砌块成品码垛主机的设计与研究

摘要：在当前建筑行业的迅猛发展背景下，砌块作为重要的建筑材料，其生产线的效率与成品质量直接关联到项目的进度与成本。本研究深入探讨了砌块成品码垛主机的创新设计与详尽研究，旨在解决传统码垛方式中效率低、砖型适用性差、砌块损伤严重及人力成本高昂等核心问题。通过精细化的设计思路、结合有限元仿真分析手段以及严谨的实验验证，本研究成功开发出一种集高效性、高适用性、低损伤性及自动化于一体的砌块成品码垛主机。此设计不仅显著提升了生产线的整体效率、布置适用性，还大幅降低了砌块在生产过程中的破损率，为建筑行业的转型升级提供了强有力的技术支撑。

关键词：砌块成品；码垛主机；创新设计；高适应性；自动化；有限元分析；

引言：

随着建筑行业对砌块需求量的不断攀升，砌块砖的规格越来越多，传统的砌块生产线面临着前所未有的挑战。特别是在码垛环节，人工操作不仅效率低下，还容易因操作不当导致砌块损坏，增加了生产成本与人力负担；而且，现有的设备一般是针对特定的砖型设计，新增加一种砖型需求就得新开发一款设备或者得进行设备改造，砌块成品码垛主机对市场新增需求的新砖型的适用性严重不足。因此，研发一种能够自动、高效、高适用性且低损伤地完成砌块码垛任务的主机，成为了提升砌块生产线竞争力的关键。本研究将从设计理念的革新、计算机辅助软件在设计中的应用以及实验验证的严谨性等方面，对砌块成品码垛主机的设计与研究进行全面阐述。

1.设计理念的革新

1.1 集成化的设计理念

本研究深入分析了砌块成品码垛主机的实际设计需求，发现砌块成品码垛主机的设计参数主要有码垛高度、水平行程、码垛精度、周期要求、砖高差异以及夹持重量等；如表1所示，本设计将这些设计参数的需求进行了分析，并制定了对应的解决方案，确保本设计集成了各项设计需求，能够突破现有码垛技术的局限性。同时，经过分析研究，明确了砌块成品码垛主机的设计目标：即实现自动化、高效化、高适应性、低损伤化的码垛作业。为此，本设计提出了一种创新的设计理念，即将砌块砖成品并紧、砖板分离、留孔码垛和旋转码垛等多个功能模块集成于一体，并对砌块成品的码垛流程进行规划设计，从而形成一套完整的自动化码垛系统，如图1所示。为了兼顾生产线布置要求，加大了码垛主机的机架宽度，并标准配置旋转码垛功能，从而使本设计的砌块成品码垛主机可以同时满足横向布置和纵向布置，实现横向布置设备和纵向布置设备的集成化设计。这一设计理念的革新，不仅提高了码垛作业的连贯性与效率，还有效降低了砌块在码垛过程中的损伤风险，同时提升了码垛主机的适用性。

1.2 模块化的设计理念

设计目标和方案确定后，对砌块成品码垛主机进行了整机规划设计，确定砌块成品码垛主机由机架部件、竖直升降部件、水平行走部件、夹爪部件、液压站系统以及电控系统等组成。其中，夹爪部件因为需要适配不同的砖型而需要配置不同长度的主副夹部件、留孔部件和夹持压力感应部件。本设计采用模块化的设计理念，根据各个主副夹部件的特点，设置具备快速拆卸功能的安装接口，使得各个主副夹部件能快速安装。为实现留孔码垛和夹持压力感应的可选功能，在夹爪机架上预留留孔部件安装接口、在主副夹液压系统中预留夹持压力感应器接口，将留孔部件和夹持压力感应部件接口模块化，实现了不同模式间快速切换的设计目标，在提升设备适用性的同时，缩短了产品换型的时间。

2.计算机辅助软件在设计中的应用

2.1 三维CAD软件在设计中的应用实践

随着现代设计技术的快速发展，在设备开发设计中，国内外全面采用三维CAD设计软件；这不仅可以避免或消除机构在空间尺寸方面的设计缺陷与失误，还能通过参数化建模简化设计计算[1]。本设计为了实现上述设计理念革新，需要进行大量的设计计算。相对于传统的公式计算，借助三维CAD设计软件进行机构的设计能够简化计算，大大提升设计效率和准确性。本文中以码垛夹爪动力选型为例，阐述CAD软件在本设计中的应用。

因为旋转码垛的需求，本设计夹爪部件需要一个水平方向上的旋转动作，有90°旋转和180°旋转两种工作模式；而夹爪部件是一个不规则的部件，很难用公式计算其转动惯量，而SolidWorks的质量属性模块能够自动计算其转动惯量：在建模的过程中按各个零部件的真实尺寸和材料属性建模，并在参数化建模时，确保码垛夹爪部件的旋转轴与坐标系轴线重合，就能够直接得到夹爪部件在对应轴线上的转动惯量，如图2所示。得到夹爪部件的转动惯量后，再根据设计要求的夹爪部件的转速和动作节拍计算出夹爪部件的角加速度，进而计算出旋转动力部件所需减速机的扭矩和转速[2]，最后结合减速机类型和安装形式，通过查询减速机的选型样本就可选型出对应的减速机型号，详细计算过程如表2所示。

三维CAD软件在设计中的应用将大幅提升机器设计的质量，提高自主创新能力及掌握核心技术的能力，提高设备的可靠性，缩短设计制造周期[1]。

2.2 CAE技术在设计中的应用实践

在传统产品设计中，各项产品测试皆在设计流程后期方能进行。因此，一旦产品发生问题，除了必须付出设计成本外，相关前置作业也需要改动。而CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术，利用有限元、有限体积及差分等分等方法与计算机技术相结合，形成了新兴的跨专业和跨行业的学科[3]。CAE不仅能在产品尚未批量生产前协助工程技术人员进行产品设计，更可以在批量生产阶段协助工程技术人员在重新更改时找出问题发生的起点[3]。可见，CAE技术在设计中举足轻重，而ANSYS支持与三维CAD软件数据共享与交换，在SolidWork等三维CAD软件里更改模型参数，可同步更新到ANSYS的分析模型里，使得进行模型优化设计非常便捷。本研究以水平行走部件的主动轴设计为例，以ANSYS的Workbench仿真环境为工具，阐述CAE技术在设计中的应用。本设计中，水平行走动力部件的主动轴作为动力的输出关键件，其可靠性对砌块成品码垛主机尤为重要，所以在样机试制前需对主动轴的可靠性进行仿真验证；

首先需要做的就是主动轴模型的前处理，即建立有限元模型，完成单元网格划分。本设计中，在SolidWork平台里已对主动轴进行了参数化建模，直接将模型读入ANSYS的Workbench环境中，定义主动轴的材料属性为45钢，设定网格划分方法为六面体主导、设定网格单元大小为10mm后进行有限元网格；从网格质量评估界面可见网格单元质量平均值为0.87，纵横比比率为1.23，角节点雅可比比率为0.89，高斯节点雅可比比率为0.94，翘曲系数接近于0，偏斜系数为0.12，节点数为20371，单元数为10366，可见此网格划分合理。

网格划分后，进行边界条件的加载和求解：本设计中主动轴的转速为中低转速，轴失效的原因主要是强度不足，故本研究主要仿真主动轴的强度。主动轴在启动和停止的瞬间所传递的扭矩和受到的径向力都是最大的，本次仿真就以此极限载荷为边界件条件进行求解：以本设计选定的减速机最大的转矩425Nm、同步带传动最大的径向力6000N为受载条件，将主动轴的轴承位置进行轴承连接约束并施加标准地球重力，两端的同步轮键槽位置设置为固定支撑。

最后进行求解结果的后处理：主动轴的分析结果如图3所示，从运算结果可见本设计的主动轴的最大等效应力值为199.74MPa，最大变形量为0.082mm，等效弹性应变为0.0006，而热处理后45钢的屈服强度为355MPa，抗拉强度为600MPa[5]，可见本安全系数大于1.5[6]，从而可知本设计主动轴的材料选型和尺寸设计符合要求。

实验验证与数据分析

3.1 设计过程中的实验验证

为了验证砌块成品码垛主机的设计效果与性能指标，本研究进行了严格的实验验证与数据分析工作。首先，利用ansys仿真软件对码垛主机的机架部件进行了静力学分析，对水平行走部件、竖直升降部件等关键部件进行了多刚体动力学分析与静力学结构受力分析，验证了设计的合理性与可行性。随后，根据设计方案制作了样机，并分别进行了空机调试、带载测试、满载测试、砖型适配性验证以及产品换型的调整周期验证等多次实际测试，验证了砌块成品码垛主机的设计效果与性能指标完成情况，确认已达成既定的设计目标。

3.2 试制样机的实验数据分析

通过对比分析实验数据，本研究发现本设计的码垛主机在生产效率、砌块损伤率及产品适应性等方面均表现出显著的优势。具体而言，本设计的码垛主机的生产节拍达到13s/层，而竞品设备的生产节拍为18s/层，生产效率提升了27.8%；样机的砌块损伤率降低至1.6%，远低于手工码垛的损伤率，与竞品设备的损伤率差异不大；试制样机的码垛夹爪的夹持重量达到700kg，比竞品设备多了27.3%，能够满足现有的绝大部分砖型；而码垛夹爪部件（如图4所示）的主副夹设计了快拆结构后，产品换型时只需更换夹爪部件的橡胶条组件，码垛主机的换型周期由原来的30分钟缩短至10分钟，大大提升了生产线的换型效率。同时，因为夹爪橡胶条组件采用了模块化设计，根据不同的码垛规格选用对应的夹爪橡胶条组件，使得码垛主机在适应砖型变化方面表现突出，设备的适应性得到了有效保证。

4.结论与展望

综上所述，本文设计的砌块成品码垛主机在设计理念、设计实践及实验验证等方面均取得了显著成果，达成了预定的设计目标。该主机的成功研发不仅解决了传统码垛方式中的诸多问题、提升了设备的市场竞争力，还为建筑行业的自动化发展提供了新的思路与方向。而融合CAD与CAE的设计方法，提供了一个设计仿真一体化平台，为设备研发提供了全面的信息化支持。展望未来，我们将继续优化设计方案、提升技术水平、拓宽应用领域，努力为建筑行业的持续健康发展贡献更多的智慧与力量。

参考文献

李绍炎编著；自动机与自动线.北京，清华大学出版社，2020.9；

（日）安达胜之等著；杨晓辉等译.机械公式活用手册.北京，科学出版社，2001；

天工在线编著；ANSYS Workbench 2021有限元分析从入门到精通.北京，中国水利水电出版社，2022；

尚晓江等编著；ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用.北京，中国水利水电出版社，2020；

张英云 涂佑青等编著；最新实用金属材料手册.江西南昌，江西科学技术出版社，1999；

成大先主编.机械设计手册.北京，化学工业出版社，2004.