引言

易拉罐灌裝機機架是灌裝機的永久性部件，是一個重要的基礎(chǔ)支撐性部件，其上安裝有傳動系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、輸罐系統(tǒng)及防護部分。為了保證機架的安全性、穩(wěn)定性及灌裝精度，對機架強度、剛度和穩(wěn)定性要求較高。

合肥中辰輕工機械有限公司開發(fā)YLGD60易拉罐灌裝機是一款60頭的高速設(shè)備。采用有限元方法對機架進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果重新對支腿數(shù)量、位置及部分結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化，為機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1、易拉罐灌裝機的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，灌裝機由傳動系統(tǒng)、輸罐系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、防護門和機架組成。傳動系統(tǒng)給整個灌裝機提供動力;輸罐系統(tǒng)負責將灌裝好的易拉罐從灌裝系統(tǒng)輸出;灌裝系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)將液體灌裝到易拉罐中。機架包括臺板和支腿，臺板靠支腿支撐，其上安裝傳動系統(tǒng)、灌裝系統(tǒng)、輸罐系統(tǒng)和防護門。

2、建立分析模型

在Workbench中建立機架的模型。在DesignModeler中，建立面為臺板，分割出臺板與各部件的連接支撐面。臺板上的加強筋和支腿按三維模型中的位置和尺寸用直線表示。

3、進行參數(shù)設(shè)置與分析

1)參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分

臺板材料及加強筋為304不銹鋼，在材料屬性中定義密度為7.93X103kg/m3，彈性模量為195GPa，泊松比為0.3。支腿材料為Q235，在材料屬性中定義密度為7.85X103kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.33。

臺板網(wǎng)格采用殼單元，設(shè)置厚度為35mm，材料為304不銹鋼;加強筋設(shè)置為梁單元，材料為304不銹鋼;支腿設(shè)置為梁單元，材料為Q235，網(wǎng)格大小均設(shè)置為10mm。網(wǎng)格劃分后如圖3所示。

各梁單元和殼單元設(shè)定剛性連接，使整個模型變形協(xié)調(diào)。

2)邊界條件

灌裝系統(tǒng)重量約3060kg，A處加載-Z方向的力30000N;兩個過渡輪重約35KG，分別施加-Z方向的力，約為343N;星輪重約76.8KG，施加-Z方向的力，約753.5N;輸瓶線重約32Kg，施加-Z方向的力，約313.6N;進瓶螺桿重46Kg，施加-Z方向的力，約為450N;凸輪升降立柱處載荷約44.9KG，施加-Z方向的力，約440N，共兩處;輸罐系統(tǒng)立柱處載荷約32kg，施加-Z方向的力，約313.6N，共四處;渦輪箱重約200kg，靠四根立柱懸掛于臺板下方，四根立柱處分別加載-Z方向490N的力;臺板四周安裝防護裝置，每側(cè)重約150Kg，施加-Z方向的力，大小約為1470N。支腿處施加全約束。

施加載荷和約束后如圖4所示。

3)分析結(jié)果

通過有限元分析計算，得到機架的應(yīng)力分布和位移云圖。由圖5可知，機架的最大應(yīng)力為71.8MPa，小于210MPa，滿足臺板的工作要求，最大應(yīng)力位置如圖所示;最大變形為0.894mm，位置如圖6所示。因臺板上面安裝長達1m的立柱，變形量過大;防護門處變形較為明顯，支撐強度不能滿足設(shè)計要求。

4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)分析，灌裝系統(tǒng)安裝處變形最大，中間三個支腿略顯單薄，調(diào)整位置無法提高總體剛度和強度。在變形量最大位置附近增加一個支腿，并調(diào)整其他支腿的位置;為減小安裝防護裝置處的變形，在臺板邊緣四周下方增加加強筋，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格后如圖7所示。

重新進行施加約束和載荷，經(jīng)分析計算得到位移云圖和應(yīng)力云圖，從圖中可知最大應(yīng)力減小到36.7MPa，較之前減小48.8%，最大應(yīng)力位置如圖8所示;最大位移減小到0.279mm，較之優(yōu)化前減小68.8%，最大位置如圖9所示。

5、結(jié)論

分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，應(yīng)力和變形大幅度減小，符合設(shè)計要求。后續(xù)實踐表明，機架變形明顯減小，安裝精度提高，減小了調(diào)試的工作量和難度。