基于Solidworks和Ansys Workbench的摇臂机构的设计与仿真分析*

2015-06-11 00:45陈松

机械研究与应用 2015年2期

陈松

(1.兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;2.兰州博立睿达机电技术有限公司，甘肃兰州 730070)

0 引言

纸纱复合袋是一种采用新型制袋设备生产出的复合包装袋，大量使用于食品、建材、化工等领域，具有灌装方便、容量大、结实耐磨等特点。笔者所涉及的摇臂机构是适用于复合纸袋糊底机中的一个重要组成部分。它主要完成对新型纸纱复合袋糊底机托辊的支撑托起作用。复合纸袋袋筒表面凹凸不平，为保证对纸袋涂胶充分且不能使胶水污染袋筒表面，要求涂胶过程中涂胶机构对袋筒有较大的压力，使用托辊托起袋筒使复合纸袋涂胶充分且其他表面不受胶水污染。摇臂机构能否可靠工作直接影响到纸纱复合糊底机的产品质量。因此，基于Solidworks和Ansys Workbench对纸纱复合袋糊底机中摇臂机构的仿真分析，研究关键零部件的力学性能，为纸纱复合糊底机实际生产提供了理论支持。

1 托辊机构设计

根据技术要求，纸纱复合糊底机每分钟加工20条纸袋，在纸袋加工运行到托辊机构区域时，又根据纸袋样品，测得糊底完后袋底宽度为230 mm、未糊底前展开宽度为535 mm。摇臂机构材料选择为Q235A，材料相关参数如表1所列。

根据设计要求，初步设计摇臂机构中心距离为295 mm。现拟定使用气缸为动力源，因摇臂机构支撑起的负载载荷较大且具有一定的震荡冲击，为使气缸工作稳定、空压机能正常工作，设计摇臂机构为中间支撑，两端受力，且整体为杠杆结构。本设计中托辊机构的作用是托起纸袋与上方的涂胶辊筒紧密结合且通过涂胶辊筒的主动转动传送纸袋向下一工序运动，托辊部件从动转动。又因轴的单一支撑结构容易引起机械振动，且刚度不足，设计托辊机构为双支撑结构。若选用两端支撑方案，托辊机构尺寸太大，固定安装不便，故选用一端与中心支撑，一端为两端支撑［1］。如图1所示。

表1 材料性能参数

本方案采用两个深沟承与支球轴撑轴配合。通过焊接在摇臂组件上的套筒对轴承定位(如图2)。

刷胶辊筒距离工作台表面为30 mm，选定气缸行程为50 mm的薄气缸作为托辊机构的动力源，普通薄气缸的工作压力为0.4～0.6 MPa，初步选择薄气缸的型号为SDA50×50，通过气缸连接组件，气缸把动力传递到摇臂组件上。使用solidworks三维绘图软件，对设计进行三维绘图，得到托辊部件的质量，又因为所选气缸行程为50 mm，托辊部件上升30 mm且工作台厚度为8 mm，通过设计方案，可以确定摇臂组件水平长度及总体结构［2］，如图3所示。

图1 托辊支撑方式

图2 支撑轴处套筒配合

对已有设计进行校核计算，通过Solidworks软件对托辊部件进行质量检测，测得托辊部件质量为15.06 kg，通过公式 F=mg，S=F÷(0.7×1.01×106)，又 S=π×r2。通过摇臂机构的杠杆作用，计算出 r=0.001215，m=12.15 mm，为保证气缸工作稳定可靠，故选用缸径40 mm的薄气缸是合适的，所选薄气缸最总参数为40×50。

所确定的方案中，摇臂组件依靠两个轴保持其稳定性，在其支点处，因转动需求，支点处轴上需安装轴承，如图4所示。

图4 支撑轴轴承定位

图3 摇臂机构

2 托辊机构有限元模型的建立

对摇臂机构模型进行离散，建立机构的有限元模型，如图5所示，得到56 165个节点，27 109个单元。

图5 摇臂机构网格划分

对于载荷和约束的添加，按照如下原则进行:在摇臂机构的主动施力部位添加载荷，在摇臂机构的被动受力部位添加约束［3］。在摇臂机构的固定安装处添加固定约束，载荷根据规定要求分别添加，包括机构上部载荷及各吊座处的悬吊载荷。

3 机构静强度分析

根据摇臂机构的工作运动过程，在摇臂机构运动到其极限位置对该机构进行静强度分析。在静态应力分析前根据摇臂机构的使用条件，对固定支撑座施加固定约束，对安装板上的2个支撑座施加18 kN的力。然后对摇臂机构的总变形和应力进行求解［4］。如图6和7所示，摇臂机构中应力最大处为支撑轴支点处，材料许用应力为235 MPa，本设计符合材料要求，不会出现应力变形。

如图7所示，摇臂机构整体结构应变符合材料要求，满足设计要求。