基于Ansys 的升降式输送机升降机构的改进设计

秦野秋 孙东明 李仁军在有色金属行业中，输送机扮演着重要的角色。阴极铜全自动打包生产线通过机械自动化代替传统的人工生产，对铜板进行生产打包，极大降低了工人的劳动强度，降低了人工成本，满足了企业生产需求[1]。在阴极铜全自动打包生产线中，升降式输送机将包装作业的各个工序串联起来，形成一个完整的包装生产线。1 升降式输送机工作流程阴极铜全自动打包生产线包括铜板配重、对齐整形、平压整形、铜板称重4 个工序[2]，升降式输送机要将这4 个工序串联起来。输送机的下降功能使阴极铜进入加工工位，上升功能使阴极铜脱离工位，输送至下一个工位。升降式输送机的工作流程如图1 所示。图1 升降式输送机工作流程升降式输送机通过滚珠丝杠完成上升和下降的运动，通过链式传动完成运送铜板到达指定工位的运动，如图2 所示。升降式输送机在整个工作过程中，工作节奏较快，轴向载荷大，需要频繁启动和停止，且在启动和停止过程中径向载荷大[3]。1. 丝杠升降机 2. 链条 3. 链轮 4. 机图2 升降式输送机示意图由于升降式输送机完成整个工作流程时间为25 s，总轴向载荷约为30 kN，在频繁的启动和停止过程中对滚珠丝杠造成冲击。因此，本文提出一种升降式输送机升降机构的改进设计，在丝杠两边增加了辅助导向杆，并对改进前后的丝杠升降机进行对比分析。选用的滚珠丝杠参数见表1，改进后丝杠升降机如图3。表1 滚珠丝杠参数名称参数值图3 改进后丝杠升降机2 Ansys Workbench 有限元模型的建立与仿真2.1 升降式输送机及丝杠升降机三维模型的建立与导入因为本文的研究重点在于升降式输送机在启动过程中对丝杠升降机滚珠丝杠的横向冲击，所以在建立升降式输送机三维模型时进行了一些必要的简化，同时也方便后续的仿真分析。通过Pro/E 软件建立了升降式输送机简化后的三维模型如图4 所示，改进前丝杠升降机三维模型如图5 所示，改进后增加了导向杆的丝杠升降机三维模型如图6 所示，最后将模型转化为*.x_t 格式后导入到Ansys Workbench 软件中。图4 升降式输送机简化模型图5 改进前的丝杠升降机图6 改进后的丝杠升降机在三维模型导入Ansys Workbench 有限元软件后，定义丝杠升降机的材料为Q235 钢，其材料参数如表2所示。表2 材料参数2.2 定义接触类型Ansys Workbench 软件有4 种接触类型，分别是：绑定接触、不分离接触、无摩擦接触以及粗糙接触。在这4 种接触类型中，绑定接触和不分离接触是最基础的线性接触，其求解时仅需要迭代一次。无摩擦接触和粗糙接触是非线性接触，需要迭代多次[4]。本文中主要研究升降式输送机的升降机构在启动时的受力情况，对比改进前后的两种机构在启动时的受力变化，分析改进方案的可行性。因此，采用静态结构分析，将丝杠与螺母设置为绑定，其余接触均设置为不分离。2.3 网格划分Ansys Workbench 软件中，共提供了6 种三维模型的网格划分方法，分别是：自动划分网格、四面体网格、六面体网格、扫略网格、多重域网格以及Cut-Cell 网格[5]。本文将所有零件均定义为刚体。由于本文主要研究丝杠在升降式输送机启动时的受力变化，所以在保证仿真精度的前提下，为了缩短计算时间，提高仿真质量，通过Sizing 设置，将丝杠按5 mm 大小的单元格进行划分，而模型的其他部分采用Automatic 划分网格，如图7、8 所示。图7 改进前丝杠升降机的网格模型图8 改进后丝杠升降机的网格模型2.4 施加载荷及时间步长在升降式输送机启动过程中，输送启动时间越短，铜板速度极值越大。本文将升降式输送机启动过程中对丝杠横向冲击最大的时间段分为4 个时间点（0.5s、1 s、2 s、4 s），并确定了每个时间点所对应的加速度极值，见表3。加速度方向沿Z 轴正向。考虑丝杠升降机在实际工作中为动载荷，同时在轴向和横向受到载荷冲击，根据实际工况确定丝杠升降机的轴向载荷F AC为93.75 kN，横向载荷F LC 为5.25 kN。其中横向载荷施加方向与加速度同向，沿Z 轴正向。表3 启动时间点对应的加速度极值3 静力学分析在Ansys Workbench 软件中，完成材料定义、网格划分、驱动设置、接触定义等设置后，对加载后的模型进行仿真计算[6]。计算完成后，可通过后处理观察改进前后丝杠升降机中丝杠的总变形、等效应力等数据，分析改进的丝杠升降机是否达到预期效果，是否满足实际工况下的工作要求。通过仿真计算可以得到改进前后两种不同的丝杠升降机的Von-Mises 应力云图如图9、10 所示，TotalDeformation 图如图11、12 所示，数据值如表4 所示。图9 改进前丝杠升降机的Von-Mises 应力图10 改进后丝杠升降机的Von-Mises 应图11 改进前丝杠升降机的Total Deforma图12 改进后丝杠升降机的Total Deforma表4 丝杠最大变形量和Von-Mises 应力通过对比两个丝杠的等效应力变化图，可以发现改进前丝杠的最大应力为271.54 MPa，改进后增加导向杆的丝杠最大应力为26.544 MPa，在增加导向杆后丝杠的应力减小明显。改进前丝杠的最大变形量为0.046mm，增加导向杆后丝杠的最大变形量为0.038 mm，丝杠最大变形减小约0.01 mm。4 结论本文结合Pro/E 三维建模软件和Ansys Workbench有限元软件对升降式输送机的两种丝杠升降机三维模型进行有限元仿真分析，将升降式输送机启动过程的前4s 分成0.5 s、1 s、2 s、4 s 四个时间节点施加变加速度、轴向载荷及横向载荷，对比分析改进前后丝杠升降机Von-Mises 应力云图以及Total Deformation 图，证明增加导向杆的丝杠升降机可以更好地保护丝杠，增加丝杠的稳定性，从而提高丝杠升降机的工作寿命。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章台湾ABBA滚珠丝杠的设计注意事项新大陆旗下国通星驿涉12项违规 被央行罚没6971万2020年湖北经济划出“V形”上行曲线 GDP恢复到上年同期95%靠技术过上好日子（决胜全面小康·小家看小康（32））哈尔滨发布第22号公告！这些场所暂时关闭，人员聚集大型活动停止，大型聚餐活动一律取消

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