针剂摆药机的结构设计研究

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针剂摆药机主体框架结构承受电机旋转冲击，机架承受底板及相关组件造成的重量载荷，底板承受药架、推拉机构、下导轨等组件的重量载荷，底板下表面主动轴孔处承受电机，减速器等器件的重量。考虑其刚度和强度的需要，采用的是机架、底座、基座螺栓相连接的方式，机架采用45×30×3的钢管、30×30×3的钢管、30×30×3的角钢焊接而成，基座由45×30×3的钢管、30×30×3的钢管、1175×90×10的钢板焊接而成，基座底板的下表面布筋。其结构，如图3所示。

1模型参数

针剂机摆药机主体结构所用材料为普通碳钢[2]，材料密度为7.8kg/cm3，弹性模量206GPa，泊松比0.3，许用应力［σ］=161MPa。为提高有限元计算效率，在尽量不影响分析精度的前提下，基座与底板建模建为一体，忽略倒角和螺纹孔，简化和去除了一些细小零件[3]。由于模型最小壁厚为1mm，采用的划分网格单元尺寸为1mm。采用的是自动划分法，接触面采用细分网格的方法[4]。划分完后模型节点数为68420，单元数为34699。

2针剂摆药机主体结构静态分析

基座底面施加固定约束，机架的顶端施加顶板及上导轨、两轴、链轮的重量带来的压力4233.4N，基座底板上面分别施加药架重量载荷4116N、推拉机构重量载荷650N、下轨道重量载荷744.8N，底板主动轴孔下面施加电机和加速器重量载荷490N，从动轴孔下面施加张紧机构载荷333.2N，在基座底板上下面上画出其相应受力轨迹，分别施加力。有限元静力学分析等效应变图，如图4、图5所示。通过有限元静力学分析可以得到：机架受力上端面最大变形为0.013μm；底板承受载荷的上端面最大变形为0.006μm；基座的底端最大为0.032μm，所用碳钢钢管的允许变形程度已满足此要求。从静力学分析应力云图可以得到，最大应力为11.285MPa，发生在机架钢管和基座钢管的一些连接处，普通碳钢的弯曲疲劳极限为0.43［σ］，值为69.23MPa，抗压疲劳极限为0.3［σ］，值为48.3MPa，所以钢管满足其工作使用要求。在底板轴孔处的应力为5.0159MPa，轴采用的是调质45#钢，许用应力为161MPa，也满足轴的安全工作范围[5]，所以在静态作用下，针剂摆药机主体结构工作在稳定状态。

3针剂摆药机主体结构动态分析

为分析针剂摆药机主体结构的稳定性，需要分析其固有频率，采用Ansys分析中的模态分析。在基座底面施加固定约束，划分网格方法同静态分析一样，由于优化后的主体结构第一阶和第三阶的振动发生在基座下端的矩形钢板上，机架与基座主体没有发生任何振动，电机转动时产生的振动主要经由轴传动到基座底板和机架上，不会影响到基座下端的矩形钢板上，所以第一阶振型与第三阶振型不予考虑。针剂摆药机主体结构的固有频率、相应的振型与振幅，如图6~图11、表1所示。不考虑基座上下连接板振动，从振型图和表中可以看到，针剂摆药机主体结构第二阶发生了沿y方向的一阶弯曲。第四阶振型是主体结构前后沿y方向的二阶弯曲，左右沿x方向的二阶弯曲，是类似于扩张、收缩的振动，这说明由于主体结构的钢管立柱长度比较长，较之易发生弯曲。从第五阶开始主体结构的上端部分发生二阶弯曲和绕动，特别是第六阶底板发生横向振动，这会加剧机构的损坏程度，应避开外界激振频率对此附近的影响。从整体的振型我们可以看到，设计的针剂摆药机主体机构一阶固有频率为31.787Hz，所用电机的回转频率为159Hz，减速器为1：60，所以主动轴的回转频率为2.65Hz，远低于主体机构的一阶固有频率，说明针剂摆药机的主体结构在正常工作下有良好的动态特性。

采用ANSYS有限元分析软件中的workbench模块对针剂摆药机主体结构进行动静态仿真分析。当主体结构处在额定载荷下时，静态最大变形为0.058um，最大应力为11.25MPa，低于材料的许用应力。动态分析下的模态分析中，主体结构的一阶频率为31.787Hz，二阶频率为31.902Hz，沿y方向发生一阶弯曲，固有频率随阶数上升而上升，针剂摆药机采用的电机回转频率为16.7Hz，主动轴的工作频率为0.28Hz，工作频率远小于机构的固有频率。所以针剂摆药机主体结构可以在正常工作下远离共振区[6]，实现正常工作，动态特性良好。（本文作者：夏群、伍良生、屈重年、张宝柱 单位：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院）