一種新型柴油機(jī)缸蓋機(jī)械輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

張世明,鮑君華,何衛(wèi)東

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

0 引言

近些年來，為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，各種新型輸送設(shè)備不斷出現(xiàn)，許多企業(yè)和大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究，以提高裝配機(jī)械的自動(dòng)化程度和裝配流水線的生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷提高，機(jī)械化程度不斷提高，人們對(duì)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)要求和使用要求也在不斷提高，朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、生產(chǎn)高效化、運(yùn)行環(huán)保化方向發(fā)展，并根據(jù)其工作原理、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化。本文針對(duì)一種新型柴油機(jī)缸蓋加工運(yùn)輸需求，在滿足輸送要求和保證強(qiáng)度及剛度的前提下，對(duì)整個(gè)輸送設(shè)備中的相關(guān)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足設(shè)備輕量化和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化的要求。

1 缸蓋輸送設(shè)備設(shè)計(jì)原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 缸蓋輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)

要求缸蓋輸送設(shè)備不僅能把物體輸送到指定的位置，同時(shí)還能保證輸送的連續(xù)性和準(zhǔn)時(shí)性，所以采用了鏈傳動(dòng)輸送方式，相比帶傳動(dòng)而言，鏈傳動(dòng)傳送更加準(zhǔn)確。

本文采用機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和材料力學(xué)方面的知識(shí)，通過計(jì)算分析，按照構(gòu)思構(gòu)建出輸送設(shè)備的三維立體模型，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后對(duì)模型進(jìn)行有限元仿真分析，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度靜力學(xué)分析和部分零部件的拓?fù)鋬?yōu)化，通過比較分析設(shè)計(jì)出一種高效有序的輸送設(shè)備。

1.2 輸送設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以某型柴油機(jī)缸蓋為輸送對(duì)象，其質(zhì)量約為250 kg，根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算結(jié)果選用1.5 kW電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，缸蓋輸送機(jī)構(gòu)的工作效率主要取決于整體設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理性。柴油機(jī)缸蓋如圖1所示。運(yùn)用Creo軟件進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)出的輸送設(shè)備三維模型如圖2所示。其中導(dǎo)軌臺(tái)和2311型雙鏈輪輥筒選用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)即可，并根據(jù)選取的標(biāo)準(zhǔn)件尺寸對(duì)底部框架結(jié)構(gòu)、側(cè)面支撐板、底部框架焊接大板、輥筒底部連接板及其加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 柴油機(jī)缸蓋 圖2 缸蓋輸送設(shè)備三維模型 圖3 缸蓋輸送設(shè)備簡(jiǎn)化模型 圖4 輸送設(shè)備網(wǎng)格劃分

2 輸送設(shè)備整體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析

2.1 有限元模型的建立

在進(jìn)行模擬仿真過程中，網(wǎng)格劃分起著重要作用。對(duì)整個(gè)輸送設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先需要將三維模型轉(zhuǎn)化為step格式導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，在保證不影響計(jì)算結(jié)果的前提下適當(dāng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如把螺栓、螺孔、輥筒、電動(dòng)機(jī)以及頂部滑軌機(jī)構(gòu)全部簡(jiǎn)化，這樣有利于有限元軟件的收斂，簡(jiǎn)化后的缸蓋輸送設(shè)備模型如圖3所示。

然后根據(jù)需求對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，所以主要采用四面體和六面體網(wǎng)格劃分，其整體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.2 有限元受力分析

整個(gè)輸送設(shè)備上承受的載荷有柴油機(jī)缸蓋質(zhì)量250 kg、一組滑軌上6個(gè)輥筒的質(zhì)量6×4.8 kg以及側(cè)壓板質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算整個(gè)輸送設(shè)備上承受的載荷為380 kg，也就是單個(gè)缸蓋滑軌組所承受的載荷為3 800 N。輸送設(shè)備采用Q235作為主要設(shè)計(jì)材料，由于整體結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱規(guī)整，按照均布載荷設(shè)置，即單個(gè)輥筒側(cè)面支撐板所受均布載荷為1 900 N。仿真分析得到的整個(gè)輸送設(shè)備應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在施加載荷的情況下，整個(gè)設(shè)備所受最大應(yīng)力值為39.532 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235的許用應(yīng)力值；整個(gè)輸送設(shè)備的最大變形量為0.110 91 mm。

圖5 缸蓋輸送設(shè)備應(yīng)力云圖 圖6 缸蓋輸送設(shè)備變形云圖 圖7 優(yōu)化后的缸蓋輸送設(shè)備應(yīng)力云圖 圖8 優(yōu)化后缸蓋輸送設(shè)備變形云圖

3 輸送設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

在保證工作過程中滿足強(qiáng)度、剛度要求和使用要求的前提下，盡量達(dá)到設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化和輕量化的目的，通過分析研究，最后決定采用以下優(yōu)化方法：加強(qiáng)筋數(shù)量減半，輥筒底部連接板和底部框架焊接大板作適當(dāng)挖空處理；考慮到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，輥筒側(cè)面支撐板不作減厚處理，方管仍然沿用30 mm×30 mm×2 mm。

輸送設(shè)備整體結(jié)構(gòu)中各部件優(yōu)化結(jié)果如下：底部框架焊接大板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后質(zhì)量由原來的86.4 kg減少到46.5 kg，減重接近50%；輥筒底部連接板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，質(zhì)量由原來的103.5 kg減少到48.7 kg,質(zhì)量減輕了53%；輥筒側(cè)面支撐板外側(cè)的加強(qiáng)筋由原來的每個(gè)側(cè)板四道加強(qiáng)筋減少為二道加強(qiáng)筋，每個(gè)加強(qiáng)筋質(zhì)量為0.6 kg,整個(gè)輸送設(shè)備的加強(qiáng)筋數(shù)量減少了20個(gè)，總共減輕質(zhì)量為12.0 kg。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，得到優(yōu)化后缸蓋輸送設(shè)備的應(yīng)力云圖和變形云圖，分別如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8中可以看出：優(yōu)化后的缸蓋輸送設(shè)備承受的最大應(yīng)力為65.5 MPa，小于Q235材料的許用應(yīng)力；最大變形量為0.233 07 mm，相比于優(yōu)化前略微有所增加，但仍然在標(biāo)準(zhǔn)變形范圍內(nèi)，所以此次優(yōu)化還是成功的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)和材料力學(xué)相關(guān)原理，根據(jù)所運(yùn)輸柴油機(jī)缸蓋的實(shí)際運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)出一套新型運(yùn)輸設(shè)備，可滿足柴油機(jī)缸蓋加工運(yùn)輸需求。并在保證工作過程中滿足強(qiáng)度、剛度要求和使用要求的前提下，盡量達(dá)到了設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化和輕量化的目的。