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醫(yī)藥生產(chǎn)制造過程中，對藥品包裝設(shè)備穩(wěn)定性和產(chǎn)品包裝質(zhì)量都有較高的要求。為滿足生產(chǎn)要求，目前只能依靠國外進(jìn)口設(shè)備，但更換零配件的周期較長、維修服務(wù)費(fèi)用較高。如果能對進(jìn)口藥品包裝機(jī)主要零部件進(jìn)行國內(nèi)自主改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)，將能更好地提高生產(chǎn)效率及設(shè)備的柔性和靈活性^[1]，降低企業(yè)設(shè)備維護(hù)成本，提高企業(yè)利潤。針對某進(jìn)口藥品包裝機(jī)導(dǎo)向零件受損問題， 深入研究其在長時(shí)間進(jìn)行導(dǎo)向作業(yè)環(huán)境中發(fā)生斷裂失效的原因，準(zhǔn)確找出導(dǎo)向零件的危險(xiǎn)截 面，為后期改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論支持。

1. 導(dǎo)軌零件的工作原理

該進(jìn)口藥品包裝機(jī)導(dǎo)向零件主要對藥品和使用說明書進(jìn)行推裝作業(yè)，在整個(gè)藥品包裝過程中使用密度大、所受載荷沖擊次數(shù)多。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖 1 所示。導(dǎo)向零件的螺紋孔與其下方的推動(dòng)氣缸相連接，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向零件上下工位切換，導(dǎo)向零件的臺(tái)階端面與包裝機(jī)床身滑動(dòng)接觸。當(dāng)導(dǎo)向零件通過氣缸推動(dòng)作用處于上工位時(shí)開始進(jìn)行藥品推裝導(dǎo)向作業(yè)，推桿的兩個(gè)滑動(dòng)頭（1 和 3）通過床身上的導(dǎo)向槽（4 和 6）， 再分別進(jìn)入導(dǎo)向零件的導(dǎo)向壁和導(dǎo)向槽（10），從而實(shí)現(xiàn)藥品推裝入盒。當(dāng)導(dǎo)向零件通過氣缸推動(dòng)作用處于下工位時(shí)開始進(jìn)行說明書推裝導(dǎo)向作業(yè)，推動(dòng)桿的兩個(gè)滑動(dòng)頭（1 和 3）通過床身的導(dǎo)向槽（4 和 6），直接從導(dǎo)向零件的上端通過，而不進(jìn)入導(dǎo)向零件的導(dǎo)向壁和導(dǎo)向槽 10， 從而實(shí)現(xiàn)說明書推裝入盒。

1、3.滑動(dòng)頭 2.推桿 4、6、10.導(dǎo)向槽 5.包裝機(jī)床身

7.導(dǎo)向零件 8.導(dǎo)向壁 9.螺紋孔 11.臺(tái)階端面

圖 1 某進(jìn)口藥品包裝機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2. 導(dǎo)向零件的靜力分析
3. 1. 有限元模型

首先，利用 Solidworks 對實(shí)物零件進(jìn)行三

維數(shù)字化建模，啟動(dòng) ANSYS Workbench 并導(dǎo)入導(dǎo)向零件三維模型。對于導(dǎo)向零件螺紋孔螺紋和與其相連接的氣缸結(jié)構(gòu)不再進(jìn)行建立模型， 將其機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡化為系統(tǒng)環(huán)境約束作用在導(dǎo)向零件上^[2]。其次，在 ANSYS Workbench 系統(tǒng)中對導(dǎo)向零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立導(dǎo)向零件的有限元網(wǎng)格模型，并對螺紋孔進(jìn)行局部網(wǎng)格控制處理^[3-4]。最后得到導(dǎo)向零件有限元模型，共計(jì)27004 個(gè)單元、42263 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖 2 所示。

圖 2 導(dǎo)向零件的有限元模型

1. 2. 材料屬性

根據(jù)對導(dǎo)向零件材料的分析和檢測，確定導(dǎo)向零件的材料為普通碳素鋼 Q235，并進(jìn)行了表面熱處理。設(shè)置導(dǎo)向零件材料屬性^[5]為：彈性模量 208000 MPa、泊松比 0.3、抗拉強(qiáng)度 460

MPa、屈服強(qiáng)度 235 MPa、密度 7.8 g/mm³。

1. 3. 環(huán)境設(shè)置

為得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，必須根據(jù)零件實(shí)際工況正確地對有限元模型施加約束和載荷^[3]。根據(jù)導(dǎo)向零件在導(dǎo)向工況下的特征，約束導(dǎo)向零件螺紋孔為圓柱面約束，設(shè)置徑向和切向?yàn)樽杂杉s束、軸向?yàn)楣潭s束；約束導(dǎo)向零件臺(tái) 階形端面的所有自由度，限制 X、Y、Z 的平移； 導(dǎo)向槽 10 的導(dǎo)向壁受到滑動(dòng)頭 3 沖擊載荷 F_Z＝－217.35 N，導(dǎo)向壁 8 受到滑動(dòng)頭 1 沖擊載荷 F_Z＝－14.27 N。

1. 4. 分析結(jié)果

根據(jù)導(dǎo)向零件的實(shí)際載荷和約束條件，利用 ANSYS Workbench 有限元分析軟件求解出導(dǎo)向零件的最大應(yīng)力和應(yīng)力主要集中區(qū)域，如圖3 所示?？芍獙?dǎo)向零件所受最大應(yīng)力為223.73 MPa，在螺紋孔位置；導(dǎo)向槽導(dǎo)出端斜角的應(yīng)力接近 174.01 MPa；導(dǎo)向槽底面的應(yīng)力分布主要是 24.56～174.01 MPa；導(dǎo)向零件所受最大應(yīng)力小于材料極限屈服極限，說明原導(dǎo)向零件的靜力強(qiáng)度能滿足實(shí)際工作要求。通過靜力分析結(jié)果知道，導(dǎo)向零件所受最大應(yīng)力并不會(huì)導(dǎo)致零件斷裂失效，因此還需進(jìn)一步分析和研究。

圖 3 導(dǎo)向零件靜力分析結(jié)果

3. 導(dǎo)向零件的疲勞分析
4. 1. 設(shè)置求解

疲勞是指結(jié)構(gòu)在反復(fù)作用的交變應(yīng)力下， 即使結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，也會(huì)出現(xiàn)斷裂失效的現(xiàn)象^[3]。在靜力分析基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步對導(dǎo)向零件進(jìn)行疲勞分析和研究。從導(dǎo)向零件實(shí)際工況知道其所受載荷屬于恒定載荷疲勞，因此定義載荷類型為對稱循環(huán)載荷。根據(jù)包裝機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置疲勞強(qiáng)度因子為0.8、壽命為 5 萬次，查看導(dǎo)向零件的壽命、安全系數(shù)和等效交變應(yīng)力。

1. 2. 分析結(jié)果

首先從圖 4、圖 5 可以看出導(dǎo)向零件的最小疲勞壽命和最小安全系數(shù)主要出現(xiàn)在螺紋孔位置及導(dǎo)向槽導(dǎo)出端斜角位置；最小疲勞壽命為 8173 次，已不能滿足包裝機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)使用要求，最小安全系數(shù)為 0.3，降低了 70%。其次比較圖 6 與圖 3，可以看出導(dǎo)向零件最大應(yīng)力為

1. 67. MPa，提高了 25%，同樣主要出現(xiàn)在螺

紋孔位置，并已超過材料極限屈服極限 8.95%。最后比較圖 6 與圖 3，可以看出導(dǎo)向槽底面的應(yīng)力分布主要是 31.08～217.52 MPa，提高了25%～26.55%，同時(shí)其區(qū)域面積也有所擴(kuò)大。

圖 4  導(dǎo)向零件壽命疲勞云圖

圖 5  導(dǎo)向零件安全系數(shù)云圖

圖 6 導(dǎo)向零件等效交變應(yīng)力云圖

從導(dǎo)向零件疲勞分析結(jié)果知道，雖然靜力分析結(jié)果顯示導(dǎo)向零件最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，但是不能保證零件在反復(fù)應(yīng)力作用下仍然能滿足使用要求。因?yàn)閷?dǎo)向零件承受了反復(fù)應(yīng)力，使其應(yīng)力、疲勞壽命、安全系數(shù)及應(yīng)力分布區(qū)域和面積都發(fā)生了變化，從而降低了導(dǎo)向零件導(dǎo)向槽底面的強(qiáng)度和韌性，而導(dǎo)向槽底面厚度只有 3 mm，因此此處應(yīng)該是導(dǎo)向零件最大危險(xiǎn)截面，這可能是導(dǎo)致導(dǎo)向零件斷裂失效的主要原因。

將理論分析的結(jié)果與導(dǎo)向零件發(fā)生斷裂失效的實(shí)際情況進(jìn)行對比分析，從圖 7 還可以看出，鎖閉裝置失效、車門控制系統(tǒng)故障及司機(jī)室側(cè)門故障，在大修后故障明顯增加。