气动膜片式码垛机夹持装置及膜片有限元分析.pdf

务l 匐 化 气动膜片式码垛机夹持装置及膜片有限元分析 Pneum at i c di aphr agm cl am pi ng devi ce o f s t ack er cr an e and fini t e el em en t anal ysi s of di aphr agm 郭益，姚平喜，成建平 GUO Yi ，Y AO Pi n g - X i ， CHENG J i a n ． p i n g 太原理工大学 机械工程学院，太原 0 3 0 0 2 4 摘要 提出了一种气动膜片式码垛机夹持装置 ，既减少砖坯棱角破损 ，又方便地使砖坯偏转一个角 度，实现层与层之间的交错排列，提高砖垛的稳定性；使用A n s y s 分析了气动膜片变形过程及 与砖坯的接触状态；通过试验验证了改进后砖垛的稳定性。 关键词码垛机；气动膜片；夹持装置 ；An s y s 中图分类号T H 1 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 4 下 - 0 1 2 3 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 l ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． O 4 下 ． 3 5 0 引言 在粉煤灰砖生产过程 中砖坯 码垛机 是一种重 要的设备 ，它完成砖坯的夹持、搬运、码垛 等工 序。现有码垛机 夹持装置为刚性结构 ，在对砖坯 进 行夹持的过程 中容易损伤棱 角 ，但码出的砖垛 整 齐 、紧密 ，如 图1 所 示 。码垛 好 的砖坯 在进 入 养护 窑的运输过程 中，上层侧边 的砖坯 由于 行驶 过程 中速度 的变化 、导轨不平 等原 因，常常会脱 落 ，既限制 了码垛 的层数又对运输过程 中的平稳 性提出了更高的要求。 图l 原 码垛机码垛 效果图 为了使 整个砖垛在速度突变状态下也能保 持 稳 定 ，对码垛机 夹持机 构进行改进设 计，使用气 动膜 片夹持装置 实现 柔性 夹持 ，避 免砖坯棱 角的 破损 ，中间夹板 采用活动结构 ，通过增加一 个横 向移动机构 小行程气缸 使 间隔砖层产生一个 转角实现层与层之 间交错排列 的效果 ，可提高整 个砖垛的稳定性 。 1 结构改进 码垛机 码垛过 程 中夹持装置是很重要的机械 部分n 】 ，夹持装置在气缸作用下与砖坯接触 ，靠摩 擦 力克服砖坯重 力将其提升进行码垛 。对现有的 夹持结构进行 改进 ，在夹持装置部分用气动膜片 代替气缸 ，充 了气 的膜片变形与砖坯接触实现 夹 持功能并进行码垛 ，其 中气动膜片与砖坯之 间用 的间距为3 r a m。气动 膜片原材料为橡胶 ，橡胶 材 料具有 良好的弹性性能和拉伸能力 ，为典 型的超 弹性材料 】 ，是气动膜片的最佳材料 。图2 是改进 装置的结构图。 1 ． 进 气 13 1 ；2 ． 夹 板23 ． 气 动 膜 片 4 ． 砖坯 ；5 ． 夹板1 6 ． 进气 13 2 图2 夹持装置结构图 从 图2 可知 ，当压力气体 同时从进气 口l 和进 气 口2 进入夹板2 和夹板 1 的气腔 时 ，气动膜 片在 气压作用下膨胀变形与砖坯接触 ，对砖坯产生压 力 ，在压力下产生摩擦力 ，砖坯在摩擦力下可 被 提起进行搬运 、码垛 。 收稿日期2 0 1 2 --1 2 --1 1 基金项目山西省 自然科学基金 2 0 1 1 0 1 1 0 2 5 ． 3 作者简介郭益 1 9 8 6一，男，北京人，硕士研究生，研究方向为机械结构设计及自动化。 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 4 下 [ 1 2 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 匐 似 柔性 的气动膜 片夹持 装置 不仅对砖坯不会造 成损伤，而且也是砖坯偏转角度的必要条件。图3 是小行程气缸处于原位的工作状态 ，可实现 砖坯 的柔性夹持，图4 是小行程气缸通入压力气后的效 果图 ，砖坯被偏转 了一个角度，与没有偏转 的下 面一层砖坯可实现交错排列。 ／ ／ 一 一 一 一 一 1 ． 夹板2 2 ． 砖坯 ；3 ． 夹板 1 ； 4 ． 气动膜片 5 ． 气缸 图3 夹持 装置 夹持 效果图 1 2 3 4 1 ． 夹 板 2 ； 2 ． 砖 坯 3 ． 夹 板 1 ； 4 ． 气 动 膜 片 5 ． 气 缸 图4 横 向移动机构工作效果图 在图3 中，气动膜片充气后将砖坯夹住，气缸 向下做 收缩运动带动夹板1 行驶一个小行程s ，由 于气动 膜片与砖坯为 柔性接触 ，所 以砖坯不会掉 落，即达到 图4 的效果，整层砖坯偏转 了一个小角 度，左右两排对称偏转 ，在码垛过程 中即可压住 下层正放的砖层。 图5 改 进码垛机码垛 效果图 图5 为改进后砖垛整体 图，由于未偏转下层砖 坯被偏转上层砖坯交错压住 ，下层砖坯 自由度被 约束 不易移动 。如 图中左侧部分 最底层砖坯 1 被 上层砖坯3 和4 压住 ，砖坯2 被上层砖坯3 、4 和5 压 住 ，而第二层砖坯3 被第三层砖坯6 和7 压住，砖坯 [ 1 2 4 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 4 下 4 被砖坯6 、7 和8 压住 ，以此类推 ，每一块砖坯都 被两块或三块砖坯压住 ，而每一块砖坯又压住两 块或三块砖坯 ，砖坯的交错挤压使每一块砖坯紧 固稳定 。由于整个砖垛稳定性大幅提高 ，从而可 增加码垛层数 ，达到节省空间，提高养护空间利 用率的 目的。 砖坯 在进行 小行程 运动 中行驶距离s 不 能太 大 ，否 则砖 坯 在偏 转状 态下 容 易掉落 ，造 成 损 伤。图6 是砖坯偏转状态下的受力图。 图6 偏转砖坯受力图 从受力 图可 以看 出砖坯在偏转之 后两 侧的压 力作用力F 对砖坯产生偏距，即对砖坯有一个逆时 针的转矩T 。 ，同时砖坯 又受到 与膜 片之 间的摩擦 力f ，对砖坯产生一个 顺时针的转矩T ，两转矩之 间大小关 系决定砖坯的稳定性 。以最大静摩擦力 为判断依据 ，当转矩T 小于等于转矩T 时，砖坯即 处于稳定状态，否则砖坯将掉落。 Fa , p s d l 1 2 2 ps ／ xl 2 2 式 中，T 为充气压力产生的转矩；T 为摩擦力 产生的转 矩；p 为气动膜 片充 气压 力；s 为接触面 积；d 为充气压力偏心距 ； 为最大静摩擦力 系 数 ；d 为摩擦力偏心距 。 将 已知条件气动 膜片充气压 力3 0 0 k p a 、接触 面积1 5 2 0 mm 、充气压力偏心距1 ． 8 mm、最大静摩 擦力系数0 ． 7 1 、摩擦力偏心距2 4 0 mm分别代入方程 1 和 2 ，可得 Tl 0． 8 2 08 Nm T 7 7． 7 02 4 Nm 由上式得 出的数据可 以看 出充气压 力产生的 转矩T 远远小于摩擦力力产生的转矩T ，因此砖坯 处于稳定状态，不会掉落 。 2 A n s y s 仿真及分析 An s y s 软件是融结构 、流体 、电场 、磁场、声 场分析于一体 的大型通用 有限元分析软件 。利用 An s y s 主要分析气动膜片变形及气动膜片与砖坯之 间接触状态 ，橡胶具有粘弹特性 ，因此进行大变 形分析，将气动膜片视为轴对称薄膜H ，接触类型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 出 定为柔性接触面与刚性 目标面接触。其 中接触面积 与充气压力是影响夹持效果的主要 因 ，气动膜 片面积一定，在有限面积下接触面积越大越好，利 用A n s y s 对接触状态进行分析，得出最优面积。 图7 为气动 膜片在3 0 0 k p a 充气压 力的合 位移 等值线图 ，从 图 中可以看出气动膜片在受到压力 时最大挠度为1 4 ． 4 4 4 mm，最大挠度位置为 中心部 分 ，符合实 际情况。图8 为气压为3 0 0 k p a 的气动膜 片与未偏转砖 坯接触变形 图，从 图中可看出变形 效果 良好 ，与刚性砖坯接触也达 到预 想要 求，最 大变形 为3 ． 1 3 2 mm，符合设计时砖坯与气动膜 片 之 间间隙3 mm。图9 为气压为3 0 0 k p a 的气动膜片与 偏转砖坯接触变形 图，从 图中可 看出接触效 果良 好 ，并且气动膜 片与砖坯不再是对称接触 ，符合 上面计算分析过程。 j i 口{ 7 一 图7 合位移等值线图 图8 未偏 转接触变形图 毒 ～ 一 ～ _ 蛹 舞 ． ， 图9 偏转接触变形图 图1 0 为 不同气压下 接触面积的变化 ，可 以看 出随着对气动膜片充气压力的增大砖坯与气动膜 片的接触面积随之增大 ，当充气压力到达5 5 0 k p a 时 ，接触 面积 开 始基 本保 持 一定 值 ，面积 约 为 1 8 0 0 mm ，大约占气动膜片面积的6 0 ％，此面积足 以支撑住砖坯 ，达到预想效果 。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 充气压力 k p a 图1 0 充气压力与接触面积关系图 并且根 据力平衡原理 ，摩擦力必须大于等于 砖坯重力才能将砖坯提起，由此可得 G ， z 朋 3 式 中，G为砖坯的重力 ，Gx y z p g； 为砖 坯的长； Y为砖坯的宽；z 为砖坯的高 ； P 为砖坯 的密度； g为重力加速度； n 为气动膜片个数； 为砖坯与气动膜片之间的摩擦系数；p为气动膜片 充气压力；s 为接触面积。 将 已知 条件砖坯 的长0 ． 2 4 m、宽0 ． 1 1 5 m、高 0 ． 0 5 3 m，密度2 0 0 0 k g ／ m ，气动膜 片个数2 ，摩擦 系数O ． 5 代入式 3 ，整理得p s 2 9 ． 2 5 6 。 由上式可知，充气压力 p与接触面积 S的乘积 必须大于等于2 9 ． 2 5 6 N才能克服重力将砖坯提升 ， 经过An s y s 分析仿真得出的有效压强 p为5 5 0 k p a ， 接触面积 为1 8 0 0 mm ，它们的乘积为9 9 0 ，远远大 于2 9 ． 2 5 6 ，可 以满足提升 要求，砖坯 的抗压 强度 1 0 0 0 k p a ，有效压强5 5 0 k p , 会对产品造成任何损伤。 3 稳定性试验分析 采用砖坯偏转角度 ，层与层之 间交错排列 的 方式 ，可有效提 高砖垛 的稳 定性 ，在经过理论论 证之后 ，通过试验验证其可行性。以6 层砖垛为研 究对 象进行稳定性 测试 ，试验 内容是输送车上放 上6 层砖垛，输送车以一定速度运动，随即骤停 ， 模仿砖坯运输过程 中遇到障碍物的状况 ，检验改 进前砖垛与改进后砖垛的稳定性 ，稳定性 的判断 依据是砖前后的位置变化及砖垛整体形状。 图1 1 为采用原码垛机构 砖垛 在一 定速 度运行 突停时的状态，图1 2 是采用改进结构砖垛 在一定 速度运行突停 时的状 态，从 图1 1 和 图1 2 可 以明显 看 出在同一种 试验条件下 ，改进后砖垛 比改进前 砖垛稳定很多。 一 一 图1 1 改进前砖垛状态 图 图1 2改进后砖垛状态图 图 1 3 是在 不同速度下改进前后砖垛稳 定性 的 比较 ，可 以看 出改进后的砖垛在运动状 态突变 时 比原有砖垛稳定性好，改进前砖垛在2 0 m／ mi n 下开 始不稳定 ，而改进后砖垛却 很稳定，砖坯不 易掉 【 下转第1 2 8 页】 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 4 下 [ 1 2 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 采用安全 系数n 判断骨架强度是否满足要求， n o ／ 6。 1 因驾驶 室骨架材料为 1 6 Mn ，其 屈服极 限 3 5 0M Pa。 经计算可得 四种 工况下驾驶 室骨架安全系数 如表5 所示 。 表5 四种工况下安全系数 工况 弯 曲 扭转 顶压 正碰 安全系数 6 ． 7 5 6 ． 8 3 3 ． 5 4 4 ． 9 7 由上表结果可以看出，该驾驶室骨架总体安全 系数较高，上述四种工况中，顶压情况下安全系数 最低，为3 ． 5 4 ，但已大于 1 ，其值满足安全要求。 由于驾驶室蒙皮对驾驶室骨架 强度具 有加 强 作用 ，加上驾驶室蒙皮后车身的安全系数将 比上 述四种工况计算结果更高 。 2 刚度分析 驾驶室骨架 刚度对其 强度有影 响，若 前围或 顶盖部位 刚度不足 ，则会导致局部变形过大 ，从 而影响驾驶室骨架强度。 由计 算结果可 以得出，驾驶 室骨架最大位移 在2 ． 7 7 ． 3 2 间，其 整体 刚度 尚可 ，只是在正碰 工况下前 围少数部件变形量略高 ，但在允许范围 内。所 以，此骨架式重型货车驾驶室静动态特性 均满足 实际工况需要 ，而在各种工 况下变形量均 较小，有较好的抗变形能力。 4 结论 建立 了重型货车 驾驶室骨架模型 ，并利用有 限 元分析软 件ANS YS 对该骨 架式重 型货车 驾驶 室模型进行动态分析 ，得 出该模型不 易与各种激 励源发生共振 ，有较好 的动 态特性 ；通过对其扭 转 、弯 曲、正碰 、顶压工况下静 力分析 ，得到各 个工况下 的应力与位移 。并计算 出各工况下 的安 全 系数 。通过 与允许值相 比较 ，其安全 系数 与最 大变形量均在允许范 围内。得到该骨架式驾驶室 有较好 的刚度特性 ，在 发生正碰 、侧 翻等剧烈工 况时有较小 的变形量 ，可 以有效地减 少对驾乘人 员的伤害。 参考文献 【 1 】王志超， 何洪军， 于多年， 等． 框架式货车驾驶室开发研究 【 J ] ． 汽车技术， 2 0 1 1 1 1 4 2 6 3 3 ． 【 2 】唐波， 蒋晓春， 马东． 重型卡车高顶驾驶室顶部压溃设计与 研 究【 A】 ． 中国汽车安全技术 国际研讨 会论 文集【 C 】 ， 2 0 0 7 ． [ 3 】钱立军， 董金富， 吴阳年． 轻型卡车驾驶室顶盖和后围安 全性仿 真【 J 】 ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 8 5 6 5 6 6 ． 【 4 】朱秀娟， 谭庆 亮． 重卡驾驶室 结构优化顶盖静压仿 真分析 『 J ] ． 科 学技 术与工程 ， 2 0 1 0 ， 1 0 1 6 4 0 7 1 - 4 0 7 4 ． 童‘ 重● ● 重‘ {矗‘出． 童‘出． 童‘ 重I 鑫● {矗‘ 矗‘ {童‘ 矗‘ 蠡● 盘● {蠡‘ {重‘ 童● 童‘ 矗● j矗I ‘ 【 上接第1 2 5 页】 落 ，改进后砖垛到4 0 m／ mi n 都很稳定，足以满足对 砖坯的养护运输要求。 图1 3 改进前后砖垛稳定性图 4 结论 为了提 高码垛 层数 ，减少码垛 过程中对砖坯 的损伤 ，提 出了一种可方便实现砖坯偏转 的气动 膜 片式夹持装置 ，通过对原理分析 、结构设计 、 气动膜 片变形过程 的有限元分析 ，证 明气动膜片 [ 1 2 8 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 4 下 式码垛机夹持装置夹持效果 良好 ，改进后砖垛隔 层产生偏转实现交错排列 ，不仅使砖垛 在运输养 护过程 中保持很好的稳定性 、可靠性 ，而且可 以 增加码垛层数 ，大大提高了养护空间的利用率 ， 提高 了效率 。 参考文献 【 l 】于传浩， 章涤峰． 一种气动机械手夹持机构的设计【 J 】 ． 液 压气动与密封， 2 0 0 3 5 ． 【 2 】刘锋 ， 朱艳 峰， 李 丽娟 ， 黄小 清 ． 橡 胶类 材料 大 应变 硬化 的本构关 系【 J 】 ． 华南 理工大 学学报 自然科 学 版 ， 2 0 0 6 ， 3 4 4 ． [ 3 】F l u g g e W ． Vi s c o e l a s t i c i t y [ M】 ． Ne w Yo r k S p r i n g e r Ve r l a g ， 1 9 7 5 ． 【 4 】袁春元， 周孔亢， 吴琳琪， 安登峰， 王国林． 空气弹簧橡胶气 囊的结构分析方法宰[ J 】 ．机械工程学报， 2 0 0 9 ， 4 5 9 ． [ 5 】闫志明， 姚平喜． 气动膜片夹持装置膜片的有限元分析 【 J ] ． 建筑砌块 与砌 块建筑， 2 0 0 9 0 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m