異形易碎小型固性物料的轉運料裝置構型設計與特性試驗研究

成楷，鐘飛，楊小俊，周宏娣

異形易碎小型固性物料的轉運料裝置構型設計與特性試驗研究

成楷，鐘飛*，楊小俊，周宏娣

（湖北工業大學 機械工程學院，武漢 430068）

針對一種易碎異形小型固性物料的添加需求，開發一種物料轉運料裝置。采用瞬態動力學仿真分析方法，運用ANSYS WorkBench軟件對小型固性物料受到沖擊碰撞進行瞬態動力學仿真分析，研究其可承受的最大轉速。通過搭建平臺進行實物轉運料試驗，驗證該裝置的可靠性和穩定性，得到為達到生產效益最大化的最優轉速。仿真結果表明該物料最大承受轉速為1 200 r/min，否則物料失效。根據轉運物料試驗表明該裝置結構設計合理，可滿足在高速連續狀態下轉運料的工作要求，且在600 r/min時物料完好數最多，生產效率最高。

轉運料裝置；物料添加；Workbench；瞬態動力學

轉運料裝置作為自動化生產線上重要的構成部分，其可靠性和穩定性決定了生產效率[1]，而推送料機構[2]是轉運料裝置的核心構件，根據不同規格和材質的物料，業界專家學者們結合相關機械原理設計出多種推送料裝置。針對規則外表面硬質物料如紅棗、糖果等，曹勁草等[3]利用撥棗轉盤的圓周運動和曲柄滑塊機構的往復直線運動設計出一種紅棗去核機的上料機構。田野等[4]設計了一種以曲柄-搖桿為原理的推糖機構，并通過Adams軟件仿真優化推搪速度。針對不規則外形軟質物料的牙刷頭，姚林曉等[5]設計了一種自動上料裝置，采用ANSYS Workbench顯示動力學模塊對牙刷頭的上料過程進行仿真分析、優化上料推頭機構，解決上料過程中牙刷頭向上跳動及與上料推頭接觸不緊密的問題。針對餅干摞等包裝好的物料，向飛等[6]設計出一種基于凸輪-連桿機構實現物料推送的自動裝盒機推料機構。針對小型黏性混合物料的輸送，馮硯博等[7]設計了一種混拌輸送機械裝置，利用滾動螺旋中螺桿和螺母的配合以及直線導軌來控制螺母的運動方向，實現對管裝黏性物料的推送。針對植物特性影響野生藍莓收獲機采摘效率問題，Jameel等[8]試驗得出適宜的地面速度和割臺轉速組合可以最大限度地減少采收過程中的漿果損失。

針對一種外形不規則且易破易變形的水杯狀物料[9]，若采用傳統的鼓輪負壓吸附運料[10]，因其不規則外形將導致吸附力不足，使其難以與鼓輪緊密貼合，無法確保其在鼓輪槽內穩定吸附。針對上述問題，本課題設計出一種轉運料裝置以滿足水杯狀小型異形物料的轉運料需求。另外，通過瞬態動力學仿真方法進行小型固性物料添加過程的碰撞分析，并結合試驗分析對該轉運料裝置完成參數優化。

1 轉運料裝置及工作原理

為實現異形物料底面-底面的對向排列添加，且在轉運料過程中保證其完好率，設計一種轉運料裝置完成送料、推料動作。該轉運料裝置由送料單元及推料單元組成，完成異形物料的轉運工序。送料單元由導軌、推桿滑塊、滾動軸承以及盤形凸輪組成，如圖1a所示。送料單元依托“盤形凸輪-導軌推桿機構”原理設計，通過合理的盤形凸輪槽曲線控制推桿滑塊的移動，將儲料倉中的異形物料推送至送料盤空腔，完成送料動作。推料單元由滑塊、導軌以及盤形凸輪組成，如圖1b所示。推料單元依托“盤形凸輪-導軌滑塊機構”原理設計，通過送料盤的導軌以及推料盤的盤形凸輪控制滑塊的上下移動，將空腔內的異形物料在下料口位置推出，完成推料動作。

1.1 送料單元

送料單元由輸料管、伺服電機、送料機構及基座組成，如圖2a所示。其中送料機構由推桿、滑塊及直線滑軌組成，如圖2b所示。送料盤在伺服電機的驅動下轉動，當其轉動至儲料倉A、B時，在送料盤盤形凸輪槽作用下送料機構做往復運動，實現物料的間歇同步送料，將儲料倉中的物料推入送料盤的空腔中。

圖1 轉運料裝置結構

圖2 送料單元及局部放大圖

1.2 推料單元

推料單元由儲料倉、推料盤、推料機構、下料口及直線凸輪槽組成，如圖3a所示。其中推料機構由滑塊、直線導軌推桿及推塊組成，如圖3b所示。當送料盤轉過一定角度，即將到達裝置最下端出料口C時，推料盤內的盤形凸輪槽驅使推料機構將送料盤空腔內的小型固性物料垂直推入正下方的取料爪中。且由于推料盤的盤形凸輪槽曲線與安裝在基座的直線凸輪槽同步，通過設計出一個行程差，使得推料時始終保持一個物料的寬度，實現間歇取料。

2 有限元模型及仿真

2.1 有限元模型

為研究轉運料裝置從儲料倉取料過程中，對物料瞬間碰撞沖擊造成的影響。在不影響結構強度和計算精度的前提下，提高計算效率和改善模型的單元質量，對轉運盤送料機構進行合理簡化并建立碰撞模型[11]，去除盤形凸輪槽、推桿、滑軌等次要構件，僅保留送料盤、推塊等主要零件，簡化模型如圖4所示。

在建模、加載及求解過程中不考慮材料塑性影響，定義各部分的材料屬性如表1所示。

圖3 推料單元及局部放大圖

圖4 有限元模型簡化

表1 所選材料屬性

Tab.1 Properties of selected material

2.2 網格劃分

對復雜機構采取局部細化網格的方法對模型指定區域進行網格加密處理，使仿真計算結果更準確。各區域網格劃分方法如下：物料采用六面體主導網格劃分；送料盤空腔左側面（即與物料發生碰撞的區域）采用Face Sizing方法，網格大小設置為0.5 mm；物料采用Body Sizing方法，設置網格大小為0.5 mm；針對其余部分網格，采用系統默認生成網格的方法，網格大小為3 mm，整體模型生成網格后的節點數為80 677，單元數為32 611，如圖5所示。

圖5 網格劃分結果

2.3 邊界條件設定

在建立有限元仿真模型之后，為了準確模擬物料受到碰撞沖擊的瞬態過程，完成動力學仿真分析，添加合理的邊界條件是建立完整動力學有限元模型的必要條件[12]。由于ANSYS WorkBench在導入模型后會默認生成基于系統接觸檢測出來的連接關系，但往往大多數是不合理的，因此刪除默認連接關系并單獨設置。在Transient Structural的Connections中插入Contacts連接關系和轉動副，建立如下連接關系，如表2所示。此外，各接觸面的摩擦因數設置為0.15。

為避免單元節點相互穿透，算法選用增強拉格朗日（Augmented Lagrange）[13]，探測方法選擇高斯點探測（Gauss Point）[14]。對于碰撞沖擊類型，為消除接觸模型的小間距，選擇自動調整接觸（Adjust to Touch）。另外，將旋轉角速度施加于送料盤中心，使送料盤繞圖2a中軸負方向轉動。

表2 連接關系設定

Tab.2 Connection setting

2.4 仿真分析設定

假設送料盤空腔左側表面與物料之間距離為3 mm，根據送料盤不同轉速，計算送料盤碰撞物料所需時間，如表3所示。為保證求解收斂以及計算結果準確率，設置時間步及不同轉速下送料盤的碰撞時間步。

3 仿真結果分析

通過對小型固性物料瞬態碰撞進行仿真計算，得出物料受到不同轉速下送料盤碰撞沖擊后的等效應變、應力分布以及對比曲線。小型固性物料的最大等效應變如圖6、圖7所示。由圖5可知，形變主要集中在物料的側面，且隨著送料盤轉速的提高，物料最大等效應變增大。由圖6所示，在0～0.000 19 s時，送料盤還未碰撞到物料，物料等效應變為0；當送料盤轉速為600 r/min時，在0.000 5 s時物料最大等效應變為0.033 012；當送料盤轉速為900 r/min時，在0.000 318 02 s時物料最大等效應變為0.070 773；當送料盤轉速為1 200 r/min時，在0.000 250 55 s時最大等效應變為0.149 84。

3組不同轉速下的固性物料等效應力云圖如圖8所示，最大等效應力均出現在物料側面。不同轉速下固性物料時間-最大等效應力如圖9所示，在0～0.000 19 s時，送料盤還未碰撞到物料，物料等效應力為0；當送料盤轉速為600 r/min時，在0.000 355 1 s時物料最大等效應力為9.165 3 MPa；當送料盤轉速為900 r/min時，在0.000 3180 2 s時物料最大等效應力為19.486 MPa；當送料盤轉速為1 200 r/min時，在0.000 250 55 s時最大等效應力為41.504 MPa。此外，送料盤在1 200 r/min時物料的時間-最大等效應力圖出現二次突變，這是由于送料盤線速度過高，超過物料受到沖擊后產生的速度，兩者發生二次碰撞，物料再次產生較高的應力應變。由仿真結果可知，當送料盤轉速為1 200 r/min時，物料產生的最大等效應力超過物料材料的屈服強度，將導致物料嚴重破損，無法投入生產。

表3 轉速-時間步

Tab.3 Rotational speed-time step

圖6 固性物料等效應變云圖

圖7 不同轉速下固性物料時間-最大等效應變

圖8 固性物料等效應力云圖

圖9 不同轉速下固性物料時間-最大等效應力圖

4 完好率試驗測試

為了驗證小型固性物料瞬態碰撞仿真結果的準確性，進行物料添加試驗，得到不同轉速下的實際取料數，并與物料在不同轉速下的最大等效應力、應變結果對比。同時在保證機構設計的可靠性以及穩定性的前提下，研究物料完好數與轉運料轉速之間的關系[15]。

4.1 試驗指標的確定

在物料所能承受的極限轉速下，轉速越快，轉運盤取料數越多，但機器對物料的損傷程度越高。隨著轉料盤轉速越高，物料受到的瞬態沖擊載荷越大，應變值越大，導致其破裂破損的可能性越大，破壞類型主要為上表面破裂、側面變形、下底面破損，如圖10所示。

圖10 物料破損類型

綜合考慮生產效率和生產成本，在完好率>95%的前提下，將單位時間內轉運盤的取料完好數作為評價指標，計算式如下：

理論取料數=(1)

式中：理論取料數為轉料盤的理論取料總數；為轉料盤轉速，r/min；為運轉時間，min；完好率為小型固性物料的完好率，%；完好數為小型固性物料完好總數。

4.2 試驗及結果分析

物料運料機構實驗平臺如圖11所示。

4.2.1 仿真結果驗證試驗

測試分3組轉速，為減小隨機誤差，每組重復測試15次，每次測試時間10 min，并記錄每次試驗轉料盤取料總數，得出轉速與取料數、完好數的變化曲線，如圖12所示。當=600 r/min時，理論取料數為12 000個，實際取料數平均值為11 796個，其中物料完好數平均值為11 578個；當=900 r/min時，理論取料數為18 000，實際取料數平均值為16 848，其中物料完好數平均值為10 633個；當=1 200 r/min時，理論取料數為24 000，實際取料數平均值為21 528個，其中物料完好數的平均值為888個。結果表明，當轉料盤為1 200 r/min時，小型固性物料損耗嚴重，該結果與仿真結果相符。

圖11 轉運料裝置實驗平臺

圖12 轉速-取料數、完好數變化曲線

注：實線表示取料數，虛線表示完好數。

4.2.2 轉速優化試驗

基于上述試驗結果，在保證物料完好率較高的前提下，為最大提高生產效率，在400～900 r/min內尋找最優轉速。試驗設計：以50 r/min為轉速間隔，分11組不同轉速運轉10 min，記錄相同時間不同轉速下物料完好數，試驗結果如圖13所示。由圖13可知，當轉速越高，相同時間內的物料完好數呈現先增加后降低的趨勢。當轉速從400 r/min開始增加時，由式（1）可得當轉速提高，單位時間內取料數越多，且此時物料受到的沖擊載荷較小，故完好數逐步增加。當轉速超過某一值時，轉速越高，物料受到的沖擊碰撞載荷越大，物料完好率越低，故物料完好數逐步減小。

圖13 不同轉速下理論取料數-完好數對比

根據式（2）計算可得不同轉速下物料完好率，結果如表4所示。

表4 轉速與完好率的關系

Tab.4 Relationship between rotational speed and quantity of intact rate

由表4可知，在完好率＞95%的前提下，當轉料盤轉速為600 r/min時，物料完好數最多，生產效率最高。

5 結語

1）開發出一種針對異形易碎小型固性物料的轉運料裝置，并利用設備進行試驗，驗證了該裝置結構設計合理，可靠性較高，可滿足在高速連續狀態下轉、運物料的工作需求。

2）通過ANSYS Workbench軟件的Transient Structual模塊對轉運料裝置的取料動作進行瞬態動力學仿真分析，得出小型固性物料在不同轉速下的等效應變、應力云圖及對比曲線。仿真結果表明，當送料盤轉速為1 200 r/min時，物料受到瞬態沖擊碰撞產生的最大等效應力超過小型固性物料材料的屈服強度，將導致物料嚴重破損。

3）通過試驗平臺的試驗結果與仿真結果對比分析可知，在保證物料完好率＞95%的前提下，轉運料裝置轉速在600 r/min時物料完好數最多，生產效率最高。

[1] 陸武慧. 基于SOLIDWORKS與ADAMS的推送料機械系統仿真分析[J]. 粘接, 2021, 42(11): 136-139.

LU Wu-hui. Simulation Analysis of Feeding Mechanical System Based on SOLIDWORKS and ADAMS[J]. Adhesion, 2021, 42(11): 136-139.

[2] 袁保證. 淺談我國復合濾棒成型設備現狀與發展[J]. 中國新技術新產品, 2013(2): 143.

YUAN Bao-zheng. Discussion on the Present Situation and Development of Composite Filter Rod Forming Equipment in China[J]. China New Technologies and New Products, 2013(2): 143.

[3] 曹勁草. 一種紅棗去核機上料機構的設計與分析[J]. 包裝與食品機械, 2021, 39(1): 62-65.

CAO Jin-cao. Design and Analysis of an Automatic Feeding Mechanism of Red Jujube Pitting Machine[J]. Packaging and Food Machinery, 2021, 39(1): 62-65.

[4] 田野, 孫智慧, 鄭賽男, 等. 包裝機中推料機構分析及優化[J]. 包裝工程, 2013, 34(21): 66-70.

TIAN Ye, SUN Zhi-hui, ZHENG Sai-nan, et al. Analysis and Optimization of Feeding Mechanism of Packaging Machine[J]. Packaging Engineering, 2013, 34(21): 66-70.

[5] 姚林曉, 邱海亮, 方貴盛. 牙刷自動裝配機上料機構的仿真分析與改進[J]. 機械設計與制造, 2022, 372(2): 103-107.

YAO Lin-xiao, QIU Hai-liang, FANG Gui-sheng. Simulation Analysis and Improvement of Feeding Mechanism of Automatic Toothbrush Assembly Machine[J]. Machinery Design & Manufacture, 2022, 372(2): 103-107.

[6] 向飛, 李克天, 何衛鋒, 等. 自動裝盒機推料機構凸輪的設計及運動仿真[J]. 制造業自動化, 2014, 36(10): 137-139.

XIANG Fei, LI Ke-tian, HE Wei-feng, et al. Design and Kinematic Simulation of Pusher Mechanism in Automatic Cartoning Machine[J]. Manufacturing Automation, 2014, 36(10): 137-139.

[7] 馮硯博, 宋曉倩, 于瑞鳳, 等. 小型粘性物料混合輸送機構設計[J]. 包裝工程, 2017, 38(21): 126-130.

FENG Yan-bo, SONG Xiao-qian, YU Rui-feng, et al. Design of Small Viscous Material Mixing and Conveying Mechanism[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(21): 126-130.

[8] JAMEEL M, ZAMAN Q U, SCHUMANN A W, et al. Effect of Plant Characteristics on Picking Efficiency of the Wild Blueberry Harvester[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016, 32(5): 589-598.

[9] 王聞, 彭三文, 宋旭艷, 等. 一種內含水杯固件的煙用濾棒及卷煙: 中國, 201821913162.4[P]. 2019-11-29.

WANG Wen, PENG San-wen, SONG Xu-yan, et al. Tobacco Filter Rod and Cigarette Containing Water Cup Firmware: China, 201821913162.4[P]. 2019-11-29.

[10] 曹祥薇, 劉強, 彭三文, 等. 轉接盤式空腔復合濾棒基棒轉接裝置的研制[J]. 煙草科技, 2021, 54(4): 96-99.

CAO Xiang-wei, LIU Qiang, PENG San-wen, et al. Development of Base Rod Transfer Device with Rotary Plates for Combined Cavity Filter Rods[J]. Tobacco Science & Technology, 2021, 54(4): 96-99.

[11] 趙九峰. 基于瞬態動力學的碰碰車低速碰撞仿真研究[J].自動化儀表, 2022(004):043.

ZHAO Jiu-feng. Simulation Study of Bumper Car Low-Speed Collision Based on Transient Dynamics[J]. Automation Instrumentation, 2022(4): 43.

[12] 王素粉. 基于ANSYS選矸機械臂瞬態動力學分析研究[J]. 煤炭技術, 2021(11): 40.

WANG Su-fen. Research on Transient Dynamics Analysis of Gangue Selecting Robotic Arm Based on ANSYS[J]. Coal Technology, 2021(11): 40.

[13] 陳成軍, 陳小偉, 柳明. 接觸-碰撞算法研究進展[J]. 計算力學學報, 2018, 35(3): 261-274.

CHEN Cheng-jun, CHEN Xiao-wei, LIU Ming. Review of Research Progress in Contact-Impact Algorithms[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2018, 35(3): 261-274.

[14] CHEN Hu, ZHANG Y X, ZANG Meng-yan, et al. An Explicit Lagrange Constraint Method for Finite Element Analysis of Frictionless 3D Contact/Impact Problems[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 553: 751-756.

[15] 謝苗, 裴波波, 劉治翔, 等. 清煤機運料螺桿的性能和仿真磨損試驗分析[J]. 機械強度, 2022, 44(1): 155-161.

XIE Miao, PEI Bo-bo, LIU Zhi-xiang, et al. Performance Analysis and Wear Mechanism Research of Feeding Screw of Coal Cleaning Machine[J]. Journal of Mechanical Strength, 2022, 44(1): 155-161.

Structure Design and Characteristic Test of Transfer Device for Small Special-shaped Fragile Solid Materials

CHENG Kai, ZHONG Fei*,YANG Xiao-jun, ZHOU Hong-di

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to develop a transfer device to meet the addition requirements of small special-shaped fragile solid materials. Transient dynamics simulation and analysis method was adopted to carry out transient dynamics simulation and analysis on small solid materials subject to impact and collision with ANSYS WorkBench software and to study the maximum rotational speed that the materials could withstand. The reliability and stability of the device were verified by setting up a platform for the physical transfer test, and the optimal rotational speed was obtained to improve the production efficiency. According to the simulation results, the maximum rotational speed that the materials could withstand was 1 200 r/min, otherwise the materials failed. According to the test of transferring materials, the structure design of the device is reasonable, which can meet the working requirements of transferring materials in the continuous high-speed state, and achieve the maximum quantity of intact materials and the highest production efficiency at 600 r/min.

transfer device; material addition; Workbench; transient dynamics

TB486；TH6；TH16

A

1001-3563(2023)23-0156-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.019

2023-03-07

國家自然科學基金（52005168）；湖北工業大學高層次人才基金項目（BSQD2020010）；現代制造質量工程湖北省重點實驗室開放基金項目（KFJJ-2021012）

責任編輯：曾鈺嬋