陳棒棒,曹衛(wèi)彬,李 華,牛 馳,孫胃嶺,李樹峰
(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)
紅花別名草紅花或刺紅花,屬雙子葉植物綱、菊科,為1~2年生草本植物,是一種集藥材、染料、油料和飼料為一體的經(jīng)濟(jì)作物。紅花作為藥材,具有活血通經(jīng)、散瘀止痛的功效[1-3],主產(chǎn)于新疆、四川、西藏等地[4],抗寒性強(qiáng),適宜于干燥氣候、耐貧瘠、光照充足的環(huán)境。新疆因得天獨(dú)厚的地理環(huán)境,成了我國(guó)紅花種植的主要基地,主要分布在塔城、昌吉和伊犁地區(qū)。隨著人們保健意識(shí)的增強(qiáng),紅花已成為21世紀(jì)的熱門產(chǎn)業(yè)[5]。目前,國(guó)內(nèi)外紅花絲的采收方式仍以人工采收為主,效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,因而能否實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收,成了制約紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。我國(guó)對(duì)紅花絲采收機(jī)械的研究還處于起步階段,目前研究的幾種紅花絲采收裝置均是采用氣力式或機(jī)械切割式實(shí)現(xiàn)紅花絲的采集、收獲,雖一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,仍存在采收效率與采凈率低及掉落損失大等問(wèn)題[6]?;谀壳暗默F(xiàn)狀分析,課題組提出了一種梳齒式紅花絲采摘機(jī)構(gòu),以凸輪作為采摘機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。因此,本文采用解析法對(duì)該采摘機(jī)構(gòu)的凸輪進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì),并利用仿真軟件進(jìn)行了分析驗(yàn)證。
采摘凸輪機(jī)構(gòu)主要由凸輪、定梳齒、定梳齒座、動(dòng)梳齒、動(dòng)梳齒座、主軸、彈簧及彈簧擋圈等組成,如圖1所示。采摘頭采摘紅花絲利用梳齒式夾緊的原理,可實(shí)現(xiàn)紅花的機(jī)械化采收。其中,對(duì)凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)是能否實(shí)現(xiàn)采摘紅花絲的關(guān)鍵點(diǎn)。
1.凸輪 2.動(dòng)梳齒座 3.動(dòng)梳齒 4.彈簧 5.固定圓盤 6.主軸 7.彈簧擋圈 8.定梳齒座 9.定梳齒 10.萬(wàn)向輪圖1 采摘凸輪機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of picking cam mechanism
采摘凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理:凸輪與機(jī)架固聯(lián)在一起,定梳齒及動(dòng)梳齒分別通過(guò)定梳齒座和動(dòng)梳齒座鏈接在主軸上面,動(dòng)力傳遞到主軸上帶動(dòng)梳齒座一起繞著主軸轉(zhuǎn)動(dòng);水平方向定梳齒固定不動(dòng),動(dòng)梳齒在凸輪與彈簧的作用下在定梳齒間左右移動(dòng),繼而和定梳齒配合來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊和松開花絲的動(dòng)作,完成紅花絲的采摘作業(yè)。
采摘頭在夾緊與松開的過(guò)程中,凸輪相對(duì)于從動(dòng)件動(dòng)梳齒是固定不動(dòng)的。根據(jù)采摘花絲的要求,可相應(yīng)地把凸輪劃分為如圖2所示的4個(gè)工作段。
1)花絲夾緊段AB:當(dāng)從動(dòng)件動(dòng)梳齒與凸輪輪廓A點(diǎn)接觸時(shí),從動(dòng)件動(dòng)梳齒進(jìn)入凸輪的推程期,在彈簧彈力與凸輪輪廓曲線的共同作用下,從動(dòng)件動(dòng)梳齒迅速向定梳齒滑動(dòng)并瞬間夾緊紅花絲,通過(guò)主軸的旋轉(zhuǎn),拔掉紅花絲。
2)花絲運(yùn)輸段BC:從B點(diǎn)開始,從動(dòng)件動(dòng)梳齒進(jìn)入了凸輪的遠(yuǎn)休止階段,保持從動(dòng)件動(dòng)梳齒與定梳齒的間距最小,有利于夾緊紅花絲運(yùn)輸,不會(huì)因夾緊力的不夠而掉落。
3)花絲收取段CD:從C點(diǎn)開始從動(dòng)件動(dòng)梳齒在主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下進(jìn)入凸輪的回程期,在彈簧彈力與凸輪輪廓曲線的作用下,從動(dòng)件動(dòng)梳齒與定梳齒逐漸開始分離,紅花絲掉落。
4)空運(yùn)行段DA:從D點(diǎn)開始,彈簧復(fù)位,動(dòng)梳齒進(jìn)入凸輪的近休止段,與定梳齒保持最大間距,為下一次花絲的夾緊采摘做準(zhǔn)備。
圖2 凸輪工作段劃分圖Fig.2 Working phase of cam
本文擬采用解析法設(shè)計(jì)紅花絲采摘頭的凸輪機(jī)構(gòu),其基本思路是:根據(jù)紅花絲采摘頭的運(yùn)動(dòng)要求及結(jié)構(gòu)尺寸,確定端面凸輪的基圓半徑r0;再綜合考慮凸輪的運(yùn)動(dòng)要求,確定凸輪的輪廓曲線。
根據(jù)紅花絲采摘頭的工作要求及安裝尺寸,已知參數(shù),如表1所示。
表1 凸輪基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Basic design parameters of cam
續(xù)表1
凸輪的輪廓曲線形狀主要取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,因此選取合適的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律是設(shè)計(jì)出合理的凸輪輪廓曲線的關(guān)鍵[7]。本設(shè)計(jì)的紅花絲采摘頭的工作狀態(tài)為高速輕載,在選擇從動(dòng)件推程和回程階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),還要考慮其工作要求、速度突變等因素產(chǎn)生的剛性沖擊,以防磨損凸輪端面的輪廓。
本文從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律擬采用五次項(xiàng)修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8],從而避免在凸輪的推程、回程階段發(fā)生瞬間的剛性沖擊,有效提高了凸輪機(jī)構(gòu)的使用壽命。
2.2.1 推程段輪廓曲線的設(shè)計(jì)
根據(jù)五次項(xiàng)修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律及紅花采摘工作要求可將推程期和回程期運(yùn)動(dòng)劃分為加速段、等速段和減速段。
其中,為避免瞬時(shí)突變,加速段與減速段運(yùn)動(dòng)角選擇范圍為
取φ1=10°,φ2=15°,按下式確定所對(duì)應(yīng)的從動(dòng)件位移量h1和h2,即
解得:h1=0.873mm,h2=1.309mm。
推程加速段,有
其中,φ∈[0,φ1)。
推程等速度,有
其中,φ∈[φ1,(φ-φ2))。
推程減速段,有
其中,φ∈[(φ-φ2),φ)。φ為凸輪轉(zhuǎn)角;φ為推程運(yùn)動(dòng)角;h為行程;φ1為推程加速段運(yùn)動(dòng)角;h1為推程加速段行程;φ2為推程減速段運(yùn)動(dòng)角;h2為推程減速段行程。
2.2.2 回程段輪廓曲線的設(shè)計(jì)
凸輪從動(dòng)件的推程與回程是相對(duì)而言的,在凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)時(shí),推程與回程的輪廓設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是相同的,則回程期各分段方程是所對(duì)應(yīng)的推程期各階段的方程[8]。將推程期各分段的參數(shù)φ1、φ2、h1、h2等用回程期對(duì)應(yīng)的各分段參數(shù)φ1′、φ2′、h1′、h2′分別取代。
回程加速段,有
其中,φ∈[180°,190°)。
回程等速段,有
其中,φ∈[190°,195°)。
回程減速段,有
其中,φ∈[195°,210°)。φ為凸輪轉(zhuǎn)角;φ′為回程運(yùn)動(dòng)角;h為行程;φ1′為回加速段運(yùn)動(dòng)角;h1′為回程加速段行程;φ2′為回程減速段運(yùn)動(dòng)角;h2′為回程減速段行程。其中,φ1=φ1′,φ2=φ2′,h1=h1′,h2=h2′。
2.2.3 MatLab編程
MatLab是Mathworks公司開發(fā)的一款工程計(jì)算軟件,以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ),把計(jì)算、繪圖、仿真等功能融合在一起[9]。本文利用MatLab軟件強(qiáng)大的計(jì)算繪圖能力,編程得到了凸輪的理論輪廓角位移曲線,如圖3所示。角速度曲線如圖4所示。
圖3 凸輪角位移曲線Fig.3 The curve of cam angular displacement
圖4 凸輪角速度曲線Fig.4 The curve of cam angular velocity
使用MatLab軟件編程得到的凸輪輪廓曲線數(shù)據(jù),利用三維參數(shù)化建模軟件SolidWorks,通過(guò)其包覆命令建立了凸輪模型,如圖5所示。
圖5 凸輪三維建模Fig.5 The 3D modeling of cam
3.2.1 三維模型導(dǎo)入
根據(jù)SolidWorks建立的三維模型,將其格式轉(zhuǎn)化為Parasolid.x_t導(dǎo)入ADAMS中,來(lái)驗(yàn)證解析法設(shè)計(jì)凸輪的正確性。
3.2.2 添加約束
根據(jù)采摘頭的工作原理,為各個(gè)機(jī)構(gòu)添加約束力。主軸與凸輪之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副,動(dòng)梳齒座與定梳齒座之間為移動(dòng)副,凸輪與萬(wàn)向輪之間添加實(shí)體接觸約束力。在主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加一個(gè)勻速驅(qū)動(dòng),根據(jù)工作要求及運(yùn)動(dòng)特性,設(shè)置仿真終止時(shí)間為50s,仿真步數(shù)500,添加約束和驅(qū)動(dòng)力后的凸輪機(jī)構(gòu)模型如圖6所示。
圖6 約束與驅(qū)動(dòng)圖Fig.6 The diagram of constraint and drive
在ADAMS中通過(guò)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到凸輪從動(dòng)件的角位移和角速度曲線,如圖7所示。
圖7 動(dòng)梳齒角位移與角速度曲線Fig.7 The angular displacement and angular velocity curve of moving comb
將仿真曲線和MatLab編程的曲線對(duì)比可知:從動(dòng)件在工作方向移動(dòng)的距離為3mm,也就是凸輪的工作行程,符合設(shè)計(jì)的凸輪行程。
由速度曲線可知:凸輪的推程與回程階段,速度都是由小變大再變小,沒(méi)有急速的突變現(xiàn)象,減小了從動(dòng)件對(duì)輪廓曲面的沖擊與磨損,在變化的行程中快速實(shí)現(xiàn)夾取花絲與松開花絲,符合采摘頭采摘花絲的工作要求和性能要求。
SolidWorks Simulation是一款基于有限元(即FEA數(shù)值)技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件,作為嵌入式分析軟件集成到SolidWorks[11],本文利用Simulation對(duì)凸輪進(jìn)行靜力學(xué)分析。
材料的選擇決定了屈服強(qiáng)度的大小,在“應(yīng)用材料”對(duì)話框中選擇合金鋼,其屈服強(qiáng)度620.4MPa。在“夾具”選項(xiàng)中選擇“固定幾何體”固定凸輪的非工作面,如圖8所示。
圖8 添加約束Fig.8 Add constraint
網(wǎng)格的劃分密度直接影響著運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性,Simulation軟件默認(rèn)的是中等密度網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分越小,其精度越高,但求解時(shí)間就越長(zhǎng)。本算例網(wǎng)格采用默認(rèn)中等密度網(wǎng)格,如圖9所示。
單擊外部載荷下的壓力和扭矩,選擇凸輪工作面上的工作段,根據(jù)采摘頭的運(yùn)動(dòng)要求,計(jì)算分析作用力為40N,扭矩為25N·m。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕,開始求解,得到凸輪的應(yīng)力應(yīng)變圖解如圖10所示。分析結(jié)果表明, 最大應(yīng)力為46.38MPa, 能夠滿足紅花絲的采摘要求。
圖10 應(yīng)力與應(yīng)變Fig.9 The stress and strain
1)根據(jù)紅花絲采摘頭工作要求,采用解析法設(shè)計(jì)了一種凸輪機(jī)構(gòu),從動(dòng)件采用五次項(xiàng)修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立了數(shù)學(xué)方程模型,并利用MatLab軟件編程得到了凸輪的平面輪廓曲線。
2)采用三維參數(shù)化軟件SolidWorks建立了凸輪三維模型,并導(dǎo)入虛擬仿真軟件ADAMS中得到了從動(dòng)件的位移、速度曲線。結(jié)合MatLab軟件編程得到的理論輪廓曲線,得出該凸輪可以滿足紅花絲采摘頭的工作需求。
3)利用SolidWorks Simulation,對(duì)凸輪工作面做了靜力學(xué)分析,得到最大的應(yīng)力為46.38MPa,滿足其強(qiáng)度要求。