气动膜片式码垛机夹持装置及膜片有限元分析.pdf

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务l 匐 化 气动膜片式码垛机夹持装置及膜片有限元分析 Pneum at i c di aphr agm cl am pi ng devi ce o f s t ack er cr an e and fini t e el em en t anal ysi s of di aphr agm 郭益,姚平喜,成建平 GUO Yi ,Y AO Pi n g - X i , CHENG J i a n . p i n g 太原理工大学 机械工程学院,太原 0 3 0 0 2 4 摘要 提出了一种气动膜片式码垛机夹持装置 ,既减少砖坯棱角破损 ,又方便地使砖坯偏转一个角 度,实现层与层之间的交错排列,提高砖垛的稳定性;使用A n s y s 分析了气动膜片变形过程及 与砖坯的接触状态;通过试验验证了改进后砖垛的稳定性。 关键词码垛机;气动膜片;夹持装置 ;An s y s 中图分类号T H 1 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 4 下 - 0 1 2 3 -0 3 D o i 1 0 . 3 9 6 l / J . I s s n . 1 0 0 9 -0 1 3 4 . 2 0 1 3 . O 4 下 . 3 5 0 引言 在粉煤灰砖生产过程 中砖坯 码垛机 是一种重 要的设备 ,它完成砖坯的夹持、搬运、码垛 等工 序。现有码垛机 夹持装置为刚性结构 ,在对砖坯 进 行夹持的过程 中容易损伤棱 角 ,但码出的砖垛 整 齐 、紧密 ,如 图1 所 示 。码垛 好 的砖坯 在进 入 养护 窑的运输过程 中,上层侧边 的砖坯 由于 行驶 过程 中速度 的变化 、导轨不平 等原 因,常常会脱 落 ,既限制 了码垛 的层数又对运输过程 中的平稳 性提出了更高的要求。 图l 原 码垛机码垛 效果图 为了使 整个砖垛在速度突变状态下也能保 持 稳 定 ,对码垛机 夹持机 构进行改进设 计,使用气 动膜 片夹持装置 实现 柔性 夹持 ,避 免砖坯棱 角的 破损 ,中间夹板 采用活动结构 ,通过增加一 个横 向移动机构 小行程气缸 使 间隔砖层产生一个 转角实现层与层之 间交错排列 的效果 ,可提高整 个砖垛的稳定性 。 1 结构改进 码垛机 码垛过 程 中夹持装置是很重要的机械 部分n 】 ,夹持装置在气缸作用下与砖坯接触 ,靠摩 擦 力克服砖坯重 力将其提升进行码垛 。对现有的 夹持结构进行 改进 ,在夹持装置部分用气动膜片 代替气缸 ,充 了气 的膜片变形与砖坯接触实现 夹 持功能并进行码垛 ,其 中气动膜片与砖坯之 间用 的间距为3 r a m。气动 膜片原材料为橡胶 ,橡胶 材 料具有 良好的弹性性能和拉伸能力 ,为典 型的超 弹性材料 】 ,是气动膜片的最佳材料 。图2 是改进 装置的结构图。 1 . 进 气 13 1 ;2 . 夹 板23 . 气 动 膜 片 4 . 砖坯 ;5 . 夹板1 6 . 进气 13 2 图2 夹持装置结构图 从 图2 可知 ,当压力气体 同时从进气 口l 和进 气 口2 进入夹板2 和夹板 1 的气腔 时 ,气动膜 片在 气压作用下膨胀变形与砖坯接触 ,对砖坯产生压 力 ,在压力下产生摩擦力 ,砖坯在摩擦力下可 被 提起进行搬运 、码垛 。 收稿日期2 0 1 2 --1 2 --1 1 基金项目山西省 自然科学基金 2 0 1 1 0 1 1 0 2 5 . 3 作者简介郭益 1 9 8 6一,男,北京人,硕士研究生,研究方向为机械结构设计及自动化。 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 4 下 [ 1 2 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 匐 似 柔性 的气动膜 片夹持 装置 不仅对砖坯不会造 成损伤,而且也是砖坯偏转角度的必要条件。图3 是小行程气缸处于原位的工作状态 ,可实现 砖坯 的柔性夹持,图4 是小行程气缸通入压力气后的效 果图 ,砖坯被偏转 了一个角度,与没有偏转 的下 面一层砖坯可实现交错排列。 / / 一 一 一 一 一 1 . 夹板2 2 . 砖坯 ;3 . 夹板 1 ; 4 . 气动膜片 5 . 气缸 图3 夹持 装置 夹持 效果图 1 2 3 4 1 . 夹 板 2 ; 2 . 砖 坯 3 . 夹 板 1 ; 4 . 气 动 膜 片 5 . 气 缸 图4 横 向移动机构工作效果图 在图3 中,气动膜片充气后将砖坯夹住,气缸 向下做 收缩运动带动夹板1 行驶一个小行程s ,由 于气动 膜片与砖坯为 柔性接触 ,所 以砖坯不会掉 落,即达到 图4 的效果,整层砖坯偏转 了一个小角 度,左右两排对称偏转 ,在码垛过程 中即可压住 下层正放的砖层。 图5 改 进码垛机码垛 效果图 图5 为改进后砖垛整体 图,由于未偏转下层砖 坯被偏转上层砖坯交错压住 ,下层砖坯 自由度被 约束 不易移动 。如 图中左侧部分 最底层砖坯 1 被 上层砖坯3 和4 压住 ,砖坯2 被上层砖坯3 、4 和5 压 住 ,而第二层砖坯3 被第三层砖坯6 和7 压住,砖坯 [ 1 2 4 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 4 下 4 被砖坯6 、7 和8 压住 ,以此类推 ,每一块砖坯都 被两块或三块砖坯压住 ,而每一块砖坯又压住两 块或三块砖坯 ,砖坯的交错挤压使每一块砖坯紧 固稳定 。由于整个砖垛稳定性大幅提高 ,从而可 增加码垛层数 ,达到节省空间,提高养护空间利 用率的 目的。 砖坯 在进行 小行程 运动 中行驶距离s 不 能太 大 ,否 则砖 坯 在偏 转状 态下 容 易掉落 ,造 成 损 伤。图6 是砖坯偏转状态下的受力图。 图6 偏转砖坯受力图 从受力 图可 以看 出砖坯在偏转之 后两 侧的压 力作用力F 对砖坯产生偏距,即对砖坯有一个逆时 针的转矩T 。 ,同时砖坯 又受到 与膜 片之 间的摩擦 力f ,对砖坯产生一个 顺时针的转矩T ,两转矩之 间大小关 系决定砖坯的稳定性 。以最大静摩擦力 为判断依据 ,当转矩T 小于等于转矩T 时,砖坯即 处于稳定状态,否则砖坯将掉落。 Fa , p s d l 1 2 2 ps / xl 2 2 式 中,T 为充气压力产生的转矩;T 为摩擦力 产生的转 矩;p 为气动膜 片充 气压 力;s 为接触面 积;d 为充气压力偏心距 ; 为最大静摩擦力 系 数 ;d 为摩擦力偏心距 。 将 已知条件气动 膜片充气压 力3 0 0 k p a 、接触 面积1 5 2 0 mm 、充气压力偏心距1 . 8 mm、最大静摩 擦力系数0 . 7 1 、摩擦力偏心距2 4 0 mm分别代入方程 1 和 2 ,可得 Tl 0. 8 2 08 Nm T 7 7. 7 02 4 Nm 由上式得 出的数据可 以看 出充气压 力产生的 转矩T 远远小于摩擦力力产生的转矩T ,因此砖坯 处于稳定状态,不会掉落 。 2 A n s y s 仿真及分析 An s y s 软件是融结构 、流体 、电场 、磁场、声 场分析于一体 的大型通用 有限元分析软件 。利用 An s y s 主要分析气动膜片变形及气动膜片与砖坯之 间接触状态 ,橡胶具有粘弹特性 ,因此进行大变 形分析,将气动膜片视为轴对称薄膜H ,接触类型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 出 定为柔性接触面与刚性 目标面接触。其 中接触面积 与充气压力是影响夹持效果的主要 因 ,气动膜 片面积一定,在有限面积下接触面积越大越好,利 用A n s y s 对接触状态进行分析,得出最优面积。 图7 为气动 膜片在3 0 0 k p a 充气压 力的合 位移 等值线图 ,从 图 中可以看出气动膜片在受到压力 时最大挠度为1 4 . 4 4 4 mm,最大挠度位置为 中心部 分 ,符合实 际情况。图8 为气压为3 0 0 k p a 的气动膜 片与未偏转砖 坯接触变形 图,从 图中可看出变形 效果 良好 ,与刚性砖坯接触也达 到预 想要 求,最 大变形 为3 . 1 3 2 mm,符合设计时砖坯与气动膜 片 之 间间隙3 mm。图9 为气压为3 0 0 k p a 的气动膜片与 偏转砖坯接触变形 图,从 图中可 看出接触效 果良 好 ,并且气动膜 片与砖坯不再是对称接触 ,符合 上面计算分析过程。 j i 口{ 7 一 图7 合位移等值线图 图8 未偏 转接触变形图 毒 ~ 一 ~ _ 蛹 舞 . , 图9 偏转接触变形图 图1 0 为 不同气压下 接触面积的变化 ,可 以看 出随着对气动膜片充气压力的增大砖坯与气动膜 片的接触面积随之增大 ,当充气压力到达5 5 0 k p a 时 ,接触 面积 开 始基 本保 持 一定 值 ,面积 约 为 1 8 0 0 mm ,大约占气动膜片面积的6 0 %,此面积足 以支撑住砖坯 ,达到预想效果 。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 充气压力 k p a 图1 0 充气压力与接触面积关系图 并且根 据力平衡原理 ,摩擦力必须大于等于 砖坯重力才能将砖坯提起,由此可得 G , z 朋 3 式 中,G为砖坯的重力 ,Gx y z p g; 为砖 坯的长; Y为砖坯的宽;z 为砖坯的高 ; P 为砖坯 的密度; g为重力加速度; n 为气动膜片个数; 为砖坯与气动膜片之间的摩擦系数;p为气动膜片 充气压力;s 为接触面积。 将 已知 条件砖坯 的长0 . 2 4 m、宽0 . 1 1 5 m、高 0 . 0 5 3 m,密度2 0 0 0 k g / m ,气动膜 片个数2 ,摩擦 系数O . 5 代入式 3 ,整理得p s 2 9 . 2 5 6 。 由上式可知,充气压力 p与接触面积 S的乘积 必须大于等于2 9 . 2 5 6 N才能克服重力将砖坯提升 , 经过An s y s 分析仿真得出的有效压强 p为5 5 0 k p a , 接触面积 为1 8 0 0 mm ,它们的乘积为9 9 0 ,远远大 于2 9 . 2 5 6 ,可 以满足提升 要求,砖坯 的抗压 强度 1 0 0 0 k p a ,有效压强5 5 0 k p , 会对产品造成任何损伤。 3 稳定性试验分析 采用砖坯偏转角度 ,层与层之 间交错排列 的 方式 ,可有效提 高砖垛 的稳 定性 ,在经过理论论 证之后 ,通过试验验证其可行性。以6 层砖垛为研 究对 象进行稳定性 测试 ,试验 内容是输送车上放 上6 层砖垛,输送车以一定速度运动,随即骤停 , 模仿砖坯运输过程 中遇到障碍物的状况 ,检验改 进前砖垛与改进后砖垛的稳定性 ,稳定性 的判断 依据是砖前后的位置变化及砖垛整体形状。 图1 1 为采用原码垛机构 砖垛 在一 定速 度运行 突停时的状态,图1 2 是采用改进结构砖垛 在一定 速度运行突停 时的状 态,从 图1 1 和 图1 2 可 以明显 看 出在同一种 试验条件下 ,改进后砖垛 比改进前 砖垛稳定很多。 一 一 图1 1 改进前砖垛状态 图 图1 2改进后砖垛状态图 图 1 3 是在 不同速度下改进前后砖垛稳 定性 的 比较 ,可 以看 出改进后的砖垛在运动状 态突变 时 比原有砖垛稳定性好,改进前砖垛在2 0 m/ mi n 下开 始不稳定 ,而改进后砖垛却 很稳定,砖坯不 易掉 【 下转第1 2 8 页】 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 4 下 [ 1 2 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 采用安全 系数n 判断骨架强度是否满足要求, n o / 6。 1 因驾驶 室骨架材料为 1 6 Mn ,其 屈服极 限 3 5 0M Pa。 经计算可得 四种 工况下驾驶 室骨架安全系数 如表5 所示 。 表5 四种工况下安全系数 工况 弯 曲 扭转 顶压 正碰 安全系数 6 . 7 5 6 . 8 3 3 . 5 4 4 . 9 7 由上表结果可以看出,该驾驶室骨架总体安全 系数较高,上述四种工况中,顶压情况下安全系数 最低,为3 . 5 4 ,但已大于 1 ,其值满足安全要求。 由于驾驶室蒙皮对驾驶室骨架 强度具 有加 强 作用 ,加上驾驶室蒙皮后车身的安全系数将 比上 述四种工况计算结果更高 。 2 刚度分析 驾驶室骨架 刚度对其 强度有影 响,若 前围或 顶盖部位 刚度不足 ,则会导致局部变形过大 ,从 而影响驾驶室骨架强度。 由计 算结果可 以得出,驾驶 室骨架最大位移 在2 . 7 7 . 3 2 间,其 整体 刚度 尚可 ,只是在正碰 工况下前 围少数部件变形量略高 ,但在允许范围 内。所 以,此骨架式重型货车驾驶室静动态特性 均满足 实际工况需要 ,而在各种工 况下变形量均 较小,有较好的抗变形能力。 4 结论 建立 了重型货车 驾驶室骨架模型 ,并利用有 限 元分析软 件ANS YS 对该骨 架式重 型货车 驾驶 室模型进行动态分析 ,得 出该模型不 易与各种激 励源发生共振 ,有较好 的动 态特性 ;通过对其扭 转 、弯 曲、正碰 、顶压工况下静 力分析 ,得到各 个工况下 的应力与位移 。并计算 出各工况下 的安 全 系数 。通过 与允许值相 比较 ,其安全 系数 与最 大变形量均在允许范 围内。得到该骨架式驾驶室 有较好 的刚度特性 ,在 发生正碰 、侧 翻等剧烈工 况时有较小 的变形量 ,可 以有效地减 少对驾乘人 员的伤害。 参考文献 【 1 】王志超, 何洪军, 于多年, 等. 框架式货车驾驶室开发研究 【 J ] . 汽车技术, 2 0 1 1 1 1 4 2 6 3 3 . 【 2 】唐波, 蒋晓春, 马东. 重型卡车高顶驾驶室顶部压溃设计与 研 究【 A】 . 中国汽车安全技术 国际研讨 会论 文集【 C 】 , 2 0 0 7 . 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