自動包裝流水線中動力托輥的仿真分析

邢耀文

（山西杏花村汾酒集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032205）

引言

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)車間，物品經(jīng)過有序的生產(chǎn)工序加工，在生產(chǎn)線上最終轉(zhuǎn)化成成品，最后通過自動包裝流水線的封裝成為市場流通的產(chǎn)品。自動包裝流水線是集紙箱成型、自動裝箱、自動封箱為一體。它配套前段自動化生產(chǎn)線，可達(dá)到無人化包裝，大大減少勞動力，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。因此自動包裝流水線在很多企業(yè)得到很好的推廣應(yīng)用。

自動包裝流水線各單元的銜接多數(shù)依靠托輥輸送線來完成。托輥輸送線是指在一定的線路上由一系列并排托輥組成的連續(xù)輸送物料的搬運(yùn)機(jī)械，適用于各類箱、包、托盤等件貨的輸送，散料、小件物品或不規(guī)則的物品需放在托盤上或周轉(zhuǎn)箱內(nèi)輸送。還能夠輸送單件重量很大的物料，或承受較大的沖擊載荷［1－2］。

托輥輸送機(jī)之間易于銜接過渡，可用多條托輥線及其他輸送設(shè)備或?qū)C(jī)組成復(fù)雜的物流輸送系統(tǒng)以及分流合流系統(tǒng)，完成多方面的工藝需要。托輥輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用維護(hù)方便。按布置形式可分為水平托輥輸送線、傾斜托輥輸送線和轉(zhuǎn)彎托輥線。按驅(qū)動方式可分為動力托輥線和無動力托輥線，動力托輥線主要有減速電機(jī)驅(qū)動、電動托輥驅(qū)動，傳動方式主要有單鏈輪、雙鏈輪、O型皮帶、平面摩擦傳動帶、同步帶傳動。

在雙鏈輪動力托輥線中，托輥一端分別受到不同方向的扭矩，會對托輥造成一定的變形，可能會對平穩(wěn)運(yùn)送物品造成一定的影響。本文將對這種工況下工作的托輥進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步確定雙鏈輪托輥線中托輥運(yùn)送物品的過程對平穩(wěn)中轉(zhuǎn)物品的影響［3－5］。

1 自動包裝流水線

自動包裝流水線集紙箱自動成型、自動裝箱、自動封箱為一體。對于箱體類的物品，包裝流程如圖1：紙箱自動成型封底機(jī)做出包裝箱，通過托輥輸送線將紙箱送到自動裝箱機(jī)；自動裝箱機(jī)裝滿成品，通過托輥輸送線將紙箱送到自動打包機(jī)；自動打包機(jī)將箱體封裝，同時噴碼生產(chǎn)日期批號，最終變成市場流通的產(chǎn)品。

圖1 自動包裝流水線

雙鏈輪托輥輸送線由支架、托輥、動力電機(jī)、驅(qū)動鏈條等組成，如下頁圖2所示。

雙鏈輪托輥輸送線中每個托輥有一個雙鏈輪，上一個托輥通過鏈條作用于本托輥的一個鏈輪，帶動托輥轉(zhuǎn)動，同時本托輥另一個鏈輪又會把動力輸出給下一個托輥。這樣雙鏈輪托輥輸送線中每個托輥都有動力，使得物品運(yùn)送的過程更加平穩(wěn)，同時也會提高生產(chǎn)效率。

1－支架；2－托輥；3－電機(jī)

2 托輥的建模

2.1 SolidWorks簡介

SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)過程中的錯誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

SolidWorks軟件是個非常優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件，包括零件建模、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程圖、運(yùn)動仿真和有限元分析等，功能全面，并集成和兼容了所有Windows系統(tǒng)的卓越性能。

2.2 托輥的實(shí)體建模

考慮到托輥的實(shí)際運(yùn)動過程，以仿真觀察托輥的變形為目的，建模時把托輥以及雙鏈輪作為一個整體直接建模。

在SolidWorks中，如圖3所示，建立托輥的三維實(shí)體模型，托輥直徑50mm，寬度500mm。

圖3 雙鏈輪托輥三維模型

3 托輥的ANSYS仿真分析

3.1 ANSYS系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真作為各種技術(shù)系統(tǒng)工作性能的研究方法，已經(jīng)滲入到幾乎所有產(chǎn)品領(lǐng)域。越來越短的產(chǎn)品周期促使設(shè)計(jì)和研制盡可能在短的時間內(nèi)完成，這樣就能夠?qū)栴}作出快速而可靠的決定，通過仿真分析，能夠做出一個關(guān)于產(chǎn)品性能的定性和定量的陳述，從而可以節(jié)省、免除實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和樣機(jī)以及費(fèi)時實(shí)驗(yàn)的昂貴成本。

ANSYS將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)成為解決現(xiàn)代工程問題的必需工具。其中的結(jié)構(gòu)靜力分析用來解決穩(wěn)態(tài)外載荷引起的系統(tǒng)或局部的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。

3.2 托輥靜力仿真分析

運(yùn)行ANSYS－Workbench，首先雙擊建立Static Structural模塊。在Static Structural模塊中指定Engineering Data為碳鋼，然后調(diào)入前面在SolidWorks中建立的托輥模型到DesignModeler中，如圖4。

圖4 DesignModeler中托輥的三維模型

對調(diào)入的托輥模型劃分網(wǎng)格，通過Mechanical中的Generate mesh劃分出單元網(wǎng)絡(luò)。

在工作過程中考慮托輥在鏈條的驅(qū)動下，處于一個穩(wěn)態(tài)的運(yùn)動狀態(tài)。兩端有軸承的支撐約束。鏈條把載荷傳遞到雙鏈輪，才驅(qū)動了托輥的轉(zhuǎn)動。因此載荷可以等效為轉(zhuǎn)矩和徑向的力。對托輥兩邊安裝軸承的地方分別添加約束，限制了托輥的X、Y、Z軸的移動及X、Z軸的轉(zhuǎn)動［6］。

選取驅(qū)動電機(jī)的功率為P＝2.2kW，額定轉(zhuǎn)速為n＝940r／min。

作用于托輥上的轉(zhuǎn)矩，用T表示，

鏈輪直徑取D＝45mm，計(jì)算鏈速v：

鏈條的工作拉力：

作用在軸上的載荷FQ可以近似取

KA為工作狀況系數(shù)，取1.2；

托輥的載荷可以等效為轉(zhuǎn)矩T和徑向的力FQ，約束添加軸承約束。分別添加轉(zhuǎn)矩及軸上的載荷和軸承的約束。轉(zhuǎn)矩T＝22 351N·mm，軸上的載荷FQ＝1 430N。如圖5所示。

圖5 施加在托輥上的約束及載荷

最后進(jìn)行ANSYS后處理，選擇總體變形、等效彈性應(yīng)變、等效應(yīng)力，進(jìn)行求解。得到托輥在此工況下的實(shí)際力學(xué)狀態(tài)。如圖6、7、8所示。

圖6 托輥的總體變形

圖7 托輥的等效彈性應(yīng)變

圖8 托輥的等效應(yīng)力

從圖6中可以看出，最大總體位移發(fā)生在托輥近驅(qū)動端，約在總長度的1／4處，為0.007mm；最小位移發(fā)生在遠(yuǎn)驅(qū)動端約1／4長度處。說明從托輥驅(qū)動端1／4長度處起，托輥的變形較??；在實(shí)際中就是在遠(yuǎn)離驅(qū)動端1／4托輥長度位置起為托輥的最佳使用區(qū)段，會更好地達(dá)到平穩(wěn)輸送物品的要求。

從圖7、8可以看出最大等效應(yīng)變（0.000 216）、應(yīng)力（40.497MPa）均發(fā)生在內(nèi)側(cè)鏈輪與托輥軸的連接處。這個位置可能是實(shí)際所受應(yīng)力應(yīng)變的最大處。這里由于建模時把鏈輪和托輥當(dāng)作一個整體建模，但是實(shí)際過程中鏈輪和托輥之間使用過渡的結(jié)構(gòu)連接，從而不會使應(yīng)力過于集中。兩個鏈輪之間的軸上應(yīng)力應(yīng)變都很大，這說明托輥在實(shí)際使用中一定會受到較大的應(yīng)力，因此在長期的使用中，在這個部位很容易發(fā)生疲勞性損壞［7－9］。

4 結(jié)語

雙鏈輪托輥在托輥輸送線上使用量很大，托輥的質(zhì)量與性能在很大程度上決定了輸送線的整體性能與質(zhì)量。通過仿真，可以發(fā)現(xiàn)托輥在運(yùn)行過程中各處的變形大小不一，而且會在某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。

從實(shí)際使用來看，為了更有效地利用托輥輸送線來中轉(zhuǎn)物品，應(yīng)該在托輥的遠(yuǎn)驅(qū)動端輸送物品，這樣可達(dá)到更好的平穩(wěn)度。對于設(shè)計(jì)托輥來說，兩鏈輪之間的托輥軸受到的應(yīng)力最大。在長期的運(yùn)行使用中，這個部位會發(fā)生疲勞破壞。

因此在托輥軸的設(shè)計(jì)制造過程中，對容易應(yīng)力集中的部位進(jìn)行特殊的表面性能處理，提高軸的疲勞強(qiáng)度，避免發(fā)生疲勞損壞。設(shè)計(jì)出壽命更長、可靠性更高的托輥，對于提高整條輸送線的工作效率、性能穩(wěn)定都有很大的意義。同時設(shè)計(jì)托輥也要考慮到實(shí)際的使用條件，更有效地利用托輥平穩(wěn)輸送物品的性能，避免輸送過程中的不平穩(wěn)及沖擊狀況的發(fā)生，最終的輸送線才能性能穩(wěn)定、工作效率高，又節(jié)省成本。這也為雙鏈輪托輥輸送線中托輥的抗疲勞、長壽命設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］ 段振華，吳張永，王慶輝，等.工業(yè)機(jī)器人自動分揀輸送線研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（3）：113－116.

［2］ 范春陽.飲料灌裝輸送線專用設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.浙江：浙江大學(xué)，2011：10－12.

［3］ 謝鵬，周雷，張向鋒，等.托管架托輥荷載的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2011，28（1）：217－220.

［4］ 曹保新，楊劍，郭青梅.帶式輸送機(jī)托輥有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（6）：109－110.

［5］ 劉振，劉靜.帶式輸送機(jī)托輥的分析［J］.機(jī)電信息，2011（3）：86－87.

［6］ 肖林京，呂淑芳，張?jiān)?，?帶式輸送機(jī)上散料對各托輥?zhàn)饔昧Ψ治觯跩］.山東礦業(yè)學(xué)報(bào)，1996（6）：118－120.

［7］ 奚麗峰.提高托輥性能的探析［J］.煤礦開采，2008（10）：78－79.

［8］ 劉春暉，馬新生.長壽命托輥的研制［J］.礦山機(jī)械，2005（3）：52－53.

［9］ 唐偉，薛河，方秀榮，等.托輥軸的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（5）：613－616.