羅道堅(jiān)

（貴州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

流體灌裝機(jī)是利用流體泵和壓蓋機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)配合包裝容器在灌裝過(guò)程中沿輸送皮帶作圓周方向或者直線方向的等速回轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)來(lái)完成灌裝和封蓋的操作。旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)占地面積小、生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜難設(shè)計(jì)，尤其需要對(duì)主要零部件進(jìn)行受分析，保證剛度的同時(shí)減輕質(zhì)量，減少機(jī)械振動(dòng)，確保灌裝機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

1 旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)的工況分析

果醬、蜂蜜一類(lèi)的高黏度流體，通常使用罐裝瓶進(jìn)行存儲(chǔ)。采用灌裝機(jī)進(jìn)行流體罐裝至罐裝瓶中，其大致工作過(guò)程為：將流體灌瓶泵固定在罐裝瓶工位的上方，待流體罐裝完畢后，采用壓蓋機(jī)壓入（或通過(guò)壓蓋模將瓶蓋緊固）軟木塞或金屬冠蓋進(jìn)行封口[1]。罐裝設(shè)備利用間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位和鎖緊裝置，以實(shí)現(xiàn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)上的多工位停歇，確保轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)循環(huán)角度，能夠在轉(zhuǎn)臺(tái)停歇時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確和可靠地進(jìn)行灌裝、封口，完成灌裝、封口等工序同時(shí)進(jìn)行，并利用傳送帶將灌裝封口好的容器輸出工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)罐裝。

2 旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將容器進(jìn)行連續(xù)灌裝流體及封口的總功能，可將總功能分解輸入功能、轉(zhuǎn)臺(tái)的停歇功能、灌裝功能、夾緊功能、壓帽功能等功能，利用主要輸出功能機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能圖可構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣，以求出旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案，再根據(jù)各機(jī)構(gòu)的兼容性，各機(jī)構(gòu)的空間布置，類(lèi)似產(chǎn)品的借鑒和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)等[2]，選出最優(yōu)方案。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方案和功能時(shí)序分析，利用NX等CAD/CAE軟件進(jìn)行灌裝機(jī)的建模，建立包括操作室、進(jìn)料管、罐裝裝置、流水線、氣動(dòng)裝置以及防護(hù)裝置的果醬旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)整機(jī)模型，如圖1所示。

3 主要部件的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化

本設(shè)計(jì)利用NX完成灌裝機(jī)的工作臺(tái)（即底座）、壓蓋機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步利用NX進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和驗(yàn)證分析，獲得零件薄弱環(huán)節(jié)的信息，進(jìn)而針對(duì)性的通過(guò)形狀、尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化等優(yōu)化改善零部件結(jié)構(gòu)性能，大幅度提升其性能[3]。零件優(yōu)化的流程如圖2所示。

流水線上的工作臺(tái)，即底座，是罐裝機(jī)的重要基礎(chǔ)件，用于安裝轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)，放置罐裝瓶、連接支撐腿，底座的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性直接影響灌裝機(jī)的工作穩(wěn)定性和加工精度，要求其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠降低其他振動(dòng)干擾。

利用NX軟件進(jìn)行底座的三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)，底座結(jié)構(gòu)尺寸三維圖。選擇工作臺(tái)長(zhǎng)度、寬度、工作面的厚度為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮底座結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、質(zhì)量、工藝等因素確定其變量的變化極限區(qū)間，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)變量的變化界限Tab.1 The variation limits of design variables

底座上安裝有電機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)、罐裝瓶等質(zhì)量約40 kg的機(jī)械部件，同時(shí)傳遞罐裝瓶的轉(zhuǎn)臺(tái)上有1 600 r/min的周期性振動(dòng)。首先利用ANSYS對(duì)底座進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和拓?fù)浞治觯⒏鶕?jù)分析結(jié)果在NX中進(jìn)行底座的參數(shù)調(diào)整，即尋找結(jié)構(gòu)剛度的最佳分布或傳遞力的最佳方式來(lái)優(yōu)化目標(biāo)結(jié)構(gòu)的特定性能或減輕其質(zhì)量，如圖3所示。

根據(jù)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果在NX中對(duì)底座的進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，調(diào)整底座外形和尺寸，表2為優(yōu)化前后尺寸與性能對(duì)比。

從表2數(shù)據(jù)對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后，底座變形量減小11.22%，底座應(yīng)力提高10.05%，底座質(zhì)量減小了32.52%。

表2 優(yōu)化前后尺寸與性能對(duì)比Tab.2 Comparison of size and performance before and after optimization

4 總結(jié)

運(yùn)用NX軟件對(duì)底座進(jìn)行分析后，可以進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)據(jù)分析及結(jié)果驗(yàn)證，通過(guò)改變底座的結(jié)構(gòu)來(lái)增加其本身剛度和減少質(zhì)量，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的合理性。有限元分析方法解決此類(lèi)問(wèn)題相比傳統(tǒng)方法更加簡(jiǎn)單易行，值得在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)件優(yōu)化時(shí)借鑒。