王淑花，秦寶榮，韓立光，趙海寶

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造和先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

在全球推進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的浪潮中，節(jié)能的重要性日益凸顯[1]。陶粒增強加氣砌塊作為一種具有輕質(zhì)、高強、隔熱保溫、防火、隔音、環(huán)保等特點的新型墻體自保溫材料[2]在現(xiàn)代建筑業(yè)中備受歡迎。但是目前國內(nèi)的陶粒增強加氣砌塊的生產(chǎn)自動化程度不高，生產(chǎn)效率低，砌塊的生產(chǎn)水平難以滿足建筑業(yè)的需求。因此高效率、全自動化、低能耗的陶粒砌塊生產(chǎn)線的研究具有重大的意義。陶粒砌塊生產(chǎn)工藝為模具成型－濕熱養(yǎng)護－脫模切割－蒸汽養(yǎng)護[3]。筆者所在單位應(yīng)企業(yè)要求研發(fā)陶粒砌塊生產(chǎn)線，本文設(shè)計的砌塊分料機為生產(chǎn)線中重要設(shè)備之一，主要是負責(zé)將一次切割好的砌塊進行90°翻轉(zhuǎn)，然后將翻轉(zhuǎn)的砌塊逐塊輸送到切割機上進行二次切割。

1 分料機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

分料機的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分料機結(jié)構(gòu)簡圖

砌塊經(jīng)一次切割后運輸?shù)椒至蠙C中間的輥子架上。機架電機通過齒輪箱和鏈條帶動翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動，陶粒砌塊便3塊為一組同時向左右翻轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動角度達到90°時，停止翻轉(zhuǎn)。機械手將砌塊夾緊后運輸?shù)蕉吻懈顧C上，整個分料動作結(jié)束。

分析分料機的工作狀況可知，分料機的翻轉(zhuǎn)架、左右導(dǎo)板、機械手需要具有良好的靜剛度。翻轉(zhuǎn)架變形過大，會影響砌塊兩端起落的同步性。同步性差必定會導(dǎo)致砌塊一端先與側(cè)支架接觸碰撞。由于砌塊僅是養(yǎng)護24h便進行切割生產(chǎn)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬化并不完全，在碰撞過程中砌塊難免出現(xiàn)損傷。機械手若變形過大，會夾不緊砌塊，在運輸過程中易出現(xiàn)掉料現(xiàn)象。左右導(dǎo)向板發(fā)生變形，則會影響機械手水平運輸?shù)捻槙扯?。因此對分料機進行靜力學(xué)計算，對其靜剛度進行分析十分必要。

2 分料機有限元建模

在進行有限元分析時，為簡化計算，進行如下假設(shè):(1)分料機在工作過程中始終處于彈性階段;(2)假定位移和變形都是微小的[4]。同時，分料機的幾何結(jié)構(gòu)中有倒角、卡槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時，不可能全部考慮這些因素，由于局部細節(jié)對結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響不大，但會增加有限元模型的復(fù)雜度和計算時間，因此在幾何建模中，果斷去除這些細節(jié)結(jié)構(gòu)[5]。機械手中的氣缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)將其簡化為質(zhì)量等效、結(jié)構(gòu)簡單的質(zhì)量塊。在龍門架的分析中，主要是看這個框架的變形情況，因此將龍門架的鏈輪、鏈條、軸承座等都簡化掉。另外分料機安裝的螺栓、小滾輪等對結(jié)構(gòu)分析影響不大的小零件，在建模時也將去除。在本文中，將分料機分為機械手、翻轉(zhuǎn)架、龍門架3個部分進行分析。

各部件網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 分料機主要部件網(wǎng)格劃分模型圖

3 機械手變形分析及機構(gòu)改進

機械手除了自身的重力外，主要承受氣缸給的推力、砌塊在被夾緊時給側(cè)板的壓力和沿側(cè)板向下的摩擦力。根據(jù)機械手的實際工作情況施加載荷和約束，機械手的變形位移云圖如圖3(a)所示。

機械手在靜力作用下，側(cè)板向外彎曲，機械手框架的方鋼、氣缸座及氣缸座板均向下彎曲變形，最大變形量為0.55941mm。從框架方鋼位移曲線(如圖3(b)所示)可知，方鋼呈現(xiàn)U變形，在方鋼中間位置達到最大變形量。而機械手側(cè)板的位移曲線(如圖3(c)所示)基本呈直線狀，說明機械手側(cè)板本身變形并不是很大，側(cè)板向外擴張主要是受方鋼和氣缸固定座板彎曲變形的牽動。所以，對機械手進行改進時，側(cè)板簡單加上三角形肋板即可，主要對方鋼和氣缸固定板處進行改進。

機械手結(jié)構(gòu)改進方案及結(jié)果如圖4所示。

圖3 機械手變形分布圖

圖4 機械手結(jié)構(gòu)改進及位移云圖

機械手結(jié)構(gòu)改進后，變形情況都是框架方鋼向下彎曲，側(cè)板向外伸張。3種方案機械手最大變形量依次為0.40963mm，0.49807mm，0.37127mm。比較可知，方案3的改進大大降低了機械手的變形程度，所以方案3可以作為機械手的設(shè)計結(jié)構(gòu)。

4 翻轉(zhuǎn)架變形分析及機構(gòu)改進

翻轉(zhuǎn)架的靜態(tài)載荷為:翻轉(zhuǎn)架自身的重力和砌塊對翻轉(zhuǎn)葉面的壓力，翻轉(zhuǎn)架軸的兩端受到軸承的支撐。翻轉(zhuǎn)架的變形位移云圖如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)架變形云圖

由圖5(a)可知，變形最大的地方位于前軸端處的翻轉(zhuǎn)葉片頂端，最大位移為5.1932mm。從圖5(b)可知，前軸端處葉片在砌塊壓力作用下整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而與后軸端處葉片不在同一平面上，呈現(xiàn)一定的傾角。此翻轉(zhuǎn)架在對砌塊進行翻轉(zhuǎn)時，會影響砌塊兩端起落的同步性。翻轉(zhuǎn)架的改進情況如圖6所示。

圖6 翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)改進圖

經(jīng)過改進后，翻轉(zhuǎn)架的最大變形處仍位于前軸端處翻轉(zhuǎn)葉片的頂端，但是變形量減小。由表1可知方案3的改進最有效，經(jīng)計算此時翻轉(zhuǎn)架扇葉變形后的偏轉(zhuǎn)角度大概為0.06°，因此選擇方案3作為翻轉(zhuǎn)架的最終設(shè)計結(jié)構(gòu)。

表1 不同方案下翻轉(zhuǎn)架位移結(jié)果對比 mm

5 龍門架變形分析及結(jié)構(gòu)改進

龍門架中導(dǎo)向板承載著整個機械手，導(dǎo)向板的力學(xué)性能直接影響著機械手在水平方向的運動。在這里對龍門架進行靜力學(xué)分析，主要是看這些零部件的受力及變形狀況。對龍門架進行加載和約束后，其變形狀況如圖7所示。

圖7 龍門架位移云圖

從圖7可以看出，龍門架最大位移位于導(dǎo)向板頂端，頂端向內(nèi)彎曲變形，最大位移為0.55433mm。機械手在變形的導(dǎo)向板上運動，產(chǎn)生的后果:一是機械手左右不對稱運動，機械手框架出現(xiàn)傾斜，容易與左右導(dǎo)板發(fā)生碰撞甚至卡死。二是導(dǎo)軌向下彎曲，也就意味著機械手下降的位置會比之前要低，在放置砌塊時，砌塊就容易與輥子輸送機發(fā)生碰撞。針對龍門架的變形狀況，現(xiàn)將龍門架左右導(dǎo)向板用槽鋼連接，結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。龍門架經(jīng)過改進后，變形位移云圖如圖8(b)所示，從圖可知，龍門架的最大變形已經(jīng)從左右導(dǎo)向板前端轉(zhuǎn)到加強槽鋼中間部分。左右導(dǎo)向板的最大變形量為0.13898mm，可見此結(jié)構(gòu)的改進獲得了成功。

圖8 龍門架結(jié)構(gòu)改進及位移云圖

6 結(jié)束語

本文運用有限元技術(shù)對陶粒砌塊分料機進行了靜力學(xué)分析，針對其薄弱環(huán)節(jié)進行了結(jié)構(gòu)的改進，提高了分料機的靜剛度，使分料機的性能得到了改善。有限元模型的建立與分析使設(shè)計者在產(chǎn)品的設(shè)計階段就可評估未來系統(tǒng)的靜態(tài)特性，從而為方案評估以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。將有限元分析技術(shù)與分料機的設(shè)計結(jié)合起來，不僅縮短了設(shè)計周期、降低了設(shè)計成本，還使得分料機的設(shè)計更加完美，性能更加可靠。

[1] 周炫，喻曉林，李曉健.復(fù)合保溫磚的研究與發(fā)展[J].磚瓦，2007(9):90－95.

[2] 范錦忠.陶粒泡沫混凝土砌塊[J].磚瓦，2009(7):44－47.

[3] 劉蘇文.陶粒生產(chǎn)輕質(zhì)保溫小砌塊工藝[J].科技縱橫，2009(5):20－23.

[4] 趙汝嘉.機械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1990.

[5] 呂東升，王東方，蘇小平.基于HYPERWORKS的某客車車架有限元分析[J].機械設(shè)計與制造，2011(3):11－12.