易拉罐灌装机架有限元分析及优化设计

周波 孙敬慧 黄文金

0 引言

易拉罐灌装机机架是灌装机的永久性部件，是一个重要的基础支撑性部件，其上安装有传动系统、灌装系统、输罐系统及防护部分。为了保证机架的安全性、稳定性及灌装精度，对机架强度、刚度和稳定性要求较高。

合肥中辰轻工机械有限公司开发YLGD60 易拉罐灌装机是一款60 头的高速设备。采用有限元方法对机架进行分析，并根据分析结果重新对支腿数量、位置及部分结构改进优化，为机架的结构设计提供参考。

1 易拉罐灌装机的结构

如图1 所示，灌装机由传动系统、输罐系统、灌装系统、防护门和机架组成。传动系统给整个灌装机提供动力；输罐系统负责将灌装好的易拉罐从灌装系统输出；灌装系统按照设定参数将液体灌装到易拉罐中。机架包括台板和支腿，台板靠支腿支撑，其上安装传动系统、灌装系统、输罐系统和防护门。

图1 易拉罐灌装机的结构

2 建立分析模型

在Workbench 中建立机架的模型。在DesignModeler中，建立面为台板，分割出台板与各部件的连接支撑面。台板上的加强筋和支腿按三维模型中的位置和尺寸用直线表示。如图2 所示。

图2 机架模型

3 进行参数设置与分析

1）参数设置和网格划分

台板材料及加强筋为304 不锈钢，在材料属性中定义密度为7.93X103kg/m3，弹性模量为195GPa，泊松比为0.3。支腿材料为Q235，在材料属性中定义密度为7.85X103kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.33。

台板网格采用壳单元，设置厚度为35mm，材料为304 不锈钢；加强筋设置为梁单元，材料为304 不锈钢；支腿设置为梁单元，材料为Q235，网格大小均设置为10mm。网格划分后如图3 所示。

图3 机架网格

各梁单元和壳单元设定刚性连接，使整个模型变形协调。

2）边界条件

灌装系统重量约3060kg，A 处加载-Z 方向的力30000N；两个过渡轮重约35KG，分别施加-Z 方向的力，约为343N；星轮重约76.8KG，施加-Z 方向的力，约753.5N；输瓶线重约32Kg，施加-Z 方向的力，约313.6N；进瓶螺杆重46Kg，施加-Z 方向的力，约为450N；凸轮升降立柱处载荷约44.9KG，施加-Z 方向的力，约440N，共两处；输罐系统立柱处载荷约32kg，施加-Z 方向的力，约313.6N，共四处；涡轮箱重约200kg，靠四根立柱悬挂于台板下方，四根立柱处分别加载-Z 方向490N 的力；台板四周安装防护装置，每侧重约150Kg，施加-Z 方向的力，大小约为1470N。支腿处施加全约束。

施加载荷和约束后如图4 所示。

图4 载荷和约束图

3）分析结果

通过有限元分析计算，得到机架的应力分布和位移云图。由图5 可知，机架的最大应力为71.8MPa，小于210MPa，满足台板的工作要求，最大应力位置如图所示；最大变形为0.894mm，位置如图6 所示。因台板上面安装长达1m 的立柱，变形量过大；防护门处变形较为明显，支撑强度不能满足设计要求。

图5 应力云图

图6 位移云图

4 结构优化

经分析，灌装系统安装处变形最大，中间三个支腿略显单薄，调整位置无法提高总体刚度和强度。在变形量最大位置附近增加一个支腿，并调整其他支腿的位置；为减小安装防护装置处的变形，在台板边缘四周下方增加加强筋，优化后结构划分网格后如图7 所示。

图7 结构优化后网格图

重新进行施加约束和载荷，经分析计算得到位移云图和应力云图，从图中可知最大应力减小到36.7MPa，较之前减小48.8%，最大应力位置如图8 所示；最大位移减小到0.279mm，较之优化前减小68.8%，最大位置如图9所示。

图8 优化后的应力图

图9 优化后位移图

5 结论

分析、优化结构后，应力和变形大幅度减小，符合设计要求。后续实践表明，机架变形明显减小，安装精度提高，减小了调试的工作量和难度。