所示。圖6a中，撥板的下部分陰影區域表示受到料包的阻力，方向垂直界面向里，用勻強壓力P表示;左右2個上角為驅動力作用區域，驅動力方向垂直直面向外，用F1和F2表示。

　　圖6 撥板受力示意

　　針對圖6a在豎直方向受力所在平面內力矩平衡為

　　(1)

　　lFNi,O(i=1,2)表示力到板質心的距離。

　　針對圖6b中，相對于兩孔所在水平面，根據力矩平衡則有

　　F·h+

　　(f·y)=M

　　(2)

　　F為2個上角驅動力F1和F2的和;

　　(f·y)為料包阻力力矩的積分;M為2根導柱對撥板水平力矩M1和M2的和(力矩的方向為右手法則拇指的指向)。

　　雖然板的下邊界與水平面有1個夾角，但是阻力和驅動力相對于x軸的力矩相等，故M1與M2的大小相同，即

　　M1=M 2

　　(3)

　　由式(2)與式(3)聯立，即可得到板大端的水平力矩M2;由力的傳導特性，可得撥板的大應力在圓孔與驅動力的連線附近，此處不再推導其大應力公式。

　　3.2 撥板導柱的力學分析

　　由于撥板的質心靠近大端處，故前端導柱所承受的力較大，此處針對大端處所對應的導柱進行力學分析，如圖7所示。

　　圖7 導柱受力分析

　　由材料力學[5]知，導柱受力可等價為圖7b和圖7c的疊加，此問題為靜不定問題，當只受壓力時，如圖7b所示，由變形協調條件可得

　　(4)

　　根據疊加法可知：

　　θa=θa,FN2+θa,Ma1+θa,Mb1=

　　(5)

　　θb=θb,FN2+θb,Ma1+θb,Mb1=

　　(6)

　　Ma1,Mb1分別為a端和b端的彎矩。聯立求解式(4)～式(6)，得支點處的彎矩大小為：

　　(7)

　　(8)

　　由平衡方程得a端與b端的垂直支持反力大小為

　　(9)

　　(10)

　　當撥板運行到導柱中點部位時，即

　　其對導柱的影響大，此時

　　(11)

　　同理，當只受如圖7c所示的彎矩時，其a與b支點處力和彎矩的大小分別為

　　(12)

　　考慮力和力矩的方向等問題，當兩者同時作用時，支點a與b處總力和彎矩為：

　　(13)

　　(14)

　　對整個導柱上的內力進行分析，由材料力學中剪力與彎矩圖，可得大剪力在導柱的左半部分，大彎矩在支點a處，其大值分別為：

　　(15)

　　(16)

　　則a處大彎曲正應力為

　　(17）

　　Wz為導柱的抗彎截面系數。

　　3.3 基于ANSYS的仿真分析

　　為驗證撥板機構的應力應變情況，采用ANSYS Workbench對撥板機構的受力進行仿真分析。撥板材料為Q235，撥板導柱為45號鋼，其材料屬性[6]如表2和表3所示。

　　表2 撥板的材料參數

　　表3 撥板導柱的材料參數

　　當撥板在導柱中點時，對模型施加載荷，由于設計大推包數為3包，每包質量為50 kg,水泥包與底板的摩擦因數為0.25，即阻力f為375 N，水泥包厚度約150 mm，即3包水泥的阻力均勻作用在撥板下端高為150 mm的矩形區域，設置載荷時選用類型為：Pressure(均勻壓力)大小為1.78×10-3 MPa;撥板2個上角驅動力，此處受壓面積為150 mm×80 mm，設置Pressure為1.56×10-3 MPa，其余設置此處不再詳述。通過仿真運行，得到撥板在導柱中點時的應力應變云圖，分別如圖8和圖9所示。

　　圖8 撥板機構變形云圖

　　圖9 撥板機構應力云圖

　　根據圖8撥板機構的變形云圖可知，導柱上的大變形發生在中點位置，大值約為0.239 mm;撥板的大變形發生在驅動力作用的2個角部以及下部中點位置，角部大變形為0.359 mm，下部中點位置大變形為0.319 mm。而對于大應力部分，由圖9可知，導柱上主要出現在左端連接處，大值為10.912 MPa，撥板上的大應力出現在撥板連接孔與驅動力所在點的連線上，大值為12.502 MPa。

　　導柱的直徑為40 mm,則其抗彎截面系數Wz=6.28×10-6 m3，將撥板和導柱尺寸數據及上述驅動參數代入到式(17)中，終得導柱的大應力為8.833 MPa。

　　對撥板機構的仿真數據進行分析，發現理論值和仿真值接近，誤差產生因素可能為導柱所受彎矩比分析的還要復雜;其次建模計算是按大彎曲正應力，因此比綜合性仿真的值略小。綜合考慮，說明理論建模的正確性。后通過仿真云圖發現機構的薄弱環節，為后續的優化設計提供了依據。

　　4 結束語

　　首先,通過分析現有袋裝水泥生產及裝車流程，采用模塊化設計思想，建立了全自動裝車機模型，并對主要的碼垛機構中的撥板機構進行設計。通過對正常工況下的撥板機構進行力學建模，分別對撥板和撥板導柱進行詳細的力學求解，推導大應力應變公式，并預估其所在位置。后通過ANSYS Workbench對其工作時的變形及應力分布情況進行仿真，驗證了模型的正確性的同時，也為后續的優化設計提供了方向。