一种棉花离线打包系统的设计

赵子豪, 姚 庆

(南通大学机械工程学院,江苏 南通 226019)

棉花打包机是棉花加工线上的末端设备系统,其功能是压缩皮棉并捆扎成包,然后将棉包传送出打包车间。一条棉花加工线有数台轧花机,但只配一台棉花打包机。现有的棉花打包机生产线针对自动化生产的需求只能做到“捆扎带在内,包装在外”的打包方式[1]。但是,近年来随着国家政策的改变,我国新疆地区均采用“捆扎带在外,包装在内”的打包方式[2],而现有的棉花生产线并不能实现其自动化生产要求。

针对此缺陷,本文设计优化棉花打包设备并精心设计了一种棉花离线打包方法,使其能够对棉包以包裹包的形式进行自动打包并出库。同时用SolidWorks 2017等软件设计出该棉花打包生产设备组,在此基础上合理简化三维模型[3]。棉花离线打包系统的关键机械设备是运输机械手。本文以运输机械手的夹持器和手臂关节作为研究对象,采用有限元分析法进行轻量化设计,以期优化机架结构,降低生产成本[4]。同时,对轻量化部件的结构强度进行仿真模拟分析,以防止夹持器和手臂关节由于外部载荷超过材料极限强度出现结构破坏。

1 离线打包系统设计

在棉花打包生产线中,本离线打包生产“裹包”(即先包装后捆扎,捆扎带在包装袋的外面)过程设计如下:

(1)物料(棉纤维)经滑棉道流入喂棉装置内,送棉油缸(前端安装推棉板)将物料推入前端,预压油缸下端的踩板将物料压入棉箱;预压下行到位后,送棉油缸后退;送棉油缸后退到位后,预压油缸后退(向上),完成一次预压送棉循环。

(2)预压送棉多次循环将物料压入棉箱,棉箱内的棉纤维的重量达到217～237 kg,用于重量计量的压力继电器发出讯号;预压送棉动作停止,打包机开始提箱,转箱;转箱之后,空箱转到预压一侧,继续进行预压送棉循环,同时有物料棉箱转到主压一侧。

(3)主压机构(两只主压油缸带动压头)下行压缩物料,速度由快变慢,将物料高度压缩至490～500 mm时停止。

(4)脱箱油缸(两只)上行将棉箱升起(升起高度为980 mm)。

(5)运输机械手按照指定指令工作,展开夹持器,伸入打包机压缩部分的指槽里。

(6)运输机械手收缩,完成夹持动作,打包机压头开始抬升。

(7)运输机械手夹持压缩原棉层叠体抽出,转向,同时棉布吸附机械手开始工作。

(8)棉布吸附机械手将棉布包铺设至指定位置。

(9)运输机械手伸入压缩机械上下压头凹槽处。

(10)压缩机械上压头运行,将压缩原棉层叠体压至指定位置。

(11)运输机械手展开,抽出压缩机械。

(12)机械手抽出后,压缩机械顶部四周有包裹辊子,辊子随着上压头向下压缩,使棉布包裹住棉块,底部压头四周亦有12根包裹辊子,包裹辊子向上抬升,将棉布包裹住;上层棉布长于棉块的一半,底层棉布长度为棉块的一半;上压头包裹辊子长于下压头包裹辊子;压缩过程中,上压头周围辊子先完成包裹动作,完成后继电器驱动下压头辊子完成包裹动作。

(13)操作人员触发捆扎机动作,捆扎机自动完成穿带、切断、焊接后,自动退回原始待机位置。

(14)接运小车将包裹包运输至仓库。

图1所示为一种棉花离线打包系统,包括沿着流水线工位顺次排布的打包机、压缩包裹机构、捆扎机以及接包小车。在打包机与压缩包裹机构之间布设棉布吸附机构和运输机械手,位于打包机与压缩包裹机构之间的棉布吸附机构将底层棉布铺设至压缩包裹机构内指定位置,打包机在运输机械手辅助下,将棉花压缩形成原棉层叠体后将其夹取放置在铺设底层棉布的压缩包裹机构内;在压缩包裹机构和捆扎机之间同样布设一个棉布吸附机构,其将顶层棉布铺设至压缩包裹机构内指定位置,压缩包裹机构启动后,同时进行压缩与包裹操作;其中,打包机向棉花施加的力与运输机械手辅助时施加的力形成垂直关系,且运输机械手的施力端与打包机压缩端结构匹配。棉花离线打包流程图如图2所示。

图2 棉花离线打包流程图

2 静力学分析

2.1 三维建模与材料定义

如图3所示,棉花离线打包系统包括打包机[7]、运输机械手、棉布吸附机构1、棉布吸附机构2、压缩包覆机械、捆扎机、接包小车及控制系统。据使用工况和结构特点,棉花离线打包系统中,运输机械手完成夹持运输工作是直接影响棉花打包生产效率的关键。其上的夹持器是支承压缩棉花过程的主要部分,其强度、刚度对运输机械手能否完成压缩过程影响巨大。运输机械手的夹持器需要在减轻自重的同时具有强度高、风阻载荷小、装拆方便、承受载荷能力强等优点。为此,从现代设计理念中,夹持器外端采用由圆形型材构成的结构,总风力系数要小于直边型材构成的结构,夹持器工作方式为左右行进夹持,棉花在压缩过程中由于抵抗压缩力,极易回弹,其弹力主要集中于正面,对夹持器来说棉花压缩过程中的压缩力主要表现为正压力,因此采用水平行进压缩的楔形滑块机构可以最大程度上解决棉花压缩过程中回弹的问题,但是正面的压力对夹持器的爪齿的强度有着极高要求,当棉花压缩过程中由棉花回弹引起外部载荷超过夹持器材料极限强度时会导致其发生形变甚至断裂而无法完成夹持任务。

图3 棉花离线打包系统布局示意图

手臂关节是运输机械手能否完成运输动作的关键,其强度、刚度对运输机械手能否完成运输过程影响巨大,当棉花压缩过程中,由夹持器、楔形滑块驱动机构、压缩原棉层叠体的自重引起外部载荷超过关节材料极限强度时会导致手臂关节发生形变甚至断裂。

同时,考虑到运输机械手制造加工、组装、运输以及臂的长度调整的方便性,如图4所示,通过三维建模软件创建运输机械手的结构模型。对其部件组成的组焊件部分,复杂细微的结构较多,需要优化的工艺细节较多,故建模过程中,像倒角、焊缝等细微的结构特征未加以细化[8]。这种方法更容易产生一个结构化的模型,同时还能改善运算的速度。运输机械手主体材料为合金结构钢材料(Q355B),其材料密度等属性的具体定义见表1。

表1 材料定义

图4 运输机械手三维Solidworks建模结构示意图

2.2 网格划分与载荷约束

(1)夹持器长1.4 m,单侧上、下各有8根爪齿;爪齿长0.75 m,高0.6 m,齿宽0.1 m,齿与齿间间隔0.06 m。将其组件均设计为U型结构,用于抵抗棉花回弹过程中竖直方向上的分力,大厚度(10 mm)可以增加夹持部件工作时的弹力承受能力,能够拥有更长的使用寿命。采用10 mm的网格划分,同时采用四面体网格的划分形式[9],生成的网格图如图5所示。

图5 夹持器网格划分

针对夹持器所受载荷,载荷施加方主要为夹持压缩棉花层叠体时,由于棉花回弹,夹持器爪齿受到正面压力作用。约束的添加方式是底部与侧面安装面均采用ANSYS工作台中自带的Fixed Supported固定支撑。棉花回弹过程中产生的正面压力计算如下:

棉花加工厂均采用额定压缩力≥4 000 kN (400 t)、生产的棉包包型尺寸为1 400 mm×530 mm×700 mm (长×宽×高)、棉包重量227±10 kg 的打包机。

当H=0.5时,其压缩力计算如下:

(1)

(2)

P压=P·S=39.97×140×53=2 966 kN

(3)

当H=0.7时,其压缩力计算如下:

(4)

(5)

P压=P·S=14.57×140×53=1 081 kN

(6)

棉包长度L=1.36 m,棉包宽度W=0.5 m,棉箱高度=2.65 m,最终压缩高度=0.5 m,棉包重量G定为230 kg,爪齿受力由如下计算可得:

棉包压缩至0.5 m时,所受最大压缩力为392 t。

此时爪齿受力:

(7)

棉包压缩至0.7米时,所受最大压缩力为108吨。

此时爪齿受力:

(8)

运输机械手夹持器受压面积为:

S=25 000×16=400 000mm2

(9)

棉块压缩过程中所受最大压缩力为3 920 kN,故夹持器爪齿在夹持过程中所受最大正向压力为:

(10)

对其进行Ansys静态压力分析,选取外框上下表面固定为支撑面,对其爪齿进行压力分析,所加压力位0.098 MPa,材料选取为合金结构钢。

(2)手臂关节同样采用10 mm的网格划分,同时选择自动网格划分形式,生成的网格图如图6所示。

图6 手臂关节网格划分

手臂关节前面所安装的夹持机构体积约为

V=905 850×1 600=1 449 360 000mm3

(11)

其材料结构钢的密度为ρ=7.80×10-6kg/mm3

故所述夹持机构的重量约为

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

(12)

因此关节处所受静态拉力为113 774.76 N,选取运输机械手连接夹持器关节处进行Ansys静态结构分析,向下施加一个大小为113 774.76 N的力,分析其受力的状态。

2.3 结果分析

通过ANSYS的计算求解得出负载下的夹持器和手臂关节的应力、位移云图,如图7～10所示[10]。由图7～10可知负载状态下夹持器承受的最大应力为5.59 MPa,其数值远小于屈服极限235 MPa,最大位移为0.001 7 mm。负载状态下手臂关节承受的最大应力为11.275 MPa,数值上远小于屈服极限235 MPa,最大位移为0.057 mm[11]。负载状态下的变形量对运输机械手的夹持器和转动关节的整体影响有限,即分析显示二者的应力冗余量都比较大[12],优化时可考虑降低运输机械手夹持器和转动关节的材料厚度,减轻部件的自重和降低其动力输出,从而更好地满足节能、低碳、环保的要求[13]。

图7 负载状态下夹持器应力云图

图8 负载状态下夹持器位移云图

图9 负载状态下手臂关节应力云图

图10 负载状态下手臂关节位移云图

3 结论

本文基于有限元法,以自设计的棉花离线打包系统中运输机械手的夹持器和手臂关节作为研究对象,在弹力负载状态下,进行结构受力分析。根据棉花压缩过程中会回弹的特性,压缩时,在保证工作部件结构安全的同时,对运输机械手进行轻量化的设计及优化。

本文采用有限元分析法以自设计的棉花离线打包系统中——运输机械手的夹持器和手臂关节作为研究对象进行轻量化设计,以期优化机架结构,降低生产成本[14]。同时,对轻量化部件的结构强度进行仿真模拟分析,以防止夹持器和手臂关节由于外部载荷超过材料极限强度产生结构破坏。对其进行有限元仿真发现其结构受力稳定,运输机械手夹持器在负载状态下其最大应力为5.59 MPa,而手臂关节负载状态下最大应力为11.275 MPa,均远小于机架材料定义的屈服极限235 MPa,说明机架材料应力余量较大,可进行轻量化[15]。

因此,本文通过有限元法对棉花离线打包的设备产品结构优化设计有重要借鉴意义,为打包机械——棉花离线打包设备的生产线的轻量化研制与改进,提供了缩短其设计周期的思路。