水泥码垛装置的自锁及闸门优化

廖鸣元， 邓援超， 赵黎明

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



水泥码垛装置的自锁及闸门优化

廖鸣元， 邓援超， 赵黎明

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

分析水泥码垛装置里的闸门设计，应用平面连杆结构使之达到码垛过程中动作稳定、可靠的效果，同时分析了闸门在工作时候的受力情况，并对其提出优化方案。

闸门装置； 平面连杆； 包装机械； 应力分析

在水泥码垛过程中，由于水泥码垛装置需要进入车箱侧板以内进行工作，所以采取了闸门控制水泥包自由落体的形式进行码垛，这样不仅可以满足水泥包掉落高度，保证水泥包不会炸包，同时还可以确保码垛质量。码垛装置的设计采用的是闸门方式，必须保证两侧闸门同时开合、同时关闭，且水泥袋在自由落体到闸门上时的稳定性。如果两侧闸门动作不同步，则导致水泥包下落的时候产生位置偏差，所以闸门设计采取连杆机构。由于水泥袋落下均采取自由落体，每一次水泥袋掉落，闸门都需要承受质量是50 kg的水泥袋的冲击，而反复的冲击有可能造成铰链断裂，因此必须对闸门装置进行有限元分析，判断闸门装置是否会断裂，同时提出优化方案。

1　结构方案设计

根据码垛装置的设计原理可知，水泥包从前面的工位转移到码垛装置时采取的是自由落体形式，为了不给闸门装置驱动件造成无谓的影响，闸门装置运用了自锁结构(图1)。

该机构为平面十杆机构，由机构自由度计算公式可以算出机构自由度

F=3n-2PL-PH

式中：n为活动构件数；PL为低副数；PH为高副数。F=3×9-2×13-0=1，即该机构是自由度为1的平面十杆机构，有一个主动件，故机构具有唯一确定运动。

(a)初始位置

(b)极限位置图 1　闸门装置设计方案原理

2　方案结构受力分析

本文主要讨论闸门装置，平面连杆运动，其受力状况如图2所示。

图 2　初始位置受力简图

码垛装置在初始状态的时候，连杆机构只会承受水泥包的重力，闸门分别和1号杆件和5号杆件焊接，因此重力是直接作用在1号和5号杆件上。可以将水泥包的重力分成F水1和F水5在F水1的作用下，1号杆件会产生一个向右的转矩，导致C点产生一个水平向右的力F23。

相对应的，在F水5的作用下，5号杆件所传递的力会使4号杆件对3号杆件施加一个水平向左的力F43，在安装要求当中，2号、3号、4号杆件应该是水平安装，那么在仅受水平力作用的时候，3号连杆不会产生位移，所以闸门是不会产生旋转的，从而形成自锁现象。

3　闸门装置有限元分析

此闸门的作用是从上层闸门接收水泥包，通过定位系统确定水泥包位置之后，再打开闸门放下水泥包。上层闸门距离此闸门的垂直距离为380 mm，那么首先需要估算出水泥包下落对闸门造成的冲击力大小才能进行有限元分析。

Solidworks是一款集三维立体建模动画仿真与单个零件有限元分析的强大软件，本次有限元分析就是通过利用solidworks进行单个零件建模、添加约束夹具来进行的。

首先在solidworks中对闸门零件进行建模，然后于铰链处添加夹具约束，同时对闸门板添加冲击力，估值为1 300 N，进行仿真(图3)。

图 3　闸门应力分析

由图3可知，在铰链连接处的应力集中最严重。对此图进行放大，可以发现零件应力集中点(图4)。根据软件静力学分析的结果，此处的应力已经远远超过屈服极限，所以此点是在正常工作中最容易造成断裂的点。为了保证加工出来的零件和机构能够达到预期的质量，必须在设计和调试阶段尽可能地将此类应力集中进行分散，使机构在工作中可以更加稳定可靠。

图 4　应力集中点

根据以往的工作经历，大部分会采取5类方法来提高零件强度：1)改用高强度材料；2)增大零件危险截面尺寸；3)进行热处理以提高材料力学性能；4)提高制造精度，降低工作时的动载荷；5)合理布置各零件的相互位置，减少作用在零件上的载荷。

本文采用的是增大零件危险截面尺寸的方法来改善零件当中的应力集中现象，即将闸门零件轴套部分增加一个坡面设计，在不影响闸门整体动作的前提下增大了危险截面的尺寸，将新得到的零件再次进行有限元分析，得到的结果如图5所示。

图 5　改良后零件的应力分析

由图5可知，在不改变闸门其他条件的前提下，增加坡面设计可以有效分散应力集中的现象，从而大大提高闸门的使用寿命，同时也提高了产品的可靠性。

应力分析之后，再进行闸门的形变分析。由于水泥包按照设计要求是掉落到闸门正中间，添加约束以及仿真之后，得图6。

图 6　闸门形变分析

由对闸门的形变分析可知，闸门正中间形变量最大，是受到冲击力最集中的部位，形变量已经可以影响到机构正常运行，所以必须采取措施进行优化，在此处采取的优化方式是增大闸门板厚度，除此之外还可以缩短支撑跨距，或者增加支撑点等。

4　结束语

本文在分析机构需实现的基本动作和功能的基础上，对该部件运用到的自锁现象进行详细叙述，同时针对闸门零件有可能出现的问题进行了分析，发现不足之处后进行静力学分析，并提出了改良方案，该方案切实可行，解决了实际问题。目前该部件在现场运行可靠、稳定。

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[责任编校： 张众]

Optimizing the Design of the Cement Pallet Device

LIAO Mingyuan， DENG Yuanchao, ZHAO Liming

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper analyzes the gate design of the cement pallet device by using planar linkage structure in order to achieve stable movement and reliable effect. Meanwhile, it analyzes the stress the gate receives in work and proposes the optimization scheme.

gate device; planar linkage; packaging machinery; stress analysis

2016-04-22

廖鸣元(1991-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械电子工程

1003-4684(2016)04-0005-02

TH122

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