朱興亮+王麗紅+坎雜+李成松+秦金偉

摘要： 為解決現(xiàn)有加工番茄果秧分離裝置沖擊載荷大、易堵塞等問(wèn)題，利用非圓輪系設(shè)計(jì)了加工番茄果秧分離裝置振動(dòng)發(fā)生器。分析了加工番茄果秧分離試驗(yàn)高速錄像，擬合并修正了果秧分離裝置輸入輸出角位移間函數(shù)關(guān)系；選用W-W型非圓齒輪輪系設(shè)計(jì)振動(dòng)發(fā)生器，求取了輪系中非圓齒輪節(jié)曲線(xiàn)，并進(jìn)行了封閉性驗(yàn)證和齒輪中心距圓整，獲得了非圓齒輪最終節(jié)曲線(xiàn)公式?；谏鲜鲅芯浚O(shè)計(jì)了非圓輪系加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器，并介紹了其工作原理。該振動(dòng)發(fā)生器具有傳動(dòng)平穩(wěn)、精確、高效的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足果秧分離裝置平穩(wěn)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)需求，為加工番茄收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供了新方法。

關(guān)鍵詞： 加工番茄；果秧分離；W-W非圓輪系；齒輪節(jié)曲線(xiàn)；振動(dòng)發(fā)生器

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0398-03

目前，世界加工番茄種植區(qū)主要集中在美國(guó)加利福尼亞地區(qū)、歐洲地中海地區(qū)和中國(guó)的新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)[1]。美國(guó)和歐洲大多實(shí)現(xiàn)了番茄收獲機(jī)械化，中國(guó)作為世界番茄的主要產(chǎn)區(qū)，機(jī)械化收獲程度卻很低，且國(guó)內(nèi)番茄收獲周期短，收獲季節(jié)氣溫高，未及時(shí)收獲易影響番茄品質(zhì)[1-5]。因此，機(jī)械化收獲是番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

果秧分離是番茄機(jī)械化收獲的重要環(huán)節(jié)之一[5]，振動(dòng)發(fā)生器作為其驅(qū)動(dòng)部件，傳動(dòng)效果直接影響番茄收獲機(jī)工作性能。目前，國(guó)內(nèi)外加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器主要采用偏心塊式[1，6-7]，利用2個(gè)對(duì)稱(chēng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)稱(chēng)力偶，帶動(dòng)分離裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，但該傳動(dòng)方式導(dǎo)致分離裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生偏心力偶，易產(chǎn)生機(jī)架共振，甚至停止工作[5]；此外，存在沖擊載荷大、易堵塞等問(wèn)題[1]，且傳動(dòng)過(guò)程不可靠，難以實(shí)現(xiàn)精確傳動(dòng)，導(dǎo)致分離效果不穩(wěn)定。非圓齒輪行星輪系可實(shí)現(xiàn)變速單向、變速回轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜特殊的運(yùn)動(dòng)[8-13]，既能實(shí)現(xiàn)凸輪的變速運(yùn)動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)齒輪精確高效重載的傳動(dòng)，具有牢靠、緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)[14]，廣泛運(yùn)用在高速插秧機(jī)、液壓馬達(dá)、紡織機(jī)械上[10，12]，可用來(lái)替換現(xiàn)有機(jī)構(gòu)作為加工番茄果秧分離裝置振動(dòng)發(fā)生器。

本研究通過(guò)對(duì)果秧分離裝置輸入輸出角位移散點(diǎn)圖分析，擬合其輸入輸出角位移關(guān)系，獲取傳動(dòng)比函數(shù)，設(shè)計(jì)非圓齒輪輪系，旨在滿(mǎn)足分離裝置運(yùn)動(dòng)需求基礎(chǔ)上減少裝置沖擊載荷，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)精確傳動(dòng)，為加工番茄收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供新方法。

1 果秧分離裝置傳動(dòng)函數(shù)的獲取

在FS-35型加工番茄果秧分離試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行多組試驗(yàn)，獲取最優(yōu)分離率高速錄像，分析得到果秧分離裝置輸入輸出角位移散點(diǎn)圖（圖1）。

通過(guò)觀(guān)察散點(diǎn)圖像可知，函數(shù)呈周期變化，因此為滿(mǎn)足裝置工作要求，只需取單一周期進(jìn)行擬合即可。

由角位移散點(diǎn)圖可以看出，角位移函數(shù)符合y=ax+bsinωx的變化趨勢(shì)，且圖像在極值點(diǎn)前后有差別，為提高擬合函數(shù)精度，需要進(jìn)行分段擬合，因此利用非線(xiàn)性擬合方式進(jìn)行自定義分段擬合獲得角位移函數(shù)：

2 非圓齒輪的設(shè)計(jì)

由圖1可知，非圓齒輪輸入輸出角之間變化關(guān)系為變速往返運(yùn)動(dòng)，2個(gè)定軸非圓齒輪傳動(dòng)具有局限性，僅能夠?qū)崿F(xiàn)單向連續(xù)或歇停轉(zhuǎn)動(dòng)，而非圓齒輪輪系具有更多的傳動(dòng)形式，可實(shí)現(xiàn)變速往返運(yùn)動(dòng)[12，15-16]。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，選擇具有2個(gè)圓齒輪的W-W型非圓齒輪輪系，如圖3所示。

2.1 非圓齒輪節(jié)曲線(xiàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)果秧分離裝置輸入輸出角位移關(guān)系公式（2）可得到傳動(dòng)比函數(shù)：

為便于研究，根據(jù)機(jī)械原理，給整個(gè)機(jī)構(gòu)繞軸Ⅰ施加-dφH/dt的運(yùn)動(dòng)，則系桿成為靜止，可將整個(gè)行星輪系按照定軸輪系進(jìn)行分析。因此，由定軸輪系非圓齒輪節(jié)曲線(xiàn)公式可得到以下節(jié)曲線(xiàn)公式。

2.2 節(jié)曲線(xiàn)封閉驗(yàn)證

為保證非圓齒輪輪系能夠平穩(wěn)傳動(dòng)，應(yīng)保證非圓齒輪節(jié)曲線(xiàn)能夠封閉，因此需要對(duì)非圓齒輪節(jié)曲線(xiàn)的封閉特性進(jìn)行驗(yàn)證[15-16]。

對(duì)于齒輪1：由式（4）、式（6）可知，φH1=-φH，φH在0～2周期內(nèi)變化時(shí)，φH1在0～-2π內(nèi)變化，且當(dāng)φH=π時(shí)，第1段r1與第2段r1相等，為aiH34/（iH34-1），當(dāng)φH=0和2π時(shí)，2段r1同樣相等，也為aiH34/（iH34-1），因此齒輪1的節(jié)曲線(xiàn)是封閉的，且以φH1=-2π為1個(gè)周期。

2.3 非圓齒輪中心距圓整

非圓齒輪中心距由于公式需求，常常為多位小數(shù)，為保證工程實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行圓整。

齒輪副的中心距a，可以根據(jù)輪齒在節(jié)曲線(xiàn)上均勻分布的條件確定。齒輪1、2的節(jié)曲線(xiàn)同為分段函數(shù)，因此各求取2段節(jié)曲線(xiàn)長(zhǎng)度并求和。曲線(xiàn)弧長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

按照果秧分離裝置空間結(jié)構(gòu)要求，初定非圓齒輪a=210 mm，m=6 mm，Z1=Z2=35，利用CAXA公式曲線(xiàn)進(jìn)行節(jié)曲線(xiàn)繪制，并采用折算齒廓法獲得非圓齒輪齒廓，如圖4所示。

3 非圓輪系果秧振動(dòng)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

將CAXA二維圖導(dǎo)入Solidworks軟件，并按照非圓齒輪輪系進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模，如圖5所示。

非圓輪系果秧分離振動(dòng)發(fā)生器主要由同步帶輪、輸入軸、系桿、圓齒輪、雙聯(lián)齒輪、非圓齒輪、機(jī)架、輸出軸組成，同步帶輪、輸入軸與系桿固結(jié)，雙聯(lián)齒輪軸與系桿采用軸承連接，且非圓齒輪與機(jī)架相連。

工作時(shí)，由同步帶輪1驅(qū)動(dòng)輸入軸2、系桿3進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)雙聯(lián)齒輪5中非圓齒輪與非圓齒輪6進(jìn)行嚙合，將勻速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為雙聯(lián)齒輪的變速變向運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)雙聯(lián)齒輪5中圓齒輪與圓齒輪4的嚙合傳遞至輸出軸，實(shí)現(xiàn)果秧分離振動(dòng)發(fā)生器變速變向的運(yùn)動(dòng)要求。

4 結(jié)論

本研究分析了加工番茄果秧分離裝置角位移數(shù)據(jù)，分段擬合出輸入輸出角位移函數(shù)，并依據(jù)非圓齒輪設(shè)計(jì)需求進(jìn)行修正，確定加工番茄輸入輸出角位移間關(guān)系；確定W-W型非圓輪系，并依據(jù)角位移函數(shù)對(duì)輪系進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)曲線(xiàn)公式進(jìn)行封閉性驗(yàn)證，并對(duì)中心距進(jìn)行了圓整；設(shè)計(jì)了非圓輪系果秧分離振動(dòng)發(fā)生器，并介紹了其工作原理。

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