袋裝水泥裝車機及撥板機構的設計與研究

李坤鵬，黃曉華,張言中,田繼濤

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在當代建筑行業中，水泥占據著極其重要的地位，而在水泥的生產運輸行業，袋裝水泥的生產又占據了很大的比例。目前，現有的袋裝水泥裝車方法普遍采用的是一種半自動化裝車機，即輸送帶傳輸外加人工碼袋，共同實現袋裝水泥的裝車工作[1-2]。這種方式由于存在成本高、效率低、勞動強度大等問題，無法和當代高效的包裝機所匹配，此外，這種裝車環境惡劣，對裝載工人的健康以及空氣質量造成很大的負面影響。因此，設計一款高效的自動袋裝水泥裝車機是至關重要的，以便降低成本、提高物流自動化程度。

1 自動裝車機的整體方案

1.1 裝車機整體方案設計

根據水泥廠的水泥生產流程及目前市場的主要裝車機型，袋裝水泥通過灌裝機包裝好后由輸送帶傳輸，一方面輸送到碼垛機處，進行碼垛存倉；另一方面直接輸送到貨車車廂內，由人工碼垛進行裝車。

綜合碼垛機和直接裝車2種流程方式[3]，本文提出一種基于抽屜式原理的自動裝車機。其主要結構如圖1所示。其工作原理為：該裝車機位于二樓平臺軌道上，一樓通道上停有待裝卡車，行走小車帶動整個裝車機行駛到卡車上方，碼垛機構由提升裝置下落到車廂上；通過包裝機包裝好的袋裝水泥經傳送帶運輸到水平輸送帶上，然后經傾斜輸送帶傳送到過渡輸送帶上，由過渡輸送帶進行姿態調整傳送到碼垛機構上，碼垛機構包含撥板機構、抽板機構和推板機構，碼垛機構碼放好一層后，提升機構帶動整個裝置向上1個位移，以此往復循環，直至當前車位所裝載層數達到要求，移動小車帶動整個裝車機后移，循環上述裝車流程，直至裝載完成。

1.2 碼垛機構主要機構及其傳動方案設計

碼垛機構是整個裝車機的關鍵結構，是保證裝車效率與質量的重要部分。基于抽屜式原理，本裝車碼垛機構主要采用抽板收集袋裝物料，達到預設數量后統一落包的思想。其主要原理如圖2所示，物料由過渡輸送帶輸送到抽板上，撥板左右推動料包進行位置擺放，最終抽板向后平移，推板機構立起擋包，統一碼放料包。

圖2 碼垛原理

碼垛機構中的主要傳動如圖3所示，撥板由同步帶驅動左右移動，抽板由同步帶驅動前后移動。兩者協同作業，完成碼垛過程的擺包和落包過程。

圖3 碼垛傳動方案

2 撥板機構的設計

撥板機構是碼垛機構中的關鍵結構，是保證料包整齊排列的重要執行機構，主要包含撥板、法蘭滑塊和導軌，其主要機械結構如圖4所示。根據設計要求，抽板底板尺寸寬為2 200 mm,長為1 300 mm，底板為斜坡狀，與水平面夾角為6°。撥板通過導柱的法蘭滑塊相連，可在導柱上滑動，撥板2個頂角通過同步帶壓板及連接裝置與同步帶相連，在同步帶的驅動下左右移動，完成擺包動作。撥板與法蘭滑塊相連，安裝在直線導軌上，直線導軌設計尺寸為φ=40 mm,長度l=1 500 mm,安裝在主框架上。

圖4 撥板機構

為方便后續計算分析，簡化板上連接小孔，撥板的結構如圖5所示。其中板厚t=10 mm,其余詳細尺寸參數如表1所示。

圖5 撥板結構示意

表1 撥板尺寸

3 撥板機構的力學分析與仿真

3.1 撥板的力學分析

當袋裝料包經輸送帶運送到抽板上，來料2包或者3包時，撥板開始進行分撥料包。在此勻速運動過程中，對撥板進行受力分析[4]，如圖6所示。圖6a中，撥板的下部分陰影區域表示受到料包的阻力，方向垂直界面向里，用勻強壓力P表示；左右2個上角為驅動力作用區域，驅動力方向垂直直面向外，用F1和F2表示。

圖6 撥板受力示意

針對圖6a在豎直方向受力所在平面內力矩平衡為

(1)

lFNi,O(i=1,2)表示力到板質心的距離。

針對圖6b中，相對于兩孔所在水平面，根據力矩平衡則有

(2)

雖然板的下邊界與水平面有1個夾角，但是阻力和驅動力相對于x軸的力矩相等，故M1與M2的大小相同，即

M1=M2

(3)

由式(2)與式(3)聯立，即可得到板大端的水平力矩M2；由力的傳導特性，可得撥板的最大應力在圓孔與驅動力的連線附近，此處不再推導其最大應力公式。

3.2 撥板導柱的力學分析

由于撥板的質心靠近大端處，故前端導柱所承受的力較大，此處針對大端處所對應的導柱進行力學分析，如圖7所示。

圖7 導柱受力分析

由材料力學[5]知，導柱受力可等價為圖7b和圖7c的疊加，此問題為靜不定問題，當只受壓力時，如圖7b所示，由變形協調條件可得

(4)

根據疊加法可知：

θa=θa,FN2+θa,Ma1+θa,Mb1=

(5)

θb=θb,FN2+θb,Ma1+θb,Mb1=

(6)

Ma1,Mb1分別為a端和b端的彎矩。聯立求解式(4)～式(6)，得支點處的彎矩大小為：

(7)

(8)

由平衡方程得a端與b端的垂直支持反力大小為：

(9)

(10)

(11)

同理，當只受如圖7c所示的彎矩時，其a與b支點處力和彎矩的大小分別為

(12)

考慮力和力矩的方向等問題，當兩者同時作用時，支點a與b處總力和彎矩為：

(13)

(14)

對整個導柱上的內力進行分析，由材料力學中剪力與彎矩圖，可得最大剪力在導柱的左半部分，最大彎矩在支點a處，其最大值分別為：

(15)

(16)

則a處最大彎曲正應力為

(17)

Wz為導柱的抗彎截面系數。

3.3 基于ANSYS的仿真分析

為驗證撥板機構的應力應變情況，采用ANSYS Workbench對撥板機構的受力進行仿真分析。撥板材料為Q235，撥板導柱為45號鋼，其材料屬性[6]如表2和表3所示。

表2 撥板的材料參數

表3 撥板導柱的材料參數

當撥板在導柱中點時，對模型施加載荷，由于設計最大推包數為3包，每包質量為50 kg,水泥包與底板的摩擦因數為0.25，即阻力f為375 N，水泥包厚度約150 mm，即3包水泥的阻力均勻作用在撥板下端高為150 mm的矩形區域，設置載荷時選用類型為：Pressure(均勻壓力)大小為1.78×10-3MPa；撥板2個上角驅動力，此處受壓面積為150 mm×80 mm，設置Pressure為1.56×10-3MPa，其余設置此處不再詳述。通過仿真運行，得到撥板在導柱中點時的應力應變云圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8 撥板機構變形云圖

圖9 撥板機構應力云圖

根據圖8撥板機構的變形云圖可知，導柱上的最大變形發生在中點位置，最大值約為0.239 mm；撥板的最大變形發生在驅動力作用的2個角部以及下部中點位置，角部最大變形為0.359 mm，下部中點位置最大變形為0.319 mm。而對于最大應力部分，由圖9可知，導柱上主要出現在左端連接處，最大值為10.912 MPa，撥板上的最大應力出現在撥板連接孔與驅動力所在點的連線上，最大值為12.502 MPa。

導柱的直徑為40 mm,則其抗彎截面系數Wz=6.28×10-6m3，將撥板和導柱尺寸數據及上述驅動參數代入到式(17)中，最終得導柱的最大應力為8.833 MPa。

對撥板機構的仿真數據進行分析，發現理論值和仿真值接近，誤差產生因素可能為導柱所受彎矩比分析的還要復雜；其次建模計算是按最大彎曲正應力，因此比綜合性仿真的值略小。綜合考慮，說明理論建模的正確性。最后通過仿真云圖發現機構的薄弱環節，為后續的優化設計提供了依據。

4 結束語

首先,通過分析現有袋裝水泥生產及裝車流程，采用模塊化設計思想，建立了全自動裝車機模型，并對主要的碼垛機構中的撥板機構進行設計。通過對正常工況下的撥板機構進行力學建模，分別對撥板和撥板導柱進行詳細的力學求解，推導最大應力應變公式，并預估其所在位置。最后通過ANSYS Workbench對其工作時的變形及應力分布情況進行仿真，驗證了模型的正確性的同時，也為后續的優化設計提供了方向。