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易拉罐灌装机架有限元分析及优化设计




引言

易拉罐灌装机机架是灌装机的永久性部件,是一个重要的基础支撑性部件,其上安装有传动系统、灌装系统、输罐系统及防护部分。为了保证机架的安全性、稳定性及灌装精度,对机架强度、刚度和稳定性要求较高。

合肥中辰轻工机械有限公司开发YLGD60易拉罐灌装机是一款60头的高速设备。采用有限元方法对机架进行分析,并根据分析结果重新对支腿数量、位置及部分结构改进优化,为机架的结构设计提供参考。

灌装机

1、易拉罐灌装机的结构

如图1所示,灌装机由传动系统、输罐系统、灌装系统、防护门和机架组成。传动系统给整个灌装机提供动力;输罐系统负责将灌装好的易拉罐从灌装系统输出;灌装系统按照设定参数将液体灌装到易拉罐中。机架包括台板和支腿,台板靠支腿支撑,其上安装传动系统、灌装系统、输罐系统和防护门。

2、建立分析模型

在Workbench中建立机架的模型。在DesignModeler中,建立面为台板,分割出台板与各部件的连接支撑面。台板上的加强筋和支腿按三维模型中的位置和尺寸用直线表示。

灌装机

3、进行参数设置与分析

1)参数设置和网格划分

台板材料及加强筋为304不锈钢,在材料属性中定义密度为7.93X103kg/m3,弹性模量为195GPa,泊松比为0.3。支腿材料为Q235,在材料属性中定义密度为7.85X103kg/m3,弹性模量为210GPa,泊松比为0.33。

台板网格采用壳单元,设置厚度为35mm,材料为304不锈钢;加强筋设置为梁单元,材料为304不锈钢;支腿设置为梁单元,材料为Q235,网格大小均设置为10mm。网格划分后如图3所示。

各梁单元和壳单元设定刚性连接,使整个模型变形协调。

2)边界条件

灌装系统重量约3060kg,A处加载-Z方向的力30000N;两个过渡轮重约35KG,分别施加-Z方向的力,约为343N;星轮重约76.8KG,施加-Z方向的力,约753.5N;输瓶线重约32Kg,施加-Z方向的力,约313.6N;进瓶螺杆重46Kg,施加-Z方向的力,约为450N;凸轮升降立柱处载荷约44.9KG,施加-Z方向的力,约440N,共两处;输罐系统立柱处载荷约32kg,施加-Z方向的力,约313.6N,共四处;涡轮箱重约200kg,靠四根立柱悬挂于台板下方,四根立柱处分别加载-Z方向490N的力;台板四周安装防护装置,每侧重约150Kg,施加-Z方向的力,大小约为1470N。支腿处施加全约束。

施加载荷和约束后如图4所示。

3)分析结果

通过有限元分析计算,得到机架的应力分布和位移云图。由图5可知,机架的最大应力为71.8MPa,小于210MPa,满足台板的工作要求,最大应力位置如图所示;最大变形为0.894mm,位置如图6所示。因台板上面安装长达1m的立柱,变形量过大;防护门处变形较为明显,支撑强度不能满足设计要求。

4、结构优化

经分析,灌装系统安装处变形最大,中间三个支腿略显单薄,调整位置无法提高总体刚度和强度。在变形量最大位置附近增加一个支腿,并调整其他支腿的位置;为减小安装防护装置处的变形,在台板边缘四周下方增加加强筋,优化后结构划分网格后如图7所示。

重新进行施加约束和载荷,经分析计算得到位移云图和应力云图,从图中可知最大应力减小到36.7MPa,较之前减小48.8%,最大应力位置如图8所示;最大位移减小到0.279mm,较之优化前减小68.8%,最大位置如图9所示。

5、结论

分析、优化结构后,应力和变形大幅度减小,符合设计要求。后续实践表明,机架变形明显减小,安装精度提高,减小了调试的工作量和难度。