朱興亮，袁盼盼，張學(xué)軍，李成松，王麗紅，張 娜

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

非圓輪系加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器設(shè)計(jì)及仿真

朱興亮1，袁盼盼1，張學(xué)軍1，李成松2，王麗紅2，張 娜2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

針對現(xiàn)有加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器易堵塞及振動(dòng)大等問題，基于非圓齒輪輪系可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變速變向運(yùn)動(dòng)及傳動(dòng)平穩(wěn)精確等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種非圓輪系加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器，并闡述了其工作原理。建立了非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器虛擬樣機(jī)模型，對比了需求與仿真角位移和角速度曲線，結(jié)果表明：需求與仿真曲線吻合度較高，非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器可滿足加工番茄果秧分離需求。

加工番茄；果秧分離；非圓輪系；振動(dòng)發(fā)生器

0 引言

新疆地處北緯37°～47°之間，是除地中海地區(qū)、美國加利福尼亞地區(qū)、中國內(nèi)蒙古地區(qū)之外的世界優(yōu)質(zhì)加工番茄種植區(qū)。近年來，新疆加工番茄種植面積穩(wěn)步增長，已成為世界第二大加工番茄種植區(qū)[1-3]，區(qū)內(nèi)番茄制品出口量占到全球貿(mào)易總量的1/4[4]。2015年，新疆加工番茄種植面積達(dá)6.9萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)761.3萬t[5]。機(jī)械化采收已經(jīng)成為新疆加工番茄采收的重要形式[6-8]，然而國內(nèi)加工番茄采收機(jī)械主要依靠國外進(jìn)口，購買及維修價(jià)格昂貴，嚴(yán)重阻礙了新疆加工番茄產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[6,8]。因此，加工番茄采收機(jī)械的國產(chǎn)化是必然趨勢。

果秧分離裝置作為加工番茄收獲機(jī)核心工作部件之一，其實(shí)現(xiàn)果秧分離的變速變向運(yùn)動(dòng)主要依靠振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生。目前，國內(nèi)外普遍采用的雙偏心塊式振動(dòng)發(fā)生器，在采收過程中存在運(yùn)動(dòng)參數(shù)易受影響及堵塞等諸多問題，嚴(yán)重影響加工番茄果秧分離性能[9]。非圓齒輪行星輪系具有多種類型，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的變速、變向運(yùn)動(dòng)，且齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精確、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、受到負(fù)載變化影響小及沖擊載荷相對較小等特點(diǎn)[10-12]，已廣泛應(yīng)用于液壓馬達(dá)、水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，可作為果秧分離振動(dòng)發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)。

本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并對比了需求與仿真轉(zhuǎn)角曲線和角速度曲線，以便于分析非圓輪系加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)仿真分析提供理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

非圓輪系果秧分離振動(dòng)發(fā)生器主要由輸入軸、同步帶輪、定非圓齒輪、行星非圓齒輪、殼體、系桿軸承座、系桿軸、行星圓齒輪、輸入系桿、中心圓齒輪、輸出軸、輸出連接板、滾針軸承及輸出系桿組成，如圖1(a)所示。

其中，定非圓齒輪、輸入軸分別與殼體、輸入系桿固結(jié)，行星非圓齒輪、系桿軸和行星圓齒輪三者固結(jié)，系桿、軸輸出系桿分別與系桿軸承座、輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，如圖1(b)所示。行星圓齒輪和中心圓齒輪嚙合，行星非圓齒輪和定非圓齒輪嚙合，如圖2所示。

1.輸入軸 2.同步帶輪 3.定非圓齒輪 4.行星非圓齒輪 5.殼體 6.系桿軸承座 7.系桿軸 8.行星圓齒輪 9.輸入系桿 10.中心圓齒輪 11.輸出軸 12.輸出連接板 13.滾針軸承 14.輸出系桿圖1 非圓輪系果秧分離振動(dòng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of non-circular planetary gear vibration generator

圖2 定非圓齒輪與行星非圓齒輪嚙合圖Fig.2 Engagement of non-circular sun gears with planetary gears

振動(dòng)發(fā)生器工作時(shí)，電機(jī)或液壓馬達(dá)帶動(dòng)同步帶輪，驅(qū)動(dòng)輸入軸和輸入系桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)行星非圓齒輪、系桿軸和行星圓齒輪繞輸入軸公轉(zhuǎn)，行星非圓齒輪與定非圓齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)兩非圓齒輪變傳動(dòng)比關(guān)系的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，行星圓齒輪與中心圓齒輪之間嚙合，傳動(dòng)兩圓齒輪間定傳動(dòng)比關(guān)系，從而獲取輸出軸的變速、變向運(yùn)動(dòng)。

2 運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)果分析

ADAMS軟件是由美國MSC公司開發(fā)研制的集建模、求解及可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，主要針對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以大大簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[13]。

2.1 果秧分離裝置需求運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線獲取與分析

為研究加工番茄果秧分離裝置的運(yùn)動(dòng)需求，針對現(xiàn)有FS-35型雙偏心塊式加工番茄果秧分離試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行物料試驗(yàn)與分析，在最優(yōu)因素組合的基礎(chǔ)上利用CPL-MS70K高速成像系統(tǒng)獲取了其輸出軸角位移和角速度曲線[14]，如圖3所示。

圖3 果秧分離裝置輸出軸角位移和角速度曲線Fig.3 The angular displacement and angular velocity curves of the fruit-seed separating device outputs

對圖3中角位移和角速度曲線進(jìn)行分析，振動(dòng)發(fā)生器輸出軸完成一次擺動(dòng)的時(shí)間約為0.18s，非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定輸入軸旋轉(zhuǎn)1周輸出軸完成1次擺動(dòng)，可知非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器的輸入軸轉(zhuǎn)速約為333r/min。

2.2 振動(dòng)發(fā)生器虛擬樣機(jī)建立

利用SolidWorks建立振動(dòng)發(fā)生器各零部件三維模型并進(jìn)行裝配，另存為Parasolid(*.x_t)格式并導(dǎo)入ADAMS，導(dǎo)入模型如圖4所示。對ADAMS仿真環(huán)境和模型物理量單位進(jìn)行設(shè)置，并依據(jù)各零部件的具體情況設(shè)置材料屬性。

圖4 ADAMS中簡化后三維模型Fig.4 Simplified 3D model in ADAMS

2.3 施加約束、接觸力和運(yùn)動(dòng)

ADAMS中未提供非圓齒輪副配合，為確保兩非圓齒輪之間運(yùn)動(dòng)情況符合實(shí)際情況，在兩齒輪間施加接觸力。依據(jù)材料屬性，接觸力參數(shù)為：剛度系數(shù)105N/mm，阻尼系數(shù)10 N-sec/mm，穿透深度0.1mm，靜摩擦因數(shù)0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)0.1[15]。按照前文所述振動(dòng)發(fā)生器各零部件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對相應(yīng)零部件添加約束和接觸力，如表1所示。

表1 振動(dòng)發(fā)生器施加的運(yùn)動(dòng)副及接觸力

運(yùn)動(dòng)副與接觸力添加完成后，按照前文要求在表1中右軸承座與輸入軸間形成的旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動(dòng)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，并設(shè)定轉(zhuǎn)速為333r/min。

對ADAMS中虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行約束、接觸力及驅(qū)動(dòng)加載完成后，仿真模型如圖5所示。

圖5 振動(dòng)發(fā)生器ADAMS仿真模型Fig.5 ADAMS simulation model of vibration generator

2.4 仿真結(jié)果與分析

正式仿真之前，利用ADAMS中模型自檢功能對樣機(jī)模型進(jìn)行最后的檢驗(yàn)，排除模型設(shè)置過程中可能隱含的錯(cuò)誤，以保證仿真分析順利進(jìn)行。

為獲得輸出軸相對于地面的角位移、角速度運(yùn)動(dòng)曲線，令輸出軸的逆時(shí)針的角位移為正方向。為方便測定輸出軸角位移，在輸出軸上創(chuàng)建U點(diǎn)和V點(diǎn)，在大地上創(chuàng)建W點(diǎn)。為保證三者在同一條水平線上，設(shè)定三者Y坐標(biāo)值相等。為了研究的需要，設(shè)置仿真時(shí)間為0.36 s(即5個(gè)周期)，仿真步數(shù)為720；然后，觀察模型運(yùn)動(dòng)情況；仿真結(jié)束后利用后處理功能獲取輸出軸角位移和角速度曲線，如圖6所示。

圖6 輸出軸角位移及角速度仿真曲線Fig.6 The angular displacement and angular velocity curves of output shaft

將角位移和角速度曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并與需求曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 需求與仿真角位移曲線對比圖Fig.7 Comparison of demand and simulation angular displacement curve

圖8 需求與仿真角速度曲線對比圖Fig.8 Comparison of demand and simulation angular velocity curve

觀察圖7和圖8可知：輸出軸角位移呈現(xiàn)周期性變化，周期與角位移擺動(dòng)周期相同，且仿真曲線與需求曲線擬合較好。將需求與仿真曲線關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并進(jìn)行對比，如表2所示。

由表2中可知：需求與仿真角位移進(jìn)程、角位移回程、角速度最大值、角速度最小值和周期差值的差值均比原值差一個(gè)數(shù)量級(jí)，兩者曲線之間吻合程度較高。因此，非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器能夠產(chǎn)生加工番茄果秧分離滾筒所需運(yùn)動(dòng)。

表2 需求、仿真關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)及參數(shù)

差值=|理論值-仿真值|。

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器易堵塞及振動(dòng)大等問題，利用非圓齒輪輪系結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精確平穩(wěn)及可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變速變向運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于非圓齒輪行星輪系的加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器，并對其進(jìn)行了仿真分析。

1)確定了非圓輪系加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器總體方案，并對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，闡述了其工作原理。

2)結(jié)合現(xiàn)有FS-35型雙偏心塊式加工番茄果秧分離試驗(yàn)臺(tái)，獲取了果秧分離裝置輸出軸的角位移和角速度曲線，并分析獲取了非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器輸入軸的角速度為333r/min。

3)建立了非圓輪系加工番茄果秧分離振動(dòng)發(fā)生器虛擬樣機(jī)模型，并將獲取的角位移和角速度曲線與需求曲線進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：需求與仿真的角位移和角速度曲線吻合度較高，非圓輪系振動(dòng)發(fā)生器可滿足加工番茄果秧分離需求。

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Simulation and Analysis of Processing Tomato Fruit Separation Vibration Generator Based on Non-circular Planetary Gear Train

Zhu Xingliang1, Yuan Panpan1, Zhang Xuejun1, Li Chengsong2, Wang Lihong2, Zhang Na2

In order to solve existing problems of processing tomato fruit separation vibration generator clogging, vibration etc., the advantages, complex variable speed and variable motion and smooth and precise transmission, of non-circular planetary gear train was used. The processing tomato fruit separation vibration generator based on non-circular Planetary gear train was designed, and its working principle was elaborated. Virtual prototype model of non - circular gear train vibration generator was established, and the angular displacement and angular velocity curve of demand and simulation was compared. The result shows that Demand and simulation curve of a high degree of consistency, and non-circular gear vibration generator can meet the demands of processing tomato fruit seedling separation.

processing tomato; fruit separation; non-circular planetary gear train; vibration generator

2016-12-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265046)

朱興亮(1990- )，男，安徽蚌埠人，助教，碩士，(E-mail)zxl_xjau@163.com。

張學(xué)軍(1966-)，男，四川渠縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)12-0094-04