姜迎春，王君玲，田佳玄，張祖立

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110866)

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凸輪式填料裝置排料器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運動仿真

姜迎春，王君玲，田佳玄，張祖立

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽110866)

摘要：在凸輪式填料裝置的設(shè)計中，排料器滑板結(jié)構(gòu)的厚度影響其應(yīng)力。為此，對滑板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析，并將最小安全系數(shù)與許用安全系數(shù)進(jìn)行對比，在滿足設(shè)計要求條件下對滑板結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行優(yōu)化，從而減輕排料器質(zhì)量以節(jié)省材料。通過對滑板結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化后的排料器滾子質(zhì)心的運動仿真可得到：滾子質(zhì)心的運動軌跡與理論設(shè)計的凸輪輪廓線一致；滾子位移曲線所得到的滑板伸出滾筒長度的最大值與設(shè)計一致；滾子徑向運動速度和加速度曲線規(guī)律符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：填料裝置；凸輪式；滑板結(jié)構(gòu)；運動仿真

0引言

隨著溫室種植技術(shù)的迅速發(fā)展，穴盤育苗方式被廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)作物及花卉的培育。它是20世紀(jì)70年代中期歐美國家率先發(fā)展起來的一種適合工廠化種苗生產(chǎn)的育苗方式，80年代中期引入我國[1]。穴盤育苗主要包括種子處理、基質(zhì)生產(chǎn)、基質(zhì)填料、壓穴、播種、覆料及淋水等工序[2-3]。為了提高穴盤育苗的技術(shù)水平，對鋪底土及覆表土的技術(shù)要求也就越來越高，因此保證排土均勻度及填料厚度已經(jīng)成為了衡量穴盤育苗質(zhì)量指標(biāo)之一，穴盤基質(zhì)填料工序?qū)⒅苯佑绊懲斗N位置準(zhǔn)確性和育苗質(zhì)量?；|(zhì)填料裝置可使基質(zhì)均勻地填充于穴盤中的各個穴室內(nèi)，可以提高工序質(zhì)量和生產(chǎn)效率[4]?；|(zhì)填料裝置的研究可促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的實現(xiàn)[4-5]。

本文針對凸輪式填料裝置[2,7]，采用有限元分析軟件對排料器上滑板結(jié)構(gòu)建立了三維模型，對其進(jìn)行靜力分析，得到節(jié)點應(yīng)力、位移圖；通過計算給出最小安全系數(shù)，并與許用安全系數(shù)進(jìn)行對比，從而對滑板結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行優(yōu)化。對優(yōu)化后的排料器滾子質(zhì)心進(jìn)行運動仿真，得到滾子質(zhì)心的運動軌跡，將其與理論設(shè)計的凸輪輪廓進(jìn)行對比；通過分析滾子的位移曲線可得到滑板伸出滾筒長度的最大值，并與設(shè)計進(jìn)行對比；對滾子徑向運動速度曲線進(jìn)行分析。

1凸輪式填料裝置

1.1　填料裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)

凸輪式填料裝置主要由皮帶輸送機(jī)構(gòu)、料箱、機(jī)架、鏈傳動機(jī)構(gòu)、排料器、調(diào)速電機(jī)及接近開關(guān)等組成，如圖1所示[2,7]。其中，排料器主要由填料滾筒、固定凸輪、滑板、支撐輪、主軸及滾子等組成，如圖2所示[7]。

1.皮帶輸送機(jī)構(gòu)　2.穴盤　3.支撐板　4.主軸　5.滑板

1.2　工作原理

凸輪式填料裝置的工作原理[2,7]：調(diào)速電機(jī)的動力經(jīng)鏈傳動傳遞給滾筒軸，帶動滾筒旋轉(zhuǎn)；在滾筒旋轉(zhuǎn)的過程中，因凸輪槽的限位作用，滾子帶動滑板只能在滾筒與支撐輪所組成的滑道內(nèi)上下運動；當(dāng)滑板旋轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)休止區(qū)時，伸出滾筒長度是最大的，滑板之間形成的槽可將料箱中基質(zhì)帶出來；當(dāng)滑板進(jìn)入回程區(qū)直至運動到近休止區(qū)時，滑板能完全地縮回到滾筒，基質(zhì)滑過導(dǎo)料板均勻地落入到穴盤中，完成整個填料過程。

1.支撐板　2.滑板　3.滾筒　4.支撐輪　5.主軸　6.滾子

2滑板的靜力分析

填料裝置是在低速條件下進(jìn)行的，滑板在工作過程中受到的沖擊力不是很大。通過滑板的靜力分析，在滿足設(shè)計要求的條件下對滑板的厚度進(jìn)行優(yōu)化，以減輕排料器質(zhì)量以節(jié)省材料。

2.1　基質(zhì)的受力分析

在取料階段中，兩滑板之間的基質(zhì)設(shè)為基質(zhì)1。由于兩滑板之間基質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于料箱中基質(zhì)的質(zhì)量，因此兩滑板之間的基質(zhì)可看作為一個質(zhì)點且質(zhì)量可忽略不計，其受力如圖3(a)所示。料箱填滿時的基質(zhì)設(shè)為基質(zhì)2，基質(zhì)總重為178.4N，受力如圖3(b)所示。

(a)　基質(zhì)1的受力圖　　　　 (b)　基質(zhì)2的受力圖

圖3(a)中:F為滑板對基質(zhì)1的推力；Fs為基質(zhì)1與其它基質(zhì)的摩擦力；N1為基質(zhì)2對基質(zhì)1的壓力；N為滾筒作用在基質(zhì)1上的支持力。

由圖3(a)中的受力關(guān)系可知

F=Fs=μN(yùn)1

(1)

其中，μ為基質(zhì)內(nèi)摩擦因數(shù)，可由實驗測得為μ=0.7。

由圖3(b)可列平衡方程式為

(2)

(3)

值得一提的是，今年香港Vinexpo，Penfolds首次舉辦白葡萄主題大師班，才讓大家知道他們家還隱藏了一眾如Bin 311、Reserve Bin A等涼爽產(chǎn)區(qū)和高海拔種植區(qū)的白葡萄酒。這個系列，中給了1919中國市場獨家運營的Bin 150，這個典型的Penfolds巴羅薩谷西拉，用的是頂級的子產(chǎn)區(qū)瑪拉南戈百年老藤葡萄釀制，濃郁飽滿，此前在澳洲賣得就很好。

2.2　滑板模型的建立與網(wǎng)格劃分

滑板模型較為規(guī)則，文中采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分?；逯械目讌^(qū)域可能發(fā)生應(yīng)力集中，因而網(wǎng)格設(shè)置較密集；滑板面的應(yīng)力變化較為平緩，因而網(wǎng)格設(shè)置較稀疏。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖4所示。

圖4　滑板的網(wǎng)格劃分

2.3　滑板的約束及載荷

1)面約束：根據(jù)填料裝置中滑板與其它部件之間的約束關(guān)系，可知滑板與滾子連接孔處為面約束。

2)面載荷：由式(1)計算可知，在取料階段，滑板受到基質(zhì)的阻力為95.6N；計算出面載荷，將其施加到伸出滾筒長17mm并且與基質(zhì)接觸的那個面上。

3)線載荷：滑板在運動過程中，料箱與兩個滑板槽之間的基質(zhì)會產(chǎn)生剪切力，經(jīng)過試驗可測得剪切力為100N，作用在滑板的最上端，故施加線載荷。

2.4　滑板的靜力分析

對滑板進(jìn)行求解與運算，滑板的節(jié)點位移如圖5所示。由圖5可知：深色部分變形量是最大的，是滑板在整個滑板伸出滾筒部分的上端位置，其最大位移為0.07mm，可見其最大變形量是極其微小的。

滑板的Von Mises節(jié)點應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知：在載荷作用下，滑板應(yīng)力在0~50.067MPa之間，深色部位是應(yīng)力值最大的部位，其值為50.067MPa，越接近深藍(lán)色部位應(yīng)力值越小。計算結(jié)果如表1所示。

圖5　節(jié)點位移圖

圖6　Von Mises節(jié)點應(yīng)力圖

載荷條件/N最大位移u/mm最小等效應(yīng)力σmin/MPa最大等效應(yīng)力σmax/MPa1000.07050.067

滑板的最小安全系數(shù)計算公式為

(4)

其中，S為安全系數(shù)；σs為材料的屈服極限(MPa)；σmax為最大等效應(yīng)力(MPa)。

滑板的材料是45鋼，其屈服強(qiáng)度為σs=355MPa。由式(4)可得滑板的最小安全系數(shù)S為7.09。

一般情況下，許用安全系數(shù)[S]=2~3。滑板的安全系數(shù)S遠(yuǎn)大于許用值，因而可以將滑板的厚度進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)省材料。

2.5　優(yōu)化后滑板的靜力分析

通過改變滑板的厚度對其進(jìn)行優(yōu)化。將厚度由原來的3mm[2]改為2mm。對于優(yōu)化后的滑板，其約束和載荷與優(yōu)化前是相同的。優(yōu)化后的節(jié)點位移和應(yīng)力圖分別如圖7和8所示，計算結(jié)果如表2所示。由式(4)可得優(yōu)化后的最小安全系數(shù)S為3.06。

圖7　優(yōu)化后的節(jié)點位移圖

圖8　優(yōu)化后的節(jié)點應(yīng)力圖

載荷條件/N最大位移u/mm最小等效應(yīng)力σmin/MPa最大等效應(yīng)力σmax/MPa1000.260115.706

由于填料裝置是在低速條件下運行的，因而滑板在工作過程中受到的沖擊力不是很大，優(yōu)化后的安全系數(shù)雖不是特別高，但也能夠滿足工作要求，且可減輕排料器質(zhì)量。

3排料器滾子的運動仿真分析

填料裝置的排料器上均勻分布12個滑板，各滑板運動規(guī)律完全相同，可通過其中一個滑板的仿真分析來判斷機(jī)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求。而滾子帶動著滑板一起運動，因此分析滾子的運動即可。

判斷滑板及滾子的運動情況是否滿足填料裝置的設(shè)計要求時，不需要給出鏈輪及電動機(jī)等部件的運動規(guī)律。因此，為了實現(xiàn)填料裝置的運動，可在連接軸上施加一定的轉(zhuǎn)數(shù)，來模擬電動機(jī)驅(qū)動鏈輪的工作。文中施加的轉(zhuǎn)數(shù)為8r/min。運動仿真所得到的滾子運動軌跡、位移和速度曲線分別如圖9~圖12所示。

由圖9可知：滾子質(zhì)心的運動軌跡為凸曲線，與理論設(shè)計的凸輪輪廓線一致，可見運動仿真與設(shè)計結(jié)果一致。

圖9　滾子質(zhì)心的運動軌跡

圖10為滾子質(zhì)心的位移曲線。滾子從遠(yuǎn)休止階段開始運動，1~2.5s是回程階段，滾子按照余弦運動規(guī)律在凸輪槽中運動；2.5~3.5s是在近休止階段進(jìn)行運動，此時的滑板已經(jīng)完全收回到滾筒內(nèi)；4.5~6s是推程階段，滾子按照等速規(guī)律運動。由圖10可看出：在此過程中，4.5s時滾子的線性位移為66mm，6s時滾子的線性位移為83mm，因而滾子的最大位移差為17mm，即為滑板伸出滾筒長度的最大值，這與文獻(xiàn)[2]的設(shè)計是一致的。

圖10　滾子質(zhì)心的位移曲線

圖11為滾子徑向運動的速度曲線。滾子的初始位置是遠(yuǎn)休止階段，徑向速度是不變的。當(dāng)滾子隨著排種器轉(zhuǎn)到回程階段時，也正是滑板開始收回滾筒的階段。滾子的徑向速度是先逐漸增大到最大值，然后速度又逐漸減小，但速度方向始終是指向圓心方向的，其運動符合余弦運動規(guī)律；到達(dá)近休止階段時，其徑向速度為零，并且一直保持不變；當(dāng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入推程階段時，滾子徑向沿背離圓心的方向做勻速運動，在此階段滑板逐漸伸出滾筒。速度曲線的變化規(guī)律符合設(shè)計的要求。

圖12為滾子的質(zhì)心加速度曲線。遠(yuǎn)休止期間，滾子的質(zhì)心加速度比較平穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)到回程時，滾子的加速度突然增大，到一定值后發(fā)生突變，而后又向反方向加速，達(dá)到最大值后，加速度又逐漸減小， 這是由于滾子在回程段余弦運動規(guī)律部分；在進(jìn)入近休止階段后，加速度又變得比較平穩(wěn)，幾乎維持在同一個值左右；當(dāng)滾子運動到等速部分即推程階段時，加速度也有一突變，方向向上，而后較平穩(wěn)，之后又發(fā)生突變，方向相反。

圖11　滾子徑向的速度曲線

圖12　滾子質(zhì)心加速度曲線

4結(jié)論

通過對凸輪式基質(zhì)填料裝置中的滑板結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，得到了節(jié)點應(yīng)力與位移圖，計算得到其安全系數(shù)為7.09。由于安全系數(shù)較大，從節(jié)省材料的角度考慮，對滑板結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行了優(yōu)化，將原厚度3mm改為2mm，優(yōu)化后滑板結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為3.06。由于滑板在工作過程中受到的沖擊力不是很大，因此優(yōu)化后的滑板可以滿足工作要求。

通過對優(yōu)化后的填料裝置進(jìn)行運動仿真可以得到：滾子質(zhì)心的運動軌跡為凸曲線，且與凸輪的輪廓線一致，這表明滾子與滑板的運動軌跡與理論設(shè)計曲線一致，符合填料裝置的工作要求。滾子位移曲線的變化規(guī)律與填料裝置的運動規(guī)律相符合，可得到滑板伸出滾筒的最大長度為17mm，這與設(shè)計值是一致的。滾子徑向運動速度和質(zhì)心加速度曲線變化規(guī)律符合設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)：

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[7]田佳玄,張祖立,王君玲.凸輪式填料裝置的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(7): 154-156.

Structure Optimization and Motion Simulation of Material Covering Device of Cam Tray Filler

Jiang Yingchun, Wang Junling, Tian Jiaxuan, Zhang Zuli

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Abstract：Stress is affected by the thickness of sliding plate of material covering device of Cam tray filler. The minimum safety factor and allowable safety coefficient by comparing by static analysis of sliding plate, the thickness of sliding plate is optimized under the condition of meet the design requirements. so as to reduce weight and saving material of the material covering device. Motion simulation for centroid of roller of material covering device by the thickness of the sliding plate is optimized show that trajectory of roller centroid is corresponding by comparing cam contour line of theoretical design; extending the length of sliding plate by displacement curve of roller is corresponding by comparing design; radial velocity and acceleration curves of roller are accord with the design requirements.

Key words：tray filler; cam; sliding plate; motion simulation

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0050-05

作者簡介：姜迎春(1978-)，女，遼寧大連人，講師，博士，(E-mail)jyclg-72@163.com。通訊作者：王君玲(1971-)， 女，遼寧葫蘆島人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)junlingw@163.com。

基金項目：中國博士后科學(xué)基金項目(2014M561250); 遼寧省科技廳重點項目(2008206001)

收稿日期：2015-09-23