基于齿盘旋转及四边导轨升降装置的高位肥料叠包设备有限元分析及结构仿真

张子军，张炳超，陈朝旭，张文学，陈莹莹

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630；3.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510555）

0 引言

当前工业机器人在国民工业生产的多领域当中得到广泛的运用，对提高生产率和产品质量等各方面起着重要的作用，机器人当中的叠包机器人将更多应用于物流等产业链[1]。相比传统的人工叠包码垛，码垛机器人占用作业空间小，工作效率高，只要把它放在合适的位置就可以同时负责多条生产线的码垛作业，而且对于不同的负载通过调整对应的控制参数，就能实现不同负载的码垛作业，在其智能的属性下使工作变得简单高效[2]，尤其是集机械本体、计算机控制、传感技术、人工智能等多学科为一体的智能化码垛技术装备[3]。但上述叠包码垛机器人，尤其是高位码垛机器人都存在物料叠包码垛时托盘不稳及抓齿或托盘错位的问题，鉴于此，有必要研制基于齿盘旋转及四边导轨升降装置的肥料叠包码垛设备。

当前肥料行业应用的码垛机器人以美国和日本制造的为主，其中美国研发技术水平最高，日本则是应用较早及较为成熟的国家，欧洲以德国、瑞典的技术发展最具特点且品质较好[5]。体现为3种模式即欧洲模式、美国模式和日本模式[6]，总的来说，国外码垛机器人的特点为各品牌系列型号多、负载范围广、工作范围大、轴数集中、动作速度快[7]。由于价格高昂，国内应用码垛设备和机器人受到限制,只在部分经济实力雄厚的企业中得到了应用[8]。近年来在国家相关调控、政策以及市场需求支持下，国内码垛机器人技术得到质的提升，发展变得迅速[9]。本文针对现有肥料叠包码垛设备的托盘升降机构存在叠包码垛时存在托盘摇晃、托盘旋转错位等问题，采用在托盘升降装置四角设置导轨，让框架沿着导轨做上下滑动，从而解决了肥料叠包时托盘不稳的弊端。通过采用伺服电机匹配减速机构带动直齿大齿盘来带动托盘旋转，解决了现有普通托盘在上下升降叠包时旋转迟缓或错位的弊端。

1 肥料叠包及码垛要求

由于肥料企业实际生产当中成品包装的肥料以散装肥料和颗粒肥料为主，其包装一般是采用40 kg～50 kg 的包装规格，要求肥料叠包码垛时肥料边角对齐，层叠之间必须咬合，不能松散，否则会出现塌包和掉落现象。码垛的肥料必须牢固、定量、整齐、方便叉车进行堆放和运输。

一般的有机肥或无机肥包装袋尺寸如表1 所示。

表1 肥料包装袋规格

1.1 肥料托架

通常情况下肥料托架的尺寸为160 cm×140 cm×14 cm（长×宽×高），平面面积约2.24 m2，可以满足每层5～6 包平铺码垛，如图1 所示。

图1 肥料托架尺寸

1.2 肥料码垛方式

采用5 包肥料叠包码垛方式为3 并2 横交错层叠方式，采用6 包肥料码垛方式为3 并2 排交错层叠方式，如图2 所示。

图2 肥料码垛方式

上述2 种码垛方式是肥料生产企业应用的叠包码垛机器装备通用的码垛方式，具有定量、整齐，高效的优点。

2 肥料叠包设备的总体设计

根据肥料企业实际生产需求，肥料叠包时要求叠包设备具有货物自动码放功能、物品输送功能、托盘升降功能、托盘自动进给功能[10]。当前机械设计中的模块化设计是现代机械设计当中应用最广泛的设计方法[11]，鉴于此，肥料叠包设备要实现自动码放功能、物品输送功能、托盘升降功能、托盘自动进给等功能，必须包含叠包主体机、PLC 可编程自动控制器、传感系统、液压系统等功能模块，如图3 所示。

图3 肥料叠包设备

叠包主体机由进料皮带机、快速皮带机、落包分配装置、旋转托盘及液压升降装置、托盘输送装置等部分组成，前端快速皮带机将袋装物料送入快速皮带机里，快速皮带机把肥料抛送到落包分配器的托盘中，落包分配器由PLC 可编程自动控制器控制，负责将袋装物料定位投放到旋转托盘里进行定位码垛。PLC 可编程自动控制器结合光电传感器和限位控制器，实现落包分配器和托盘旋转的时序叠包、液压升降和托盘输送等自动控制，如图4 所示。

图4 肥料叠包主体机

3 托盘升降框架的仿真分析

肥料叠包机在叠包作业过程中，托盘升降框架是上下做升降运动的，其升降油缸输出的推力是连续变化的，当托盘升降框架处于最初开始落包位置也就是最高位置时，升降油缸此时输出的推力最小。当托盘升降框架叠满肥料时，也就是托盘升降框架处于最低位置，升降油缸此时的输出推力最大，在设计最大载荷下，升降油缸的最大压力不仅影响到铰接位置的刚度和强度，同时也对后续液压系统的设计和托盘升降框架的稳定性有影响[12]，因此，为满足肥料叠包机实际叠包作业需求，本文对托盘升降框架的结构及升降油缸的工作推力进行模拟分析。

导轨升降装置中的托盘升降框架在升降过程中的机构简图如图5 所示。托盘升降框架和升降油缸链接，最高点为b，最低点为a。托盘升降框架内部长2 500 mm，宽1 209 mm。升降油缸和4 根框架支撑柱子底端固定，在Inventor 动力学分析模块中本文设定A 点作为坐标原点，托盘升降框架上下运动的距离h1和承托的质量由升降油缸沿着AB 垂直方向的分量决定[13]。在模拟过程中，a、b的取值h1和h2受到升降油缸最大推力和结构限制。

图5 托盘升降框架机构简图

本文基于Inventor 三维软件对托盘升降框架进行建模，并对托盘升降框架在升降过程进行模拟干涉检查，避免发生干涉且满足肥料叠包承重和高度为前提，设定h1=1.545 m，h2=0.300 m。当托盘升降框架处于最高和最低位置时，升降油缸结构满足升举与下降需求，没有发生干涉。

运用Inventor 三维软件对托盘升降框架空载状况进行建模，如图6 所示。基于Inventor 搭载的动力学分析模块对空载状态下的升降油缸在最高位置的初始推力变化进行分析，随着时间推移，肥料落下叠包，托盘升降框架在下降过程中逐步增加负重后，从最高处b下降到最低端a的过程中，此时升降油缸的推力逐渐升高，如图7、图8所示。

图6 空载初始状态Inventor 仿真过程

图7 负载状态升降油缸推力仿真过程

由Inventor 软件搭载的动力学分析模块的输出图示器得到升降油缸输出推力仿真变化曲线，如图8 所示，包含叠包作业时托盘升降框架从最高点b 处开始叠包至最低点a 处叠包完成下降过程的受力，可知随着时间的变化，托盘升降框架下降时，升降油缸的推力呈线性增加。最大推力出现在托盘升降框架位于最低端处，约为28.557 kN。

图8 升降油缸下降过程推力变化曲线

通过Inventor 搭载的仿真模块分析可得到升降油缸满足叠包作业所需的推力的最小值F=28.557 kN，即要使托盘升降框架和载重肥料上下平稳运动，选型升降油缸的推力必须大于28.557 kN。

4 基于Inventor的导轨升降装置结构强度有限元分析

由于导轨升降装置中的托盘升降框架是整个肥料叠包设备里最关键的承重装置，本文利用Inventor里的应力及有限元分析模块对托盘升降框架进行静应力和有限元分析。

4.1 托盘升降框架的材料设定

考虑到肥料包装规格较重，一般是40～50 kg的包装规格，采用1 层叠5～6 包，共叠8 层，约1.6～2.4 t 的叠包承重现实，设计过程中预留20%的阔余量，本次设计取2 900 kg 最大承载量，则可知承载质量G=2 900×9.8=28 420 N。

托盘升降框架两边设计为150×100×5/Q235-A规格的矩形管，装置提升处规格为钢板16/Q235-A材质的钢板。在Inventor 软件应用环境里，设定材质如表2、图9 所示。

图9 托盘升降框架材质设定

表2 矩形管材料性能

4.2 导轨升降装置的模型设计

运用Inventor 软件对肥料叠包设备的导轨升降框架进行三维建模，规格为2 360 mm×1 140 mm×170 mm，如图10 所示。

图10 托盘升降框架三维模拟图

4.3 导轨升降装置的有限元分析

通过上述的托盘升降框架承担最大约2 900 kg的肥料。则其受力主要分布在图11 中A 处2个升降油缸提升点向上的28 420 N 举升力和B 处托架梁向下的28 420 N 压力处。

图11 托盘升降框架受力分布图

设定网格平均元素大小为0.1，其网格分布如图12 所示。

图12 托盘升降框架网格分布图

为保证肥料叠包机满足叠包作业的承重要求，首先需根据架体材料和强度确定最大负载[14]，升降过程中的最大负载为装载满负荷时架体到最低端状态时的临界值，借助Inventor 有限元分析构件对导轨升降装置中的托盘升降框架平台结构进行肥料叠包负载状态位移、应力和安全系数分析，从而确定在最大负荷状态的负载值，托盘升降框架的结构受力仿真过程如图13 所示，在托盘升降框架上下运动区域内，本文设定最大负载为2 900 kg，并对最大负载进行仿真，当施加的载重接近2 900 kg 时，应力最大值出现在托盘升降框架横梁四角处，约为69.4 MPa，此时横梁中心形变位移将达到0.464 8 mm；其中最大位移形变出现在液压提升点处，达到0.619 8 mm；但不影响结构安全，同时安全系数位最低点6ul 出现在升降装置侧边16 m钢板处，由于托盘升降框架采用的矩形管梁架屈服极限为235 MPa，是Q235-A 规格，可以满足要求。但如继续增加负载，可能会导致升降框架严重变形或破裂从而失效，通过上述分析，证明采用150×100×5/Q235-A 规格的矩形管和16/Q235-A 材质的钢板制作托盘升降框架能满足最大载重2 900 kg 的极限值需求。

图13 托盘升降框架结构受力仿真过程

5 结论

当前，国内肥料设备生产制造厂家，对肥料包装生产线只做到把物料缝包好为止，至于后续的叠包、搬运、仓储和管理工作，则完全由搬运工人来完成，会严重阻碍肥料生产企业的成品包装效率和运转仓储，无法满足肥料生产企业提高生产率和提升仓库容量及周转率的现实需求；现有的肥料叠包装备主要是借用食品业、陶瓷企业及制砖企业用的叠包码垛设备，由于肥料包装规格较重，一般是40～50 kg 的包装规格，采用1 层叠5～6 包，共叠8 层约2.4 t 的叠包规格，导致普通的叠包机作业时其托盘升降机构在叠包时出现摇晃和倾斜情况，在交错码放肥料时出现迟缓和码放错位等状况，严重时会导致塌包、叠包错位。

因此针对肥料叠包研制一种基于四边导轨及齿盘旋转升降装置的肥料叠包设备设备，可解决肥料叠包过重，托盘升降装置容易摇晃不稳的问题。利用Inventor 软件内搭载的应力及有限元分析模块对托盘升降框架进行应力和应变的有限元分析，验证托盘升降框架能满足最大载荷为2 900 kg；通过Inventor 软件搭载的动力学分析模块对托盘升降框架的进行升降仿真试验分析，优化了整体结构参数，验证了液压系统选型和设计，完善了整机结构设计，解决了托盘旋转迟缓、容易码放错位等问题，为肥料叠包机核心部件的研制提供了依据。