目前, 稱重傳感器研究的主要方向?yàn)榉Q重傳感器的標(biāo)定工作[1,2]。在稱重傳感器加工輔助裝置研究方面, 戴俊平等[3]設(shè)計(jì)了一種稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置托盤提升裝置, 申言遠(yuǎn)等[4]設(shè)計(jì)了一種稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置。上述學(xué)者的研究主要集中在稱重傳感器標(biāo)定裝置的研制以及開發(fā)。稱重傳感器在實(shí)際制造環(huán)境過程不可避免的存在一些灰塵、油污等污染物, 在傳感器出廠前需要對(duì)其進(jìn)行清理。隨著稱重傳感器設(shè)計(jì)水平不斷地提高, 鑒于稱重傳感器外形設(shè)計(jì)的復(fù)雜性, 給稱重傳感器的包裝以及清洗維護(hù)造成了很大的負(fù)擔(dān)。目前, 國內(nèi)部分企業(yè)出廠前對(duì)稱重傳感器的最后清洗工作仍是由技術(shù)工人手工完成, 需要耗費(fèi)大量的人工和時(shí)間。因此, 為了解決稱重傳感器最后清洗包裝自動(dòng)化程度低的問題, 有必要設(shè)計(jì)一種稱重傳感器清洗輔助裝置[5,6,7,8]。

本文以四桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種新型稱重傳感器清洗機(jī), 利用四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)稱重傳感的壓緊固定, 之后采用高壓氣體對(duì)傳感器表面油污進(jìn)行清理。

1 稱重傳感器清洗機(jī)裝置及其工作原理

稱重傳感器清洗機(jī)由機(jī)架、清洗裝置、固定機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)等4部分組成。稱重傳感器清洗機(jī)工作原理:在對(duì)稱重傳感器進(jìn)行清潔作業(yè)時(shí), 首先將稱重傳感器放置到傳送滾刷上 (其材料為橡膠) , 在電機(jī)帶動(dòng)下不斷用滾刷清掃掉稱重傳感器上面的油污、灰塵;當(dāng)稱重傳感器運(yùn)動(dòng)到整個(gè)裝置中部時(shí), 轉(zhuǎn)動(dòng)手輪通過四桿機(jī)構(gòu)將稱重傳感器夾緊, 同時(shí)上部分滾刷對(duì)稱重傳感器上部分進(jìn)行清掃;當(dāng)稱重傳感器固定好之后, 上、下氣缸閥門打開, 利用高壓氣體對(duì)稱重傳感器殘留的油污、灰塵進(jìn)行吹洗;最后, 采用人工檢驗(yàn)清洗是否合格, 如果不合格再重復(fù)上述過程。稱重傳感器清洗機(jī)裝置整體模型如圖1所示。

圖1 稱重傳感器清洗機(jī)整體模型   

1.機(jī)架;2.氣缸;3.手輪;4.壓緊裝置;5.滾刷;6.傳動(dòng)鏈條;7.電機(jī);8.調(diào)平裝置;9.氣缸;10.法蘭盤;11.稱重傳感器;12.螺釘

2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

2.1 機(jī)架有限元模型建立

有限元分析時(shí)將機(jī)架三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中, 設(shè)置好材料參數(shù)。稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的制造材料采用的是結(jié)構(gòu)鋼, 其密度ρ=7.85 g/cm3, 彈性模量E=2×1011Pa, 泊松比μ=0.3, 屈服強(qiáng)度為235 MPa, 抗拉強(qiáng)度為375 MPa。采用自由網(wǎng)格劃分模式對(duì)機(jī)架三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[[9,10,11,12,13,14]-14], 得到523 819個(gè)節(jié)點(diǎn), 467 923個(gè)單元。

2.2 靜力學(xué)分析

稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的主要參數(shù):長564 mm, 寬400 mm, 高1770 mm, 質(zhì)量約為98.896 kg。在實(shí)際稱重傳感器清洗機(jī)工作過程中, 機(jī)架要承受上、下兩部氣缸對(duì)其約1000 N的壓力, 在網(wǎng)格劃分完成之后, 邊界條件設(shè)置時(shí)機(jī)架調(diào)平裝置約束選擇為Static Structural中的Fixed Support (固定約束) 、整體施加重力加速度和氣缸安裝部位施加Force (力) , 方向豎直向下, 大小為1000 N。通過靜力學(xué)分析得到了機(jī)架在實(shí)際工作過程中的變形、應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2 (a) 可知稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在實(shí)際工況下最大位移主要分布在氣缸安裝部位, 且最大變形值為0.326 mm, 變形量較小。由圖2 (b) 可知稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在實(shí)際工況作用下的最大應(yīng)力67.588 MPa, 與屈服強(qiáng)度235 MPa相比更小, 安全裕度較大, 滿足強(qiáng)度要求, 表明了稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

圖2 機(jī)架的變形、應(yīng)力分布云圖  

2.3 機(jī)架預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

將靜力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊, 模態(tài)求解方法設(shè)置為Block Lanczos法, 模態(tài)提取階數(shù)設(shè)置為六階。經(jīng)過模態(tài)分析求解得到稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的前六階固有頻率模態(tài)振型如圖3所示。

由圖3可以看出, 稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架模態(tài)頻率分布在29.216～102.64 Hz之間, 頻率分布范圍較為集中, 其中第四、五階模態(tài)固有頻率比較接近, 從模態(tài)振型云圖上可以看出第四、五、六階模態(tài)振型中氣缸的安裝部位存在較大變形。因此, 下文將著重研究氣缸安裝部位在諧載荷作用下的變形以及應(yīng)力分布情況。

圖3 稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架模態(tài)振型圖   

3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)結(jié)果分析時(shí), 以機(jī)架氣缸安裝部位為研究對(duì)象, 研究氣缸安裝部位X、Y、Z三個(gè)方向的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、速度與外界激勵(lì)頻率之間的關(guān)系。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果以及綜合考慮機(jī)架的實(shí)際工作頻率, 最后諧響應(yīng)分析算法選擇為模態(tài)疊加法, 選擇計(jì)算頻率范圍為20～120 Hz, 經(jīng)過諧響應(yīng)分析得到了氣缸安裝部位X、Y、Z三個(gè)方向的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、速度與外界激勵(lì)頻率之間的關(guān)系具體情況如圖4所示。

通過對(duì)圖4氣缸安裝部位的振動(dòng)位移、應(yīng)力-頻率曲線進(jìn)行進(jìn)一步的分析總結(jié)可以看出, 在曲線圖中某一頻率下, 變形、應(yīng)力、應(yīng)變、速度的幅值會(huì)發(fā)生突變。從圖4 (a) 、 (b) 中可以看出當(dāng)激勵(lì)頻率為34、73 Hz時(shí)稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架上部氣缸安裝部位變形較大, 當(dāng)激勵(lì)頻率為73 Hz時(shí)變形量達(dá)到峰值, 上部氣缸安裝部位的振動(dòng)位移為0.232 mm, 下部氣缸安裝部位的振動(dòng)位移為25 mm。圖4 (c) 、 (d) 中當(dāng)激勵(lì)頻率為73 Hz時(shí)機(jī)架上部氣缸安裝部位的應(yīng)力為9.494 6 MPa, 下部氣缸安裝部位的應(yīng)力值為13 MPa。

結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果以及稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架氣缸安裝部位諧響應(yīng)結(jié)果可以看出, 機(jī)架的第四階固有頻率對(duì)機(jī)架的動(dòng)態(tài)性能影響最大, 73 Hz為其最為敏感的激勵(lì)頻率, 為了更好地研究敏感頻率下機(jī)架的受力情況, 選取在73 Hz頻率下機(jī)架的位移、應(yīng)力分布云圖, 如圖5所示。

經(jīng)過對(duì)圖5的分析表明當(dāng)外界激勵(lì)頻率為73 Hz時(shí), 稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架的最大變形發(fā)生在上部壓緊機(jī)構(gòu)四桿結(jié)構(gòu)上, 最大變形量為78.6 mm, 應(yīng)力云圖中機(jī)架的最大應(yīng)力為15 973 MPa, 最大應(yīng)力值超出了材料的屈服強(qiáng)度235 MPa, 因此, 為了確保稱重傳感器清洗機(jī)能夠安全工作, 工作時(shí)應(yīng)確保外界振動(dòng)頻率分布范圍始終避開上述頻率。

圖4 氣缸安裝部位的振動(dòng)位移、應(yīng)力-頻率曲線   

圖5 73 Hz下機(jī)架的振動(dòng)位移、應(yīng)力云圖   

4 結(jié)論

(1) 采用有限元仿真技術(shù)得到了機(jī)架在實(shí)際工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形分布情況, 發(fā)現(xiàn)機(jī)架的最大應(yīng)力小于材料的需用應(yīng)力, 證明了稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。為后續(xù)的模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析提供了基礎(chǔ)。

(2) 根據(jù)實(shí)際機(jī)架工作條件, 首先對(duì)仿真模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置, 在對(duì)稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架進(jìn)行仿真時(shí)忽略了對(duì)分析結(jié)果影響較小的孔和倒角;其次根據(jù)實(shí)際機(jī)架的受力情況對(duì)有限元模型進(jìn)行了邊界條件設(shè)置, 通過模態(tài)、諧響應(yīng)分析得到了稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架產(chǎn)生共振的頻率分布范圍, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界振動(dòng)頻率在34、73 Hz附近時(shí)機(jī)架的振動(dòng)幅值較大, 振動(dòng)較為明顯。因此, 稱重傳感器清洗機(jī)機(jī)架在實(shí)際工作時(shí)34、73 Hz是其工作危險(xiǎn)頻率, 實(shí)際工作時(shí)要確保稱重傳感器清洗機(jī)遠(yuǎn)離危險(xiǎn)頻率, 避免稱重傳感器清洗機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。