針劑擺藥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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針劑擺藥機(jī)主體框架結(jié)構(gòu)承受電機(jī)旋轉(zhuǎn)沖擊，機(jī)架承受底板及相關(guān)組件造成的重量載荷，底板承受藥架、推拉機(jī)構(gòu)、下導(dǎo)軌等組件的重量載荷，底板下表面主動(dòng)軸孔處承受電機(jī)，減速器等器件的重量?？紤]其剛度和強(qiáng)度的需要，采用的是機(jī)架、底座、基座螺栓相連接的方式，機(jī)架采用45×30×3的鋼管、30×30×3的鋼管、30×30×3的角鋼焊接而成，基座由45×30×3的鋼管、30×30×3的鋼管、1175×90×10的鋼板焊接而成，基座底板的下表面布筋。其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1模型參數(shù)

針劑機(jī)擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)所用材料為普通碳鋼[2]，材料密度為7.8kg/cm3，彈性模量206GPa，泊松比0.3，許用應(yīng)力［σ］=161MPa。為提高有限元計(jì)算效率，在盡量不影響分析精度的前提下，基座與底板建模建為一體，忽略倒角和螺紋孔，簡(jiǎn)化和去除了一些細(xì)小零件[3]。由于模型最小壁厚為1mm，采用的劃分網(wǎng)格單元尺寸為1mm。采用的是自動(dòng)劃分法，接觸面采用細(xì)分網(wǎng)格的方法[4]。劃分完后模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為68420，單元數(shù)為34699。

2針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

基座底面施加固定約束，機(jī)架的頂端施加頂板及上導(dǎo)軌、兩軸、鏈輪的重量帶來的壓力4233.4N，基座底板上面分別施加藥架重量載荷4116N、推拉機(jī)構(gòu)重量載荷650N、下軌道重量載荷744.8N，底板主動(dòng)軸孔下面施加電機(jī)和加速器重量載荷490N，從動(dòng)軸孔下面施加張緊機(jī)構(gòu)載荷333.2N，在基座底板上下面上畫出其相應(yīng)受力軌跡，分別施加力。有限元靜力學(xué)分析等效應(yīng)變圖，如圖4、圖5所示。通過有限元靜力學(xué)分析可以得到：機(jī)架受力上端面最大變形為0.013μm；底板承受載荷的上端面最大變形為0.006μm；基座的底端最大為0.032μm，所用碳鋼鋼管的允許變形程度已滿足此要求。從靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖可以得到，最大應(yīng)力為11.285MPa，發(fā)生在機(jī)架鋼管和基座鋼管的一些連接處，普通碳鋼的彎曲疲勞極限為0.43［σ］，值為69.23MPa，抗壓疲勞極限為0.3［σ］，值為48.3MPa，所以鋼管滿足其工作使用要求。在底板軸孔處的應(yīng)力為5.0159MPa，軸采用的是調(diào)質(zhì)45#鋼，許用應(yīng)力為161MPa，也滿足軸的安全工作范圍[5]，所以在靜態(tài)作用下，針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

3針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

為分析針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要分析其固有頻率，采用Ansys分析中的模態(tài)分析。在基座底面施加固定約束，劃分網(wǎng)格方法同靜態(tài)分析一樣，由于優(yōu)化后的主體結(jié)構(gòu)第一階和第三階的振動(dòng)發(fā)生在基座下端的矩形鋼板上，機(jī)架與基座主體沒有發(fā)生任何振動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)主要經(jīng)由軸傳動(dòng)到基座底板和機(jī)架上，不會(huì)影響到基座下端的矩形鋼板上，所以第一階振型與第三階振型不予考慮。針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)的固有頻率、相應(yīng)的振型與振幅，如圖6~圖11、表1所示。不考慮基座上下連接板振動(dòng)，從振型圖和表中可以看到，針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)第二階發(fā)生了沿y方向的一階彎曲。第四階振型是主體結(jié)構(gòu)前后沿y方向的二階彎曲，左右沿x方向的二階彎曲，是類似于擴(kuò)張、收縮的振動(dòng)，這說明由于主體結(jié)構(gòu)的鋼管立柱長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，較之易發(fā)生彎曲。從第五階開始主體結(jié)構(gòu)的上端部分發(fā)生二階彎曲和繞動(dòng)，特別是第六階底板發(fā)生橫向振動(dòng)，這會(huì)加劇機(jī)構(gòu)的損壞程度，應(yīng)避開外界激振頻率對(duì)此附近的影響。從整體的振型我們可以看到，設(shè)計(jì)的針劑擺藥機(jī)主體機(jī)構(gòu)一階固有頻率為31.787Hz，所用電機(jī)的回轉(zhuǎn)頻率為159Hz，減速器為1：60，所以主動(dòng)軸的回轉(zhuǎn)頻率為2.65Hz，遠(yuǎn)低于主體機(jī)構(gòu)的一階固有頻率，說明針劑擺藥機(jī)的主體結(jié)構(gòu)在正常工作下有良好的動(dòng)態(tài)特性。

采用ANSYS有限元分析軟件中的workbench模塊對(duì)針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)仿真分析。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)處在額定載荷下時(shí)，靜態(tài)最大變形為0.058um，最大應(yīng)力為11.25MPa，低于材料的許用應(yīng)力。動(dòng)態(tài)分析下的模態(tài)分析中，主體結(jié)構(gòu)的一階頻率為31.787Hz，二階頻率為31.902Hz，沿y方向發(fā)生一階彎曲，固有頻率隨階數(shù)上升而上升，針劑擺藥機(jī)采用的電機(jī)回轉(zhuǎn)頻率為16.7Hz，主動(dòng)軸的工作頻率為0.28Hz，工作頻率遠(yuǎn)小于機(jī)構(gòu)的固有頻率。所以針劑擺藥機(jī)主體結(jié)構(gòu)可以在正常工作下遠(yuǎn)離共振區(qū)[6]，實(shí)現(xiàn)正常工作，動(dòng)態(tài)特性良好。（本文作者：夏群、伍良生、屈重年、張寶柱 單位：北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院）