装砖机四杆导向装置模态及瞬态分析

孙少强，杨荣松,2，张益铭，陈志亮

(1.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065) (2.重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

近年来，国内在烧结砖制砖工艺和装备上有了长足的进步，制砖设备的很多工序实现了机械化和自动化，制砖工艺也达到了较高的自动化程度[1]。然而，砖坯经隧道窑烧结成形后，成品砖装车仍主要靠人工手持砖夹装车，作业强度大、重复操作多且效率低。尽管有一些简单改装的夹砖、抱砖和装砖机，但多是通过人工操作手柄和电器开关来控制液压缸、气缸作业，或者是将叉车改装成带有夹砖和抱砖的装置来完成装车或堆放，对砖的堆放有特别的要求，占用场地大，作业效率也不理想[2-3]。目前还没有较为成熟的产品用于烧结砖成品自动装车，为此，根据市场需求设计开发了自动化程度较高的烧结砖装砖机。四杆导向装置是装砖机的重要部件，若导向杆变形将直接影响装砖机升降作业。由于装砖机工作环境恶劣，工况复杂，在工作过程中极易受到货物质量、小车运动过程中加减速等惯性载荷以及运动中可能会遇到障碍而产生较大的横向冲击载荷作用[4]。四杆导向装置中导向杆为细长杆件，在受到横向载荷时极易产生较大的应力和变形，影响机构的正常运动和现场人员的安全，因此对四杆导向装置的安全可靠性，结构刚度、强度进行分析验证十分必要。

本文主要对装砖机四杆导向装置进行模态分析，对其在自重、惯性扭矩和横向冲击载荷复合作用时进行瞬态分析，获得四杆导向装置的固有频率和振型以及导向杆应力、应变云图，通过研究导向杆的应力及应变状况，来验证其结构设计的合理性和可靠性，为装砖机进一步优化提供参考。

1 装砖机总体概况

装砖机主要由小车驱动装置、升降液压缸、小车架、四杆导向装置、旋转夹紧装置和横梁支架等组成，其结构简图如图1所示。控制装置通过控制旋转夹紧装置夹、放砖块，升降液压缸带动四杆导向装置升降以及驱动小车沿横梁移动来完成砖块的搬移和装车。四杆导向装置中导向杆与上下连接板和夹紧装置分别用螺栓固定连接，4个导向杆通过在小车架导向套内滑动来完成上下运动，小车可沿着导轨运动来完成搬运工作。

图1 装砖机简图

2 有限元分析前期处理

本文主要是对四杆导向装置进行模态及瞬态分析，由于该装置属于复杂结构件，细节多，形状变化大，因此在满足设计要求且不影响分析结果的情况下，根据结构设计形式与受力特点，对其做如下简化：1)忽略尺寸较小不作为主要承力部分的开孔和尺寸较小的板块；2)对于明显不会影响四杆导向装置整体刚度、强度的部位，如旋转夹紧装置上某些螺孔、凸台、圆角、节点焊缝等进行简化。用Pro/E软件建立四杆导向装置的三维简化模型，以减小模型规模，缩短运算时间[5]。建模时四杆导向装置中心处的液压缸由杆件简化代替，省去导向杆与上下连接板的连接螺栓，在分析设置时采用绑定连接可达到同样的效果[6]。建立的四杆导向装置三维简化模型如图2所示。

图2 四杆导向装置三维简化模型

将在Pro/E软件中建好的三维简化模型以X_T格式导入ANSYS软件。上下连接板、小车架和夹紧装置材料为Q235A,密度为7.85g/cm3,弹性模量为2.03×105MPa,泊松比为0.30；4个导向杆、升降液压缸的材料为45钢，密度为7.85g/cm3,弹性模量为2.10×105MPa,泊松比为0.28；导向套的材料为FZ2175。在分析中网格划分十分重要，网格划分的好坏直接影响分析的准确性和最终结果的收敛性[7]。网格划分后，节点总数为630 468，单元总数为258 136，网格划分结果如图3所示。

3 模态分析

四杆导向装置为装砖机的重要工作件，由于受载复杂、运动惯量大，故较容易产生故障，特别是当工作频率与固有频率接近时，装置振动加剧甚至出现共振导致零部件磨损加快，寿命降低，装置故障率升高[8]，因此四杆导向装置运转平稳性对装砖机的工作可靠性至关重要。为防止振动导致故障发生，有必要在设计和研制过程中进行振动固有特性的分析，以获得其固有频率和振型。

图3 四杆导向装置模型网格划分

3.1 理论基础

装砖机属于有限自由度结构，在弹性分析范畴内，动力学方程如下[9]：

(1)

式中：M,C,K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；X,f(t)为位移和激励向量。当系统无外部激振力并忽略阻尼时,f(t)=0,C=0，代入式(1)化简得:

(2)

设式(2)解的形式为:

X=Asin(ωt+φ)

(3)

式中：A为振幅矩阵。将式(3)代入式(2)得：

(K-ω2M)A=0

(4)

若使式(3)振幅矩阵A有非零解，应有:

|K-ω2M|=0

(5)

式中：ω为系统固有振动频率。

解出式(4)、(5)中的ω和A即可得到装砖机四杆导向装置的固有频率和振型。

由于四杆导向装置为大型构件且结构较复杂，进行固有特性分析时结构自由度总数较大，相应的固有频率和振型也很多，求其全部固有频率和振型比较困难。在实际工程中，频率高的振型对结构影响不大，一般可忽略不计，因而只需计算前几阶频率及相应的振型[10]。小车架带动四杆导向装置移动，根据实际工况运用ANSYS中模态分析模块对小车架上端进行固定约束，在设置分析选项后对装砖机四杆导向装置进行模态分析，获得其前6阶固有频率和振型如表1和图4所示。

3.2 模态分析结果

模态分析结果表明，四杆导向装置中导向杆水平方向动态摆动、弯曲和绕旋转夹紧装置中心扭转变形是影响导向装置动态特性的主要因素，由振型图可知导向杆的变形相对较大且各阶频率对其影响明显，说明4个导向杆弯曲振动占主导地位。装砖机的4个导向杆是整个结构的薄弱环节，刚度和强度相对较小，工作过程中也容易出现共振。引起四杆导向装置振动的主要振源来自小车架横向运动和旋转夹紧装置的往复转动，而四杆导向装置在电机和减速机作用下横向运动工作频率为2.27Hz,旋转夹紧装置旋转工作频率最大为0.20Hz，都小于导向装置固有频率，并不会产生共振。

表1 装砖机四杆导向装置前6阶模态分析结果

图4 四杆导向装置前6阶振型

4 瞬态分析

装砖机在工作过程中经常出现夹紧装置满载旋转、小车带动四杆导向装置突然启动和制动的情况，由于货物和四杆导向装置自身质量的作用，启动时将产生较大的惯性力，小车在运动过程中下端的旋转夹紧装置也极有可能碰到障碍物产生冲击力，导致导向杆产生应力和变形，因此用瞬态分析来验证四杆导向装置在受到扭转与冲击复合载荷作用时应力和变形随着时间的变化规律。由于制动采用两次制动法，制动时间较长且制动力小于启动惯性力，故只做突然启动和行走过程中底部旋转夹紧装置突然受到冲击时的应力、应变分析。

4.1 启动惯性载荷瞬态分析

装砖机正常工作时，旋转夹紧装置以较高速度旋转会产生惯性力。通过回转支撑传递给下连接板和四杆导向装置的旋转惯性力小于50N·m，夹紧装置满载时包括自重的总质量为533kg,要求在小车启动0.5s时达到稳定速度1m/s，并考虑安全系数，故启动所产生的惯性力约为1 500N。因此按此工况做启动载荷瞬态分析。

4.1.1约束与加载

为使分析结果尽量准确，各零件按实际装配连接进行约束，对装置中的小车架上端进行固定约束，限制其在X,Y,Z3个方向自由度。4个导向杆沿导向套上下移动设置为滑动摩擦，四杆导向装置在工作过程中受到复合载荷作用，分别为旋转夹紧装置和砖块载荷重力，同时下端旋转夹紧装置旋转时可能对其产生扭转惯性力矩和启动惯性力复合作用。为了模拟夹紧装置旋转时启动惯性力对四杆导向装置中导向杆产生的应力和变形影响，在旋转夹紧装置侧板施加启动惯性力，如图5所示，约束条件如图6所示。

图5 启动惯性力变化曲线

图6 边界条件和载荷

4.1.2变形应力结果分析

旋转夹紧装置在受到50N·m扭转力矩旋转时，小车启动瞬间四杆导向装置导向杆的变形、应力响应以及整体结构应力响应曲线如图7(a)、(c)、(e)所示，导向杆和整体结构在变形、应力最大时刻所对应的变形、应力云图如图7(b)、(d)、(f)所示。

由图7可以看出，旋转夹紧装置在满载旋转时小车突然启动，导向杆的应力主要集中在导向杆下端与下连接板连接处和小车架下端导向套与导向杆接触处，其中在导向杆与导向套接触处的应力在1.29s时刻达到最大,为15.21MPa,整个机构的最大应力为45.875MPa；最大变形发生在导向杆最下端,为0.818 9mm/m，由于结构阻尼作用，随着时间的推移变形逐渐趋于稳定在1.750 0mm。导向杆为较长杆件，变形相对较小，因此并不会影响导向杆的滑动。

4.2 冲击载荷瞬态分析

4.2.1冲击加载

在小车带动四杆导向装置移动的过程中，为了检验设计的四杆导向装置导向杆的刚度和强度在较极端的情况下是否还能满足设计要求，模拟了旋转夹紧装置侧板突然受到如图8所示阶跃载荷冲击下的应力、变形情况。仿真约束设置与启动惯性力的约束设置相同。

图8 冲击载荷变化曲线

4.2.2冲击变形应力结果分析

夹紧装置在50N·m扭转力作用下旋转时夹板突然受到冲击，四杆导向装置导向杆的变形、应力响应以及整个结构应力响应曲线如图9(a)、(c)、(e)所示，导向杆和整体结构变形、应力最大时刻所对应的变形应力云图如图9(b)、(d)、(f)所示。

图9 冲击时响应曲线及相应最大时刻云图

5 结束语

本文对装砖机四杆导向装置进行模态分析，得出其前6阶固有频率和振型，发现装砖机的工作频率偏离其固有频率，故不会产生共振。由瞬态分析得出在夹紧装置旋转、小车启动及在运动中受到冲击时， 导向杆最大变形都较小且持续时间极短,并不会影响四杆导向装置的上下滑动，变形在设计允许的范围内。导向杆和整个机构的最大应力都小于对应材料的屈服强度，四杆导向装置刚度和强度均满足设计要求，并不会发生塑性变形和破坏，由此验证了装砖机导向装置结构设计的合理性和安全性，为今后此类结构的进一步优化提供参考。