摘要：传统的铁合金吨袋破袋作业采用人工作业的模式，人工破袋作业过程中存在着一定的安全隐患，同时存在作业环境差、劳动强度大、效率低等问题。针对破袋作业过程中存在的问题，提出一种适用于铁合金吨袋包装的破袋装置，以期能够改善作业环境、降低劳动强度及提高作业效率。文章对吨袋自动破袋装置进行简单的阐述及介绍，并对其结构及工作原理进行简单研究与分析。相比传统的作业模式，有较大的推广价值及意义。同时利用三维软件Inventor对吨袋破袋装置的主要零部件进行模态分析，以期得到其固有频率，防止共振。

　　关键词：破袋装置；破切机构；行走机构；模态分析

　　目前大型钢铁冶金企业均配置有铁合金仓库，作为铁合金的中转使用。而铁合金为了便于储存运输及保护铁合金不受外力破坏、污染，通常采用吨袋包装。铁合金吨袋通常由聚乙烯薄膜等材料制成，具有高强度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等特点。铁合金在发料、上料及取样过程中需要将包装袋割破，然后再进行后续作业。传统的破袋作业模式为人工破袋，工艺流程为首先用起重机将装有铁合金散料的吨袋吊运至料斗或者发料平台的上方，然后人工用割刀将吨袋底部割破，在人工的辅助下使铁合金散料落入发料平台的料斗中。该作业过程存在着较多安全缺陷如人员易跌倒、挤伤和划破手；同时破解吨袋过程中，操作人员既要转动吨袋，又要用力举刀划开吨袋，作业强度大，作业效率低。因此针对此作业过程进行创新研究及设计，以期实现自动化、机械化作业，替代传统的人工作业。

　　1铁合金吨袋破袋装置总体简介

　　文章研究的铁合金吨袋破袋装置适用于各大钢铁冶金企业中用铁合金吨袋的破袋作业。其总体结构主要由钢结构机架平台、破切机构（含传动机构）、行走移动机构（含传动机构）、料仓、除尘系统、安全系统、监控系统及电气控制系统组成［1］。主要技术参数如表1所示。

　　其工作流程为：起重机根据生产指令将铁合金吨袋（1~6袋）吊运至破袋装置上方，落在料仓上方的支撑杆上，破袋装置感应到吨袋重量后，破袋装置自动启动（根据需要可设置成收到操作模式，手动启停），首先启动破切机构，然后行走移动机构开始启动，行走移动机构带动破切机构运行至吨袋位置，破切机构进行旋转作业，割破吨袋，铁合金散料从吨袋中滑落至料仓内［2］。整体机构如示意图1所示。

　　1.1钢结构机架平台

　　机架平台采用框架结构形式，主要由型钢立柱、横梁、斜撑、上下楼梯及安全栏杆等组成。机架平台主要用于固定和支撑破袋装置各个机构，同时作为人工现场操作工位。型钢立柱采用H型钢，底部设置底板，底板与基础的连接，可以通过+地脚螺栓的连接形式，也可采用底板与预埋板焊接的形式，防止作业过程中机架失稳。机架平台上部设置横梁，使各结构之间形成紧密联系，增强机架平台的稳定性及整体性。机架平台中间安装破切机构及行走移动机构，下部安装料仓，衔接相应的输送皮带机或者直接入汽车［3］。

　　1.2破切机构

　　破切机构是设备的主要工作部件，用于铁合金吨袋的破袋作业。其主要原理是通过三合一减速电机带动主轴旋转，使刀片跟随旋转，从而对吨袋进行切割作业，进而通过划破铁合金吨袋，实现整个破袋作业。

　　破切机构主要由传动部分、链轮组件、主轴及刀片组成。传动部分采用三合一减速电机，有效提高传动效率并减小体积，同时具有集成式、紧凑式和数字可控等特点，能够很好地适应现场工况要求。链轮组件由分为主动链轮和从动链轮组成，主动链轮通过键安装在减速电机的输出轴上，从动链轮则通过键安装于主轴上，通过链条传递给刀片主轴，带动刀片旋转作业。破切机构主轴采用45#钢，刀架通过键安装在主轴上。由于部分铁合金密度大、强度高，在设备作业过程中及铁合金在下料过程中，刀片会不可避免会磨损，考虑到刀片为易损件，则刀片采用螺栓安装在刀架上，便于后续更换。刀片采用防爆片、防飞片设计形式。刀片需具备一定的耐磨性，并满足足够的刚度及韧性。刀架安装形式则采用分体哈夫连接，上下部分采用螺栓连接为一体，便于后续的检修维护［4］。如图2。

　　1.3行走移动机构

　　铁合金吨袋通常由车间内行车吊运在破袋装置上方格栅板上，单次吊运约4~6袋，因此破切机构需要做一定的往返运动。行走移动机构主要由驱动部分（采用三合一减速电机）、链轮传动、输出轴、移动传送链条、直线导轨等组成。破切机构通过底座安装在直线导轨上，随直线导轨运动。行走移动机构的驱动部分采用三合一减速电机驱动，适应现场空间、控制等要求。行走移动机构主要工作不仅采用直线导轨。直线导轨采用燕尾重载直线导轨及直线轴承，具有高精度、高刚度、长寿命及操作平稳等特点。如图3。

　　1.4料仓

　　料仓由钢结构制作而成。料仓的主要由导向板、吨袋支撑杆、加强筋及仓体等组成。导向板设置在料仓上侧，三面设置，另外一侧作为吊装出入口。导向板一方面起导向作用，避免破袋作业过程中，吨袋的大幅移动，另外一方面起保护作用，避免人员摔倒等意外情况发生。吨袋支撑杆由钢管制作，横穿料仓上部，主要用于吊装作业后吨袋坐落在支撑杆上，主要起支撑作用。料仓加强筋布置在仓体内侧，设置成格栅板式，主要起缓冲作用，降低落料过程中对仓体的直接打击。仓体由钢板焊接而成，为倒锥形，落料后的合金通过仓体的导流作用进入汽车车体或输送带上［5］。

　　1.5除尘系统

　　铁合金吨袋在破袋作业后，落料过程中不可避免地会出现扬尘现象，在料仓上侧壁设置除尘管道，含尘气体经由除尘管道后进入袋式除尘器，净化后的气体经风机、消声器送入烟囱排放。

　　1.6安全系统

　　安全系统主要由报警系统、安全光幕及护栏等部分组成，当发生非法入侵现象时，自动报警，并连锁关闭急停状态，防止事故的发生或扩大。其中安全光幕采用安全认证的光幕产品，由投光器和受光器两部分组成。其基本原理为由投光器发射出调制的红外光，由受光器接收，中间形成了一个区域保护网；当外界有物体非法入侵区域保护网时，物体将红外光挡住，阻挡受光器的正常接收，受光器通过内部控制线路，电路马上作出反应，系统发出报警信号，同时紧急切断电源，确保人员作业安全。

　　1.7监控系统

　　为保证作业安全及防护需求，设备配置监控系统。监控系统主要由控制设备、前端监视设备、显示设备、传输设备、后端存储等五大部分组成用来对破袋过程进行远程安全监控，监控画面可在远程控制室内查看。

　　1.8电控系统

　　电控系统主要包含远程控制柜、现场操作箱、可编程的PLC柜、触摸屏等，具备远程和现场操作的功能。可通过现场操作箱的控制按钮，实现破袋设备的启、停、急停、暂停、程序选择等功能。

　　2铁合金吨袋破袋装置特点分析

　　（1）料仓三侧设置挡板，避免人员滑落至料仓内，保护人员作业安全，同时可对吨袋进行适当的导向作用。

　　（2）料仓上设置支撑杆，可对吨袋进行一定能力的支撑作用，减小破切机构对吨袋自重的承载能力，同时料仓设置格栅，可以有效缓冲合金落料的缓冲。

　　（3）破切机构刀架采用装配式刀片，刀片采用螺栓固定在刀架上，方便后续备品备件的更换。

　　（4）创新性地使用移动式的行走机构，能够单次破袋作业1~6袋，整个作业过程顺畅合理，节约吨袋调整位置所用时间，最大限度地节约时间。

　　（5）破切机构采用旋转刀片切割，作业模式区别于传统的破袋模式，简单高效。

　　3破切机构的模态分析

　　破切机构是吨袋破袋装置的关键工作部件，由于其作业的特殊性及复杂性，可能会发生共振情况，因此利用Inventor软件对其进行模态分析，得到机构和设备等零部件在产生自由振动时所具备的基本振动特性，进而根据得到的结果，规避开这些频率。

　　3.1模型的建立

　　采用Inventor三维设计软件对破切机构的主轴、刀片及刀架等建立三维实体模型。

　　破袋机构通过主轴两端的轴承座安装于移动行走机构的底座上，轴承座通过螺栓固定。故通过施加于主轴两端的固定约束，模拟底座对其的支撑作用，破切结构和零部件自身材料的弹性模量和自身结构设计是影响模态分析的主要因素，影响固有频率的只有质量和刚度，而外部激励则对模态分析没有影响，故不考虑外加载荷的影响，所以在对破切机构进行模态分析时，不考虑外部载荷的因素，不施加载荷。

　　3.2网格划分

　　对应用Inventor建模的破切机构进行网格划分，由于模态分析对网格划分的疏密程度不高，所以网格划分时根据需要，合理划分。划分破切机构中有限元模型单元节点共计879535个，元素总数共计为507529个。模型的杨氏模量E=200GPa，泊松比ν=0.3，材料密度ρ=7.85×10g/cm3。

　　3.3破切机构的模态分析

　　在利用Iventor对破切机构进行模态分析计算过程中，可将分析结果的模式数设置成六，然后将之前建立的三维模型应用到Iventor软件中环境视图应力分析模块中，分别根据设置特性，最后得出相应的运算结果，得出其各频率下的阵型图（见图4），其前6阶各阶固有频率表见表2。

　　3.4结果分析

　　通过对破袋装置的主轴及刀架进行模态分析，可以得出主轴及刀架前六阶估有频率主要分布在37.17~184.18hz。频率密集区域集中在三个区域，即一阶与二阶37.17~37.2hz，三阶与四阶96.8~97.19hz，五阶与六阶193.88~184.18hz。

　　4结语

　　铁合金吨袋破袋装置区别于传统人工破袋的作业模式，较好地实现了破袋作业的机械化与自动化，减轻了作业工人的劳动强度，同时采取一系列的安保措施，最大限度地保护作业工人的安全，与除尘系统的结合防止了落袋过程中粉尘外溢严重的情况。铁合金吨袋破袋装置能够很好地适用于现有的作业环境与特点，解决目前人工破袋存在的安全、作业效率等问题，将为钢厂此作业区域的智能化、自动化起到积极的推动作用。

　　参考文献

　　［1］胡文秀.基于Ansys Workbench的卷式割草机滚筒模态分析［J］.现代农机，2022（2）：64-65.

　　［2］裴泽光，刘琰，张金中，等.棉包自动拆袋机的创新设计［J］.棉纺织技术，2023，51（1）：5-9.

　　［3］余辅华.高速袋装饲料投料系统的开发与研究［J］.福建农机，2018（2）：41-44.

　　［4］赵峰，柳轶明，王向东，等.吨包拆袋投料站的创新设计与应用［J］.粮食加工，2022，47（1）：77-78.

　　［5］占加林，朱华炳，徐峥，等.前置摆动式割草机的结构设计与模态分析［J］.机械制造与自动化，2018，47（2）：141-144.