自动包装流水线中动力托辊的仿真分析

邢耀文

（山西杏花村汾酒集团有限责任公司，山西 汾阳 032205）

引言

在现代化的生产车间，物品经过有序的生产工序加工，在生产线上最终转化成成品，最后通过自动包装流水线的封装成为市场流通的产品。自动包装流水线是集纸箱成型、自动装箱、自动封箱为一体。它配套前段自动化生产线，可达到无人化包装，大大减少劳动力，提高生产效率，降低生产成本。因此自动包装流水线在很多企业得到很好的推广应用。

自动包装流水线各单元的衔接多数依靠托辊输送线来完成。托辊输送线是指在一定的线路上由一系列并排托辊组成的连续输送物料的搬运机械，适用于各类箱、包、托盘等件货的输送，散料、小件物品或不规则的物品需放在托盘上或周转箱内输送。还能够输送单件重量很大的物料，或承受较大的冲击载荷［1－2］。

托辊输送机之间易于衔接过渡，可用多条托辊线及其他输送设备或专机组成复杂的物流输送系统以及分流合流系统，完成多方面的工艺需要。托辊输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便。按布置形式可分为水平托辊输送线、倾斜托辊输送线和转弯托辊线。按驱动方式可分为动力托辊线和无动力托辊线，动力托辊线主要有减速电机驱动、电动托辊驱动，传动方式主要有单链轮、双链轮、O型皮带、平面摩擦传动带、同步带传动。

在双链轮动力托辊线中，托辊一端分别受到不同方向的扭矩，会对托辊造成一定的变形，可能会对平稳运送物品造成一定的影响。本文将对这种工况下工作的托辊进行仿真分析，进一步确定双链轮托辊线中托辊运送物品的过程对平稳中转物品的影响［3－5］。

1 自动包装流水线

自动包装流水线集纸箱自动成型、自动装箱、自动封箱为一体。对于箱体类的物品，包装流程如图1：纸箱自动成型封底机做出包装箱，通过托辊输送线将纸箱送到自动装箱机；自动装箱机装满成品，通过托辊输送线将纸箱送到自动打包机；自动打包机将箱体封装，同时喷码生产日期批号，最终变成市场流通的产品。

图1 自动包装流水线

双链轮托辊输送线由支架、托辊、动力电机、驱动链条等组成，如下页图2所示。

双链轮托辊输送线中每个托辊有一个双链轮，上一个托辊通过链条作用于本托辊的一个链轮，带动托辊转动，同时本托辊另一个链轮又会把动力输出给下一个托辊。这样双链轮托辊输送线中每个托辊都有动力，使得物品运送的过程更加平稳，同时也会提高生产效率。

1－支架；2－托辊；3－电机

2 托辊的建模

2.1 SolidWorks简介

SolidWorks软件功能强大，组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案，减少设计过程中的错误，提高产品质量。

SolidWorks软件是个非常优秀的三维设计软件，包括零件建模、钣金设计、模具设计、装配设计、工程图、运动仿真和有限元分析等，功能全面，并集成和兼容了所有Windows系统的卓越性能。

2.2 托辊的实体建模

考虑到托辊的实际运动过程，以仿真观察托辊的变形为目的，建模时把托辊以及双链轮作为一个整体直接建模。

在SolidWorks中，如图3所示，建立托辊的三维实体模型，托辊直径50mm，宽度500mm。

图3 双链轮托辊三维模型

3 托辊的ANSYS仿真分析

3.1 ANSYS系统仿真

系统仿真作为各种技术系统工作性能的研究方法，已经渗入到几乎所有产品领域。越来越短的产品周期促使设计和研制尽可能在短的时间内完成，这样就能够对问题作出快速而可靠的决定，通过仿真分析，能够做出一个关于产品性能的定性和定量的陈述，从而可以节省、免除实验结构和样机以及费时实验的昂贵成本。

ANSYS将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问题的必需工具。其中的结构静力分析用来解决稳态外载荷引起的系统或局部的位移、应变、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。

3.2 托辊静力仿真分析

运行ANSYS－Workbench，首先双击建立Static Structural模块。在Static Structural模块中指定Engineering Data为碳钢，然后调入前面在SolidWorks中建立的托辊模型到DesignModeler中，如图4。

图4 DesignModeler中托辊的三维模型

对调入的托辊模型划分网格，通过Mechanical中的Generate mesh划分出单元网络。

在工作过程中考虑托辊在链条的驱动下，处于一个稳态的运动状态。两端有轴承的支撑约束。链条把载荷传递到双链轮，才驱动了托辊的转动。因此载荷可以等效为转矩和径向的力。对托辊两边安装轴承的地方分别添加约束，限制了托辊的X、Y、Z轴的移动及X、Z轴的转动［6］。

选取驱动电机的功率为P＝2.2kW，额定转速为n＝940r／min。

作用于托辊上的转矩，用T表示，

链轮直径取D＝45mm，计算链速v：

链条的工作拉力：

作用在轴上的载荷FQ可以近似取

KA为工作状况系数，取1.2；

托辊的载荷可以等效为转矩T和径向的力FQ，约束添加轴承约束。分别添加转矩及轴上的载荷和轴承的约束。转矩T＝22 351N·mm，轴上的载荷FQ＝1 430N。如图5所示。

图5 施加在托辊上的约束及载荷

最后进行ANSYS后处理，选择总体变形、等效弹性应变、等效应力，进行求解。得到托辊在此工况下的实际力学状态。如图6、7、8所示。

图6 托辊的总体变形

图7 托辊的等效弹性应变

图8 托辊的等效应力

从图6中可以看出，最大总体位移发生在托辊近驱动端，约在总长度的1／4处，为0.007mm；最小位移发生在远驱动端约1／4长度处。说明从托辊驱动端1／4长度处起，托辊的变形较小；在实际中就是在远离驱动端1／4托辊长度位置起为托辊的最佳使用区段，会更好地达到平稳输送物品的要求。

从图7、8可以看出最大等效应变（0.000 216）、应力（40.497MPa）均发生在内侧链轮与托辊轴的连接处。这个位置可能是实际所受应力应变的最大处。这里由于建模时把链轮和托辊当作一个整体建模，但是实际过程中链轮和托辊之间使用过渡的结构连接，从而不会使应力过于集中。两个链轮之间的轴上应力应变都很大，这说明托辊在实际使用中一定会受到较大的应力，因此在长期的使用中，在这个部位很容易发生疲劳性损坏［7－9］。

4 结语

双链轮托辊在托辊输送线上使用量很大，托辊的质量与性能在很大程度上决定了输送线的整体性能与质量。通过仿真，可以发现托辊在运行过程中各处的变形大小不一，而且会在某些部位出现应力集中。

从实际使用来看，为了更有效地利用托辊输送线来中转物品，应该在托辊的远驱动端输送物品，这样可达到更好的平稳度。对于设计托辊来说，两链轮之间的托辊轴受到的应力最大。在长期的运行使用中，这个部位会发生疲劳破坏。

因此在托辊轴的设计制造过程中，对容易应力集中的部位进行特殊的表面性能处理，提高轴的疲劳强度，避免发生疲劳损坏。设计出寿命更长、可靠性更高的托辊，对于提高整条输送线的工作效率、性能稳定都有很大的意义。同时设计托辊也要考虑到实际的使用条件，更有效地利用托辊平稳输送物品的性能，避免输送过程中的不平稳及冲击状况的发生，最终的输送线才能性能稳定、工作效率高，又节省成本。这也为双链轮托辊输送线中托辊的抗疲劳、长寿命设计提供了依据。

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