摘要: 针对目前市场上袋装水泥在装车过程中的半自动化问题，设计一款全自动袋装水泥装车机，本文针对其系统中子模块摆包机构进行设计、分析及优化，摆包机构实现水泥包在装车系统中的排列和整包作用，从而保证水泥包在车上的整齐码包。通过在三维软件中建立相关模型，将模型导入到有限元分析软件中进行应力应变等分析，通过比较不同区域的应力应变大小达到对摆包机构的优化。
关键词: 水泥装车机；摆包机构；有限元分析
0 引言
根据数据显示，近几年来，中国水泥产量基本保持稳定。2017年中国水泥累计产量为23.2亿吨，2018年全国规模以上水泥企业实现水泥总产量21.8亿吨，2019年1-10月份全国累计水泥产量已达23.3亿吨，同比增长6.1%。而水泥作为重要的建筑材料除了部分采用散装运输外，其余基本是袋装运输，由于水泥不同于其他灰尘，它是极微小的颗粒状，极易扩散，并具有一定的腐蚀性，目前，大部分水泥包出厂装车码垛都是采用人工来实现，但是这种方式存在一系列的问题，首先每一包都需要人工操作码垛，水泥袋码放较随意，频率高，劳动强度高，效率低；（2）粉尘环境下，工人健康受到损害，并且这种条件下也难实现很好的收尘，对环境也会造成一些污染；（3）人工码垛的速度不稳定，速度上很难保证与生产线匹配，会造成生产线堆积，装车效率太低，很不利于公司的长期发展。
近年来，随着水泥行业智能化工作的推进，国家也提出了相关环保、安全生产、绿色工厂等政策文件，因此目前水泥包人工码包的方式亟需改善，许多公司和研究院所致力于研制各种自动化装车设备[1-2]，我们结合我国水泥市场现状，采用自动化、数字化控制技术，研制了一款适合多种车型和多种码包方式的袋装水泥全自动的装车系统。该系统完全替代人工实现装车码包工作，一方面解放人力，一方面提高工作效率，实现以人为本、绿色环保、高效率生产，为现有水泥行业带来了福利。
1自动装车机整体方案
本文提出一种类似抽屉工作原理的自动装车机结构形式。其主要结构及实现功能如图１所示。其工作原理为：在二楼平台上安装轨道，卡车停在地面通道上，装车机构在轨道上可实现在车长方向的移动。码垛机构位于二楼平台下，由提升机构实现在车高方向的移动。所有包装机包装好的袋装水泥经传送带运输到轨道上的输送带上，然后经过一段倾斜输送带对水泥包进行横包和竖包的切换后，通过送包输送机送到码包平台上，在码包平台上由摆包机构和推包机构实现码包整形工作，码放好一层后码包平台由驱动带动向后退，并由推包机构挡住水泥包，从而实现水泥包由平台到车厢板的动作。码完一层后，提升机构带动机构向上移动一个工位，往复循环，直至码到规定层数，然后整个机构由轨道上的驱动带动延车长方向移动一个工位，继续码包，循环往复，直至码完整车。
图1. 全自动袋装水泥装车机的整体结构
摆包机构是码包机构中的关键环节，是保证水泥包整齐排列的重要执行机构，水泥包经送包皮带过来后，在码包平台上一次排列，根据实际车型确定排列方式，一般分为横包和竖包两种方式，包数量在3-5包，依次排列好后，摆包机构执行动作，摆包板将水泥包摆向码包平台两侧，从而为后续来包留下空间，继续执行码包动作，但实际调试过程中发现摆包板惯量过大，来回摆动运动过程中冲击非常明显，导致支撑部件如导轨和滑块经常损坏，影响系统正常工作，因此，本文针对这个问题，通过对实际工况的分析，摆包机构模块进行相关受力分析，将模型导入有限元分析软件中，进行应力应变分析[3]，通过对比不同条件的分析结果，最终在其材质和结构上进行优化。
2码包机构中摆包机构优化分析
摆包板负载，按照总体方案中最大一次摆五包250kg进行计算，摆包板行程0.75m，单次动作时间0.4s，码包平台摩擦系数按照0.2计算，安全系数取2，最终计算出负载大约5KN，仿真时将载荷均匀加载到摆包摆包板最下沿往上150mm的位置（水泥包的高度大约150mm），垂直板面。最初设计的摆包板，选用的材质为Q235，板厚10mm，质量50kg，分析结果如图2(a)(b)所示，图2(a)为应变，(b)为应力，尽管在应变和应力的分析结果满足设计要求，但是在高速启动和快速停止的过程中，摆包板惯性过大。
通过更换材质，选用铝合金替代，在不影响摆包动作的前提下，将板厚增加至15mm，针对图2(a)(b)结果，对摆包板应力较小区域进行挖孔减重处理，最终新的摆包板重量降至20kg，减重60%，同样在负载5KN下进行仿真，分析的应变和应力结果如图2(c)(d)所示，与图2(a)(b)相当，并且结果也低于铝合金的抗拉强度(MPa):170~230，条件屈服强度(MPa):150~190，因此方案可行，减少了摆包板的惯性，实际测试结果显示，冲击情况明显改善，摆包机构可以稳定的运行。
图2.摆包板受力分析
3结语
本文通过对现有全自动袋装水泥装车机的装车码包流程进行分析，并利用模块化结构设计的方法，对整体结构进行了建模，通过实验调试发现摆包模块存在一些惯量大、冲击大以及运行不稳定的状况，结构件损坏频率较高，通过对正常工况下的摆包机构进行力学建模，利用有限元分析软件对其工作时的应变和应力情况进行仿真分析，对摆包板进行了结构和选材上的适度优化，一方面验证了模型的正确性，一方面满足了后期的稳定使用，同时也为其他模块的优化设计提供了指导方向。
参考文献
[1]郑威,李永新.自动装车机起吊平台优化设计[J].机械研究与应用,2019,32(02):107-109+112.
[2]任伟华.袋装水泥自动化装车系统研究[D].中国科学技术大学,2019.
[3]邓援超,赵黎明,王雪梅,周谟林.水泥装车机机架有限元静力学分析[J].湖北工业大学学报,2017,32(04):12-14+43.