易拉罐灌裝機(jī)架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

周波 孫敬慧 黃文金

0 引言

易拉罐灌裝機(jī)機(jī)架是灌裝機(jī)的永久性部件，是一個(gè)重要的基礎(chǔ)支撐性部件，其上安裝有傳動(dòng)系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、輸罐系統(tǒng)及防護(hù)部分。為了保證機(jī)架的安全性、穩(wěn)定性及灌裝精度，對(duì)機(jī)架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求較高。

合肥中辰輕工機(jī)械有限公司開發(fā)YLGD60 易拉罐灌裝機(jī)是一款60 頭的高速設(shè)備。采用有限元方法對(duì)機(jī)架進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果重新對(duì)支腿數(shù)量、位置及部分結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，為機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 易拉罐灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，灌裝機(jī)由傳動(dòng)系統(tǒng)、輸罐系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、防護(hù)門和機(jī)架組成。傳動(dòng)系統(tǒng)給整個(gè)灌裝機(jī)提供動(dòng)力；輸罐系統(tǒng)負(fù)責(zé)將灌裝好的易拉罐從灌裝系統(tǒng)輸出；灌裝系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)將液體灌裝到易拉罐中。機(jī)架包括臺(tái)板和支腿，臺(tái)板靠支腿支撐，其上安裝傳動(dòng)系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、輸罐系統(tǒng)和防護(hù)門。

圖1 易拉罐灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 建立分析模型

在Workbench 中建立機(jī)架的模型。在DesignModeler中，建立面為臺(tái)板，分割出臺(tái)板與各部件的連接支撐面。臺(tái)板上的加強(qiáng)筋和支腿按三維模型中的位置和尺寸用直線表示。如圖2 所示。

圖2 機(jī)架模型

3 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與分析

1）參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分

臺(tái)板材料及加強(qiáng)筋為304 不銹鋼，在材料屬性中定義密度為7.93X103kg/m3，彈性模量為195GPa，泊松比為0.3。支腿材料為Q235，在材料屬性中定義密度為7.85X103kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.33。

臺(tái)板網(wǎng)格采用殼單元，設(shè)置厚度為35mm，材料為304 不銹鋼；加強(qiáng)筋設(shè)置為梁單元，材料為304 不銹鋼；支腿設(shè)置為梁單元，材料為Q235，網(wǎng)格大小均設(shè)置為10mm。網(wǎng)格劃分后如圖3 所示。

圖3 機(jī)架網(wǎng)格

各梁單元和殼單元設(shè)定剛性連接，使整個(gè)模型變形協(xié)調(diào)。

2）邊界條件

灌裝系統(tǒng)重量約3060kg，A 處加載-Z 方向的力30000N；兩個(gè)過渡輪重約35KG，分別施加-Z 方向的力，約為343N；星輪重約76.8KG，施加-Z 方向的力，約753.5N；輸瓶線重約32Kg，施加-Z 方向的力，約313.6N；進(jìn)瓶螺桿重46Kg，施加-Z 方向的力，約為450N；凸輪升降立柱處載荷約44.9KG，施加-Z 方向的力，約440N，共兩處；輸罐系統(tǒng)立柱處載荷約32kg，施加-Z 方向的力，約313.6N，共四處；渦輪箱重約200kg，靠四根立柱懸掛于臺(tái)板下方，四根立柱處分別加載-Z 方向490N 的力；臺(tái)板四周安裝防護(hù)裝置，每側(cè)重約150Kg，施加-Z 方向的力，大小約為1470N。支腿處施加全約束。

施加載荷和約束后如圖4 所示。

圖4 載荷和約束圖

3）分析結(jié)果

通過有限元分析計(jì)算，得到機(jī)架的應(yīng)力分布和位移云圖。由圖5 可知，機(jī)架的最大應(yīng)力為71.8MPa，小于210MPa，滿足臺(tái)板的工作要求，最大應(yīng)力位置如圖所示；最大變形為0.894mm，位置如圖6 所示。因臺(tái)板上面安裝長達(dá)1m 的立柱，變形量過大；防護(hù)門處變形較為明顯，支撐強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 位移云圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)分析，灌裝系統(tǒng)安裝處變形最大，中間三個(gè)支腿略顯單薄，調(diào)整位置無法提高總體剛度和強(qiáng)度。在變形量最大位置附近增加一個(gè)支腿，并調(diào)整其他支腿的位置；為減小安裝防護(hù)裝置處的變形，在臺(tái)板邊緣四周下方增加加強(qiáng)筋，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格后如圖7 所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后網(wǎng)格圖

重新進(jìn)行施加約束和載荷，經(jīng)分析計(jì)算得到位移云圖和應(yīng)力云圖，從圖中可知最大應(yīng)力減小到36.7MPa，較之前減小48.8%，最大應(yīng)力位置如圖8 所示；最大位移減小到0.279mm，較之優(yōu)化前減小68.8%，最大位置如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后的應(yīng)力圖

圖9 優(yōu)化后位移圖

5 結(jié)論

分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，應(yīng)力和變形大幅度減小，符合設(shè)計(jì)要求。后續(xù)實(shí)踐表明，機(jī)架變形明顯減小，安裝精度提高，減小了調(diào)試的工作量和難度。