封头自动取料装置关键结构件的有限元分析及改进

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1、２０１５年１０月机床与液压Ｏｃｔ?２０１５第４３卷第２０期ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＶｏｌ?４３Ｎｏ?２０ＤＯＩ：１１．３９６９／ｊ?ｉｓｓｎ?１００１－３８８１?２０１５?２０?０５５封头自动取料装置关键结构件的有限元分析及改进徐鹏，吴玉月，吴苏炜（合肥通用机械研究院，安徽合肥２３００３１）摘要：封头自动取料装置是专为解决封头液压机上、下料问题而设计制造的专用设备，其关键结构件是用于取料的机械臂。利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立机械臂模型，在正常工况下对其进行静力学分析，得到应力分析结果。依据分析结果对该机械臂进行

2、改进，为同类结构优化设计提供了理论基础。关键词：封头；自动取料；有限元分析；结构改进中图分类号：ＴＨ１２２文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－３８８１－（２０１５）２０－１６５－３封头是石油化工、食品制药等诸多行业承压设备而且能耗大。［１］中不可缺少的重要部件，其生产工序主要是“钢板根据实际测算：１台液压机平均每３ｍｉｎ压制１４切圆→焊接→成形→后整理”，其中成形主要是依靠个封头，通过１台普通载荷３×１０Ｎ、比油耗为０?１８［２－３］［４］冲压或旋压等大型主机设备进行压制。目前，国ｋｇ／（ｋＷ·ｈ）的叉车单个封头取料耗时为２０ｓ；内封头

3、压制前送料及压制后的取料工作方式主要为２移动工作台工作总功率为２?２ｋＷ，单个封头取料耗种：（１）人工叉车作业；（２）移动工作台作业，并时为１２０ｓ；而使用此装置单个封头取料耗时为２０ｓ，依靠行车辅助作业。但这２种工作方式不仅效率低，工作总功率为２?２ｋＷ，具体比较如表１所示。表１单位时间工作效率对照表－１作业方式作业时间／（ｓ·个）能耗／ｋｇ产能／个备注叉车作业２０４?４１８比油耗０?１８ｋｇ／（ｋＷ·ｈ）移动工作台１２００?３９６１２２?２ｋＷ电机自动取料装置２００?３９６１２２?２ｋＷ电机文中论述的封头自动取料装置是一种不同于以

4、上１?１基本结构２种取料方式的新型取料设备，是专为封头取料而设封头自动取料装置由驱动电机、铜套、齿轮、轴计、制造。该装置中的关键结构件———机械臂，是此承、基座、转动座及机械手组成，工作原理是由驱动装置的主要承载部件，其设计的优劣将直接影响装置电机驱动啮合的齿轮带动转动座上的机械臂运动至压的可靠性和稳定性。因此，文中依据有限元理论，对机中心，并在运动方向设计成“Ｃ”型口，以顺利定该构件进行有限元分析，依据分析结果提出改进和优位于液压机中心，接住封头后，电机反转，返回至指化的措施。定工位，其结构如图１—２所示。１封头自动取料装置的基本结

5、构和技术参数图１自动取料装置方案结构示意图收稿日期：２０１４－０７－２５作者简介：徐鹏（１９６８—），男，博士，教授级高级工程师，主要从事化工装备的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｍｉｘｕ＠１６３?ｃｏｍ。·１６６·机床与液压第４３卷图４机械臂三维模型２?２模型预处理构件设计材料选用Ｑ４２０，分析模型的材料特性设置为：弹性模量Ｅ＝２?０６×１０５ＭＰａ，泊松比μ＝图２自动取料装置３０?３，密度ρ＝７８００ｋｇ／ｍ。计算结果中应力单位为１?２技术参数Ｐａ。材料的机械性能屈服强度为４２０ＭＰａ，采用该装置中部分技术参数如表２所示。ＥＲ５５⁃Ｄ

6、２焊条［７］焊接，焊接处强度为４７０ＭＰａ［８］。采表２部分技术参数表用ＡＮＳＹＳ的六面体二阶单元Ｓｏｌｉｄ９５对模型采用智能封头额定载荷／Ｎ≤３００００网格划分，并对焊接处及边缘进行局部网格细化后如旋转半径／ｍｍ≤２７１２图５所示。纵向间隙高度／ｍｍ≤３８０横向间隙／ｍｍ≤２８６成形封头直径／ｍｍϕ１３５０～３２００立柱可利用高度／ｍｍ１１２０２有限元静力结构分析此装置中的机械臂是通过钢板拼焊而成的结构件，需确保有足够的刚度变形量，并在允许的变形范围内实现设备的可靠稳定运行。设计中因受压力及运动空间局限，机械臂可允许的最大许可变形量

7、为６０ｍｍ（见图１）。２?１建立有限元模型自动取料装置主要承受载荷为负载Ｇ，由于在负载点与底部无接触，所以由垂向载荷Ｇ所产生的力矩只能通过靠近立柱的弯矩来承受，转动基座承图５简化后机械臂有限元模型［５］受压力载荷，自动取料装置的力学模型如图３２?３约束与载荷所示。根据机械臂结构在正常工作情况下的运行状态易知：整个结构可绕立轴旋转，除此以外没有别的运动。所以转动座底部可设定ＵＸ、ＵＹ、ＵＺ、ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ等５个方向的约束，释放可以旋转的一个方向上的约束。文中仅对正常工况下的机械臂进行整机分析，集中载荷直接施加到相应的关键点上。２?４

8、计算结果以彩色云图的方式来表示结构的应力分布，按机４械臂负载３×１０Ｎ的极限静强度情况进行受力分析。由图６可知：该构件在承受质量３ｔ物料时，最图３机械臂受力模型大的应力为３９９ＭＰａ，最大位移为１４?２２７ｍｍ，最大依照