稱重傳感器清洗機機架優(yōu)化設計

王軍利， 馮博琳， 張文升， 李托雷， 雷 帥

(1.陜西理工大學 機械工程學院， 陜西 漢中 723000；2.西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

稱重傳感器的設計隨著使用需求的不斷變化，其外形設計的越來越復雜，從而給稱重傳感器相關工裝夾具的設計提出了更高的要求[1-2]。稱重傳感器在制造過程中其表面難免存在一定的油污及灰塵，目前，在包裝出廠前主要靠人工來清掃灰塵及油污，勞動強度大且工作效率低，因此，設計一種自動化稱重傳感器清洗輔助裝置很有必要。在稱重傳感器加工輔助裝置設計研究領域，戴俊平等[3]設計了一種稱重傳感器誤差標定裝置托盤提升裝置，王慶梁等[4]設計了一種大量程四角誤差標定機并對其進行了動態(tài)特性研究。王豪杰等[5]對稱重傳感器四角標定裝置的控制系統(tǒng)進行了設計和研究。機架作為稱重傳感器清洗機的關鍵部件之一，其性能好壞將直接影響稱重傳感器清洗機的工作可靠性。

目前，在實際工作環(huán)境中現(xiàn)有的稱重傳感器清洗機機架質(zhì)量較大，不方便搬運。本文運用有限元分析軟件ANSYS Workbench對現(xiàn)有的稱重傳感器清洗機機架進行變形分析、應力分析，之后利用優(yōu)化設計模塊對稱重傳感器清洗機機架進行輕量化設計。

1 稱重傳感器清洗機組成及其工作原理

借鑒國內(nèi)外相關裝備的設計經(jīng)驗，本文設計的稱重傳感器清洗機機架參照機架設計準則[6]，稱重傳感器清洗機機架的設計從使用工況、剛度、強度等多方面進行考慮，具體的設計原則如下：

(1)首先機架的設計應使其表面不得有礙安裝其他零部件，并且滿足人機工程要求。經(jīng)過人機工程學理論分析，最終設計的稱重傳感器清洗機機架長630 mm，寬452 mm，高1800 mm。

(2)本文機架的制造材料采用Q235方鋼焊接而成，初始方鋼規(guī)格選擇為60 mm×60 mm×8 mm，在機架受力較大部位設計有加強筋。

1.機架 2.氣缸 3.手輪 4.壓緊裝置 5.滾刷 6.傳動鏈條 7.電機 8.調(diào)平裝置 9.氣缸 10.法蘭盤 11.稱重傳感器 12.螺釘圖1 稱重傳感器清洗機整體布局圖

圖2 方鋼的截面尺寸

圖3 托架有限元模型

(3)設計的稱重傳感器清洗機機架在使用過程中受到電機以及有可能產(chǎn)生的外界沖擊載荷，在上述情況下機架上任意點的應力都不應大于機架制造材料的許用應力，不應使機架結構強度發(fā)生破壞。稱重傳感器清洗機組成如圖1所示。

其基本工作原理如下：先將稱重傳感器放置到傳送帶上，轉動手輪使上下滾刷將稱重傳感器固定，啟動電機通過鏈條傳動帶動傳送帶移動，與此同時上下滾刷對稱重傳感器上下表面的灰塵、油污進行清掃，當稱重傳感器運送到氣缸下部時，最后再利用上下氣缸的高壓氣體對殘留的污漬進行吹洗，之后人工檢查稱重傳感器清洗效果是否達標。

2 機架的參數(shù)化建模與有限元靜力學分析

機架作為稱重傳感器清洗機的核心元件，在長期工作過程中，需要承受電機、氣缸的沖擊載荷以及受機械應力或其他應力作用，會產(chǎn)生疲勞破壞，其性能好壞將直接影響稱重傳感器清洗工作的可靠性，因此有必要對其進行結構靜力學分析。

2.1 參數(shù)化機架模型

在對稱重傳感器清洗機機架進行優(yōu)化設計時，首先要建立其參數(shù)化三維模型。本文采用了三維軟件ProE來建立稱重傳感器清洗機機架的參數(shù)化三維模型，具體建模是將方鋼的長度、厚度尺寸參數(shù)化[7]。方鋼的截面尺寸示意圖如圖2所示。

2.2 有限元靜力學分析

有限元分析時將建立好的三維模型另存為igs通用格式文件導入到有限元軟件ANSYS Workbench中，對機架進行材料屬性的定義，材料選擇Q235方鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 材料參數(shù)

網(wǎng)格劃分時采用自動網(wǎng)格劃分法，并設置Relevance(相關性)為100，設置Relevance Center(相關中心)為Medium(中等)，劃分好的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

劃分好的有限元網(wǎng)格模型共有66 173個節(jié)點和38 896個單元。網(wǎng)格劃分完成后在Static Structural中對機架底部添加Fixed Support(固定約束)，機架整體施加Inertial Standard Gravity(重力加速度)，氣缸安裝部位施加Force(力)大小為1000 N，方向垂直于氣缸安裝表面向下，在設置完約束和載荷邊界條件后，經(jīng)過ANSYS Workbench進行計算得到機架的總變形量和應力值，其分析結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，機架的變形主要集中在上部氣缸安裝部位，變形量最大為0.262 03 mm；機架的最大應力也發(fā)生在上部氣缸安裝部位，其值為33.692 MPa。從機架變形、應力云圖上整體來看機架大部分變形值、應力值都較小，因此稱重傳感器清洗機機架結構設計合理、使用安全性高。

(a) 變形云圖 (b) 應力云圖 圖4 機架的變形、應力分布云圖

3 機架的優(yōu)化設計及優(yōu)化結果分析

在對稱重傳感器清洗機機架優(yōu)化設計時以減小機架質(zhì)量為優(yōu)化目標，以機架材料不發(fā)生強度破壞為邊界條件，根據(jù)實際稱重傳感器清洗機使用環(huán)境設置機架的尺寸變化范圍為40 mm≤DS_L≤80 mm，4 mm≤DS_T≤16 mm，優(yōu)化設計時算法選擇ANSYS Workbench下的多目標優(yōu)化求解方法[8-10]。經(jīng)過仿真分析得到了方鋼截面尺寸參數(shù)與輸出參數(shù)機架質(zhì)量、變形、應力之間的關系，分別如圖5—圖7所示。

(a) 機架質(zhì)量與方鋼壁厚變化曲線 (b) 機架質(zhì)量與方鋼橫截面寬度變化曲線圖5 機架質(zhì)量與方鋼壁厚、橫截面寬度之間變化曲線

(a) 機架變形與方鋼壁厚變化曲線 (b) 機架變形與方鋼橫截面寬度變化曲線圖6 機架變形與方鋼壁厚、橫截面寬度之間變化曲線

(a) 機架應力與方鋼壁厚變化曲線 (b) 機架應力與方鋼橫截面寬度變化曲線圖7 機架應力與方鋼壁厚、橫截面寬度之間變化曲線

從圖5中可以看出，機架的質(zhì)量隨方鋼壁厚(DS_T)和方鋼橫截面寬度(DS_L)的增大而增大。因此，為了減小稱重傳感器清洗機機架的質(zhì)量，可以適當減小方鋼壁厚和方鋼橫截面寬度。從圖6中可以看出，機架的變形隨方鋼壁厚(DS_T)和方鋼橫截面寬度(DS_L)的增大而減小，并且變化幅度逐漸減小。因此，適當?shù)脑黾臃戒摫诤窈头戒摍M截面寬度可減小機架的變形量。從圖7中可以看出，機架的應力隨方鋼壁厚(DS_T)的變化趨勢：機架的應力先隨著方鋼寬度(DS_L)的增大而減小，當方鋼壁厚為13 mm時機架應力值達到最低，之后機架應力隨著方鋼壁厚的增加而增加。機架的應力隨方鋼截面寬度(DS_L)的變化趨勢：架應力隨著方鋼橫截面寬度(DS_L)的增大而減小，并且變化幅度逐漸減小。

優(yōu)化后，稱重傳感器清洗機機架的方鋼壁厚(DS_T)尺寸為9 mm，方鋼截面寬度(DS_L)為44 mm。經(jīng)過對機械制圖手冊[11]中有關方鋼規(guī)格選型內(nèi)容進行研究，最終確定稱重傳感器清洗機機架方鋼截面尺寸參數(shù)為：方鋼壁厚(DS_T)10 mm，方鋼截面寬度(DS_L)40 mm。按照優(yōu)化后的方鋼截面尺寸對模型進行再生，再次進行有限元靜力學分析，其結果如圖8所示。

(a) 機架變形云圖 (b) 機架應力云圖 圖8 優(yōu)化后機架的應力、變形分布云圖

圖8為優(yōu)化后稱重傳感器清洗機機架的變形和等效應力分布云圖。從圖8(a)中可以看出，機架的最大變形發(fā)生在氣缸安裝部位的端部，最大的變形量為0.362 mm。從圖8(b)中可以看出，機架整體的應力分布較為均勻且整體應力值較小，并且氣缸安裝部位出現(xiàn)了較大的應力，最大應力值達到了51.59 MPa。而本文研究的機架材料為Q235方鋼，它的最大屈服極限為235 MPa，最大應力值小于屈服極限。因此，優(yōu)化后的稱重傳感器清洗機機架靜強度和靜剛度均滿足實際工作要求。

從表2中可以看出，優(yōu)化后的稱重傳感器清洗機機架最大變形有所增加，機架最大變形幅值增加了23%；機架最大應力有所增加，最大應力達到了51.59 MPa，機架質(zhì)量減小了19.17%。其剛度和強度仍然滿足設計要求。

表2 優(yōu)化結果對比

4 結 論

經(jīng)過對稱重傳感器清洗機機架的靜力學分析及優(yōu)化設計，可得到如下結論：

(1)根據(jù)實際稱重傳感器清洗要求，有限元分析時首先根據(jù)實際情況進行了載荷和邊界條件的定義，之后對稱重傳感器清洗機機架進行了有限元靜力學分析，發(fā)現(xiàn)機架最大應力、最大變形發(fā)生在氣缸安裝部位，且最大應力值遠遠小于Q235方鋼的抗拉強度，安全裕度較大，機架的強度和剛度均滿足要求，說明稱重傳感器清洗機機架設計可靠性高，滿足設計要求。

(2)運用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的優(yōu)化設計模塊對稱重傳感器清洗機機架進行了輕量化設計，得到了機架方鋼截面尺寸參數(shù)與機架質(zhì)量、變形、應力之間的關系，為機架方鋼截面參數(shù)的選擇提供了理論參考，利用有限元仿真分析方法對稱重傳感器清洗機機架進行優(yōu)化，有利于減小機架設計、試驗成本。

(3)經(jīng)過優(yōu)化設計模塊計算分析，最后得到了最優(yōu)方鋼截面尺寸參數(shù)為方鋼壁厚10 mm，方鋼截面寬度40 mm。優(yōu)化后稱重傳感器清洗機機架的最大變形有所增加，最大變形幅值增加了23%，最大應力增加了53%，機架質(zhì)量減小了19.17%，其靜剛度和靜強度均滿足使用要求。

綜上所述，本文的研究可為同類型的裝置優(yōu)化設計提供一定的工程借鑒。