基于Solidworks和Ansys Workbench的搖臂機構的設計與仿真分析*

2015-06-11 00:45:34陳松

機械研究與應用 2015年2期

關鍵詞：設計

陳松

(1.蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070;2.蘭州博立睿達機電技術有限公司，甘肅蘭州 730070)

0 引言

紙紗復合袋是一種采用新型制袋設備生產出的復合包裝袋，大量使用于食品、建材、化工等領域，具有灌裝方便、容量大、結實耐磨等特點。筆者所涉及的搖臂機構是適用于復合紙袋糊底機中的一個重要組成部分。它主要完成對新型紙紗復合袋糊底機托輥的支撐托起作用。復合紙袋袋筒表面凹凸不平，為保證對紙袋涂膠充分且不能使膠水污染袋筒表面，要求涂膠過程中涂膠機構對袋筒有較大的壓力，使用托輥托起袋筒使復合紙袋涂膠充分且其他表面不受膠水污染。搖臂機構能否可靠工作直接影響到紙紗復合糊底機的產品質量。因此，基于Solidworks和Ansys Workbench對紙紗復合袋糊底機中搖臂機構的仿真分析，研究關鍵零部件的力學性能，為紙紗復合糊底機實際生產提供了理論支持。

1 托輥機構設計

根據技術要求，紙紗復合糊底機每分鐘加工20條紙袋，在紙袋加工運行到托輥機構區域時，又根據紙袋樣品，測得糊底完后袋底寬度為230 mm、未糊底前展開寬度為535 mm。搖臂機構材料選擇為Q235A，材料相關參數如表1所列。

根據設計要求，初步設計搖臂機構中心距離為295 mm。現擬定使用氣缸為動力源，因搖臂機構支撐起的負載載荷較大且具有一定的震蕩沖擊，為使氣缸工作穩定、空壓機能正常工作，設計搖臂機構為中間支撐，兩端受力，且整體為杠桿結構。本設計中托輥機構的作用是托起紙袋與上方的涂膠輥筒緊密結合且通過涂膠輥筒的主動轉動傳送紙袋向下一工序運動，托輥部件從動轉動。又因軸的單一支撐結構容易引起機械振動，且剛度不足，設計托輥機構為雙支撐結構。若選用兩端支撐方案，托輥機構尺寸太大，固定安裝不便，故選用一端與中心支撐，一端為兩端支撐［1］。如圖1所示。

表1 材料性能參數

本方案采用兩個深溝承與支球軸撐軸配合。通過焊接在搖臂組件上的套筒對軸承定位(如圖2)。

刷膠輥筒距離工作臺表面為30 mm，選定氣缸行程為50 mm的薄氣缸作為托輥機構的動力源，普通薄氣缸的工作壓力為0.4～0.6 MPa，初步選擇薄氣缸的型號為SDA50×50，通過氣缸連接組件，氣缸把動力傳遞到搖臂組件上。使用solidworks三維繪圖軟件，對設計進行三維繪圖，得到托輥部件的質量，又因為所選氣缸行程為50 mm，托輥部件上升30 mm且工作臺厚度為8 mm，通過設計方案，可以確定搖臂組件水平長度及總體結構［2］，如圖3所示。

圖1 托輥支撐方式

圖2 支撐軸處套筒配合

對已有設計進行校核計算，通過Solidworks軟件對托輥部件進行質量檢測，測得托輥部件質量為15.06 kg，通過公式 F=mg，S=F÷(0.7×1.01×106)，又 S=π×r2。通過搖臂機構的杠桿作用，計算出 r=0.001215，m=12.15 mm，為保證氣缸工作穩定可靠，故選用缸徑40 mm的薄氣缸是合適的，所選薄氣缸最總參數為40×50。

所確定的方案中，搖臂組件依靠兩個軸保持其穩定性，在其支點處，因轉動需求，支點處軸上需安裝軸承，如圖4所示。

圖4 支撐軸軸承定位

圖3 搖臂機構

2 托輥機構有限元模型的建立

對搖臂機構模型進行離散，建立機構的有限元模型，如圖5所示，得到56 165個節點，27 109個單元。

圖5 搖臂機構網格劃分

對于載荷和約束的添加，按照如下原則進行:在搖臂機構的主動施力部位添加載荷，在搖臂機構的被動受力部位添加約束［3］。在搖臂機構的固定安裝處添加固定約束，載荷根據規定要求分別添加，包括機構上部載荷及各吊座處的懸吊載荷。

3 機構靜強度分析

根據搖臂機構的工作運動過程，在搖臂機構運動到其極限位置對該機構進行靜強度分析。在靜態應力分析前根據搖臂機構的使用條件，對固定支撐座施加固定約束，對安裝板上的2個支撐座施加18 kN的力。然后對搖臂機構的總變形和應力進行求解［4］。如圖6和7所示，搖臂機構中應力最大處為支撐軸支點處，材料許用應力為235 MPa，本設計符合材料要求，不會出現應力變形。

如圖7所示，搖臂機構整體結構應變符合材料要求，滿足設計要求。