一種棉花離線打包系統的設計

趙子豪, 姚 慶

(南通大學機械工程學院,江蘇 南通 226019)

棉花打包機是棉花加工線上的末端設備系統,其功能是壓縮皮棉并捆扎成包,然后將棉包傳送出打包車間。一條棉花加工線有數臺軋花機,但只配一臺棉花打包機?，F有的棉花打包機生產線針對自動化生產的需求只能做到“捆扎帶在內,包裝在外”的打包方式[1]。但是,近年來隨著國家政策的改變,我國新疆地區均采用“捆扎帶在外,包裝在內”的打包方式[2],而現有的棉花生產線并不能實現其自動化生產要求。

針對此缺陷,本文設計優化棉花打包設備并精心設計了一種棉花離線打包方法,使其能夠對棉包以包裹包的形式進行自動打包并出庫。同時用SolidWorks 2017等軟件設計出該棉花打包生產設備組,在此基礎上合理簡化三維模型[3]。棉花離線打包系統的關鍵機械設備是運輸機械手。本文以運輸機械手的夾持器和手臂關節作為研究對象,采用有限元分析法進行輕量化設計,以期優化機架結構,降低生產成本[4]。同時,對輕量化部件的結構強度進行仿真模擬分析,以防止夾持器和手臂關節由于外部載荷超過材料極限強度出現結構破壞。

1 離線打包系統設計

在棉花打包生產線中,本離線打包生產“裹包”(即先包裝后捆扎,捆扎帶在包裝袋的外面)過程設計如下:

(1)物料(棉纖維)經滑棉道流入喂棉裝置內,送棉油缸(前端安裝推棉板)將物料推入前端,預壓油缸下端的踩板將物料壓入棉箱;預壓下行到位后,送棉油缸后退;送棉油缸后退到位后,預壓油缸后退(向上),完成一次預壓送棉循環。

(2)預壓送棉多次循環將物料壓入棉箱,棉箱內的棉纖維的重量達到217～237 kg,用于重量計量的壓力繼電器發出訊號;預壓送棉動作停止,打包機開始提箱,轉箱;轉箱之后,空箱轉到預壓一側,繼續進行預壓送棉循環,同時有物料棉箱轉到主壓一側。

(3)主壓機構(兩只主壓油缸帶動壓頭)下行壓縮物料,速度由快變慢,將物料高度壓縮至490～500 mm時停止。

(4)脫箱油缸(兩只)上行將棉箱升起(升起高度為980 mm)。

(5)運輸機械手按照指定指令工作,展開夾持器,伸入打包機壓縮部分的指槽里。

(6)運輸機械手收縮,完成夾持動作,打包機壓頭開始抬升。

(7)運輸機械手夾持壓縮原棉層疊體抽出,轉向,同時棉布吸附機械手開始工作。

(8)棉布吸附機械手將棉布包鋪設至指定位置。

(9)運輸機械手伸入壓縮機械上下壓頭凹槽處。

(10)壓縮機械上壓頭運行,將壓縮原棉層疊體壓至指定位置。

(11)運輸機械手展開,抽出壓縮機械。

(12)機械手抽出后,壓縮機械頂部四周有包裹輥子,輥子隨著上壓頭向下壓縮,使棉布包裹住棉塊,底部壓頭四周亦有12根包裹輥子,包裹輥子向上抬升,將棉布包裹住;上層棉布長于棉塊的一半,底層棉布長度為棉塊的一半;上壓頭包裹輥子長于下壓頭包裹輥子;壓縮過程中,上壓頭周圍輥子先完成包裹動作,完成后繼電器驅動下壓頭輥子完成包裹動作。

(13)操作人員觸發捆扎機動作,捆扎機自動完成穿帶、切斷、焊接后,自動退回原始待機位置。

(14)接運小車將包裹包運輸至倉庫。

圖1所示為一種棉花離線打包系統,包括沿著流水線工位順次排布的打包機、壓縮包裹機構、捆扎機以及接包小車。在打包機與壓縮包裹機構之間布設棉布吸附機構和運輸機械手,位于打包機與壓縮包裹機構之間的棉布吸附機構將底層棉布鋪設至壓縮包裹機構內指定位置,打包機在運輸機械手輔助下,將棉花壓縮形成原棉層疊體后將其夾取放置在鋪設底層棉布的壓縮包裹機構內;在壓縮包裹機構和捆扎機之間同樣布設一個棉布吸附機構,其將頂層棉布鋪設至壓縮包裹機構內指定位置,壓縮包裹機構啟動后,同時進行壓縮與包裹操作;其中,打包機向棉花施加的力與運輸機械手輔助時施加的力形成垂直關系,且運輸機械手的施力端與打包機壓縮端結構匹配。棉花離線打包流程圖如圖2所示。

圖2 棉花離線打包流程圖

2 靜力學分析

2.1 三維建模與材料定義

如圖3所示,棉花離線打包系統包括打包機[7]、運輸機械手、棉布吸附機構1、棉布吸附機構2、壓縮包覆機械、捆扎機、接包小車及控制系統。據使用工況和結構特點,棉花離線打包系統中,運輸機械手完成夾持運輸工作是直接影響棉花打包生產效率的關鍵。其上的夾持器是支承壓縮棉花過程的主要部分,其強度、剛度對運輸機械手能否完成壓縮過程影響巨大。運輸機械手的夾持器需要在減輕自重的同時具有強度高、風阻載荷小、裝拆方便、承受載荷能力強等優點。為此,從現代設計理念中,夾持器外端采用由圓形型材構成的結構,總風力系數要小于直邊型材構成的結構,夾持器工作方式為左右行進夾持,棉花在壓縮過程中由于抵抗壓縮力,極易回彈,其彈力主要集中于正面,對夾持器來說棉花壓縮過程中的壓縮力主要表現為正壓力,因此采用水平行進壓縮的楔形滑塊機構可以最大程度上解決棉花壓縮過程中回彈的問題,但是正面的壓力對夾持器的爪齒的強度有著極高要求,當棉花壓縮過程中由棉花回彈引起外部載荷超過夾持器材料極限強度時會導致其發生形變甚至斷裂而無法完成夾持任務。

圖3 棉花離線打包系統布局示意圖

手臂關節是運輸機械手能否完成運輸動作的關鍵,其強度、剛度對運輸機械手能否完成運輸過程影響巨大,當棉花壓縮過程中,由夾持器、楔形滑塊驅動機構、壓縮原棉層疊體的自重引起外部載荷超過關節材料極限強度時會導致手臂關節發生形變甚至斷裂。

同時,考慮到運輸機械手制造加工、組裝、運輸以及臂的長度調整的方便性,如圖4所示,通過三維建模軟件創建運輸機械手的結構模型。對其部件組成的組焊件部分,復雜細微的結構較多,需要優化的工藝細節較多,故建模過程中,像倒角、焊縫等細微的結構特征未加以細化[8]。這種方法更容易產生一個結構化的模型,同時還能改善運算的速度。運輸機械手主體材料為合金結構鋼材料(Q355B),其材料密度等屬性的具體定義見表1。

表1 材料定義

圖4 運輸機械手三維Solidworks建模結構示意圖

2.2 網格劃分與載荷約束

(1)夾持器長1.4 m,單側上、下各有8根爪齒;爪齒長0.75 m,高0.6 m,齒寬0.1 m,齒與齒間間隔0.06 m。將其組件均設計為U型結構,用于抵抗棉花回彈過程中豎直方向上的分力,大厚度(10 mm)可以增加夾持部件工作時的彈力承受能力,能夠擁有更長的使用壽命。采用10 mm的網格劃分,同時采用四面體網格的劃分形式[9],生成的網格圖如圖5所示。

圖5 夾持器網格劃分

針對夾持器所受載荷,載荷施加方主要為夾持壓縮棉花層疊體時,由于棉花回彈,夾持器爪齒受到正面壓力作用。約束的添加方式是底部與側面安裝面均采用ANSYS工作臺中自帶的Fixed Supported固定支撐。棉花回彈過程中產生的正面壓力計算如下:

棉花加工廠均采用額定壓縮力≥4 000 kN (400 t)、生產的棉包包型尺寸為1 400 mm×530 mm×700 mm (長×寬×高)、棉包重量227±10 kg 的打包機。

當H=0.5時,其壓縮力計算如下:

(1)

(2)

P壓=P·S=39.97×140×53=2 966 kN

(3)

當H=0.7時,其壓縮力計算如下:

(4)

(5)

P壓=P·S=14.57×140×53=1 081 kN

(6)

棉包長度L=1.36 m,棉包寬度W=0.5 m,棉箱高度=2.65 m,最終壓縮高度=0.5 m,棉包重量G定為230 kg,爪齒受力由如下計算可得:

棉包壓縮至0.5 m時,所受最大壓縮力為392 t。

此時爪齒受力:

(7)

棉包壓縮至0.7米時,所受最大壓縮力為108噸。

此時爪齒受力:

(8)

運輸機械手夾持器受壓面積為:

S=25 000×16=400 000mm2

(9)

棉塊壓縮過程中所受最大壓縮力為3 920 kN,故夾持器爪齒在夾持過程中所受最大正向壓力為:

(10)

對其進行Ansys靜態壓力分析,選取外框上下表面固定為支撐面,對其爪齒進行壓力分析,所加壓力位0.098 MPa,材料選取為合金結構鋼。

(2)手臂關節同樣采用10 mm的網格劃分,同時選擇自動網格劃分形式,生成的網格圖如圖6所示。

圖6 手臂關節網格劃分

手臂關節前面所安裝的夾持機構體積約為

V=905 850×1 600=1 449 360 000mm3

(11)

其材料結構鋼的密度為ρ=7.80×10-6kg/mm3

故所述夾持機構的重量約為

G=mg=vρg=1 449 360 000×7.80×10-6=113 774.76 N

(12)

因此關節處所受靜態拉力為113 774.76 N,選取運輸機械手連接夾持器關節處進行Ansys靜態結構分析,向下施加一個大小為113 774.76 N的力,分析其受力的狀態。

2.3 結果分析

通過ANSYS的計算求解得出負載下的夾持器和手臂關節的應力、位移云圖,如圖7～10所示[10]。由圖7～10可知負載狀態下夾持器承受的最大應力為5.59 MPa,其數值遠小于屈服極限235 MPa,最大位移為0.001 7 mm。負載狀態下手臂關節承受的最大應力為11.275 MPa,數值上遠小于屈服極限235 MPa,最大位移為0.057 mm[11]。負載狀態下的變形量對運輸機械手的夾持器和轉動關節的整體影響有限,即分析顯示二者的應力冗余量都比較大[12],優化時可考慮降低運輸機械手夾持器和轉動關節的材料厚度,減輕部件的自重和降低其動力輸出,從而更好地滿足節能、低碳、環保的要求[13]。

圖7 負載狀態下夾持器應力云圖

圖8 負載狀態下夾持器位移云圖

圖9 負載狀態下手臂關節應力云圖

圖10 負載狀態下手臂關節位移云圖

3 結論

本文基于有限元法,以自設計的棉花離線打包系統中運輸機械手的夾持器和手臂關節作為研究對象,在彈力負載狀態下,進行結構受力分析。根據棉花壓縮過程中會回彈的特性,壓縮時,在保證工作部件結構安全的同時,對運輸機械手進行輕量化的設計及優化。

本文采用有限元分析法以自設計的棉花離線打包系統中——運輸機械手的夾持器和手臂關節作為研究對象進行輕量化設計,以期優化機架結構,降低生產成本[14]。同時,對輕量化部件的結構強度進行仿真模擬分析,以防止夾持器和手臂關節由于外部載荷超過材料極限強度產生結構破壞。對其進行有限元仿真發現其結構受力穩定,運輸機械手夾持器在負載狀態下其最大應力為5.59 MPa,而手臂關節負載狀態下最大應力為11.275 MPa,均遠小于機架材料定義的屈服極限235 MPa,說明機架材料應力余量較大,可進行輕量化[15]。

因此,本文通過有限元法對棉花離線打包的設備產品結構優化設計有重要借鑒意義,為打包機械——棉花離線打包設備的生產線的輕量化研制與改進,提供了縮短其設計周期的思路。