盧煜海，葉自旺，成 銘，王 勇，徐佳晨

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

木薯是一種用作飼料和提取淀粉的原材料，提取產(chǎn)物木薯淀粉廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)及非食品工業(yè)，需求極大。但是，目前木薯的拔起工作主要依靠手工，且木薯主要種植在山地，土地緊實(shí)、不易拔起，單純依靠手工拔起顯然勞動(dòng)強(qiáng)度大，還降低了采收效率，難以滿足日益增長的木薯需求。

為此，設(shè)計(jì)了一種臥式杠桿木薯拔起裝置，旨在解決木薯拔起過程中純手工拔起勞動(dòng)強(qiáng)度大等的問題，并可應(yīng)對(duì)在實(shí)際拔起過程中木薯?xiàng)U的夾持及其方向問題，實(shí)現(xiàn)了木薯夾持的自鎖功能及拔起的多自由度。同時(shí)，為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)有限元分析，并對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來優(yōu)化該裝置的結(jié)構(gòu)及零部件的尺寸，保證臥式杠桿木薯拔起裝置的拔起力度和采收率。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臥式杠桿木薯拔起裝置主要由三大部分組成，分別為雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機(jī)構(gòu)及多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)。其中，雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)能夠利用外嚙合齒輪轉(zhuǎn)向相反的原理實(shí)現(xiàn)裝置的夾持功能；蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒆饔迷诎咽稚系牧νㄟ^蝸輪蝸桿帶動(dòng)雙齒輪實(shí)現(xiàn)夾持，同時(shí)還能夠利用其自身具有的自鎖功能，使得夾持機(jī)構(gòu)能夠緊緊地夾持住木薯?xiàng)U；多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)則處于裝置的底部，用于實(shí)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中需要在水平和垂直方向上的調(diào)整。運(yùn)用三維造型軟件UG對(duì)其進(jìn)行三維造型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.把手 2.蝸桿 3.右軸承座 4.轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 5.支撐板 6.彈簧 7.彈簧連接桿 8.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 9.導(dǎo)槽 10.支架 11.后輪 12.前輪 13.軸承 14.從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 15.齒輪固定板 16.右夾持手柄 17.從動(dòng)齒 18.左夾持手柄 19.主動(dòng)齒 20.主動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸 21.蝸輪 22.左軸承座

1.2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

1.2.1 雙齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于需要保持兩夾持手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，因此其傳動(dòng)比應(yīng)該要滿足以下要求，即

式中Z1—主動(dòng)齒的齒數(shù)；

Z2—從動(dòng)齒的齒數(shù)；

i12—主動(dòng)齒對(duì)從動(dòng)齒的傳動(dòng)比。

經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算后，最終確定了該雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 雙齒輪的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of double gear

1.2.2 蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到蝸輪蝸桿在實(shí)際工作中傳動(dòng)平穩(wěn)性及蝸輪滾刀切制蝸輪時(shí)產(chǎn)生根切與干涉的問題，將蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)成如表2所示的參數(shù)。

表2 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)Table 2 The main parameters of worm gear and worm

其中，傳動(dòng)比的計(jì)算為

式中Z3—蝸桿的頭數(shù)；

Z4—蝸輪的齒數(shù)；

i34—蝸桿對(duì)蝸輪的傳動(dòng)比。

1.2.3 關(guān)鍵部分的傳動(dòng)比計(jì)算

在上面對(duì)雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)及蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)參數(shù)中，得到了雙齒輪、蝸輪及蝸桿的齒數(shù)(頭數(shù))的具體數(shù)據(jù)，由此可得到運(yùn)動(dòng)的輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速比。由于蝸輪與從動(dòng)齒連接在同一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，則其公式為

式中Z3—蝸桿的頭數(shù)；

Z4—蝸輪的齒數(shù)；

i34蝸桿對(duì)蝸輪的傳動(dòng)比；

i31—蝸桿對(duì)主動(dòng)齒的傳動(dòng)比。

1.3 臥式杠桿木薯拔起裝置的工作原理分析

臥式杠桿木薯拔起裝置是一種能夠?qū)崿F(xiàn)木薯拔起的機(jī)械化夾持與拔起的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，其整體運(yùn)動(dòng)是靠人力推動(dòng)把手使得該裝置向前運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙齒輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該裝置的夾持運(yùn)動(dòng)；而通過以轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸心為支點(diǎn)，作用在把手上的力為主動(dòng)力，作用在夾持手柄上的力為阻力，實(shí)現(xiàn)裝置的拔起功能。

在雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)中，用右轉(zhuǎn)動(dòng)夾持手柄調(diào)節(jié)螺栓和左轉(zhuǎn)動(dòng)夾持手柄調(diào)節(jié)螺栓使得右夾持手柄和左夾持手柄分別與從動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸和主動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接在一起，使得夾持手柄隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。由于外嚙合齒輪的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，當(dāng)主動(dòng)齒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左夾持手柄和右夾持手柄會(huì)靠近，進(jìn)行木薯?xiàng)U的夾持工作。

在蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機(jī)構(gòu)中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙齒輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該裝置的夾持運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，利用蝸輪蝸桿的自鎖原理，可以將木薯?xiàng)U緊緊地夾持住，方便木薯的拔起工作。此外，通過往下壓把手，以轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸心為支點(diǎn)，以作用在把手上的力為動(dòng)力，作用在夾持手柄上的力為阻力，形成一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)木薯的拔起工作。

在多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用可以實(shí)現(xiàn)鉛直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)木薯的拔起運(yùn)動(dòng)；通過導(dǎo)槽輪在左導(dǎo)槽和右導(dǎo)槽的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的作用實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而能夠在夾緊木薯?xiàng)U的情況下左右擺動(dòng)把手，使得木薯?xiàng)U的根部松動(dòng)，便于進(jìn)行拔起工作；此外，還能夠利用彈簧的彈性作用實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)復(fù)位功能。該裝置的多自由度設(shè)計(jì)能夠滿足絕大部分的生產(chǎn)需要，具有很好的應(yīng)用前景。

2 對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的有限元分析

在UG中做好三維造型后，直接在UG中進(jìn)行有限元分析。有限元分析的目的在于機(jī)械的可運(yùn)行性及臥式杠桿木薯拔起裝置的材料是否滿足實(shí)際的工作需要的問題。首先對(duì)該裝置的整體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分(見圖2)，以此來模擬該裝置在實(shí)際使用過程中的受力情況，從而驗(yàn)證臥式杠桿木薯拔起裝置的材料是否滿足實(shí)際的工作需要。在圖2中對(duì)裝置的整體進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格尺寸為5mm，定義網(wǎng)格的劃分方法為六面體為主，即讓有限元模型具有盡量多的六面體網(wǎng)格，最后生成網(wǎng)格。

圖2 臥式杠桿木薯拔起裝置的的網(wǎng)格劃分圖Fig.2 The grid division of the horizontal lever casserole uplift device

蝸輪蝸桿及雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持部分作為裝置的重要組成部分，其中蝸輪蝸桿的自鎖作用能夠使得裝置緊緊地夾緊木薯?xiàng)U，方便木薯的夾持和拔起工作；而雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持部分則利用外嚙合傳動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，實(shí)現(xiàn)夾持手柄的夾持作用。在圖2中對(duì)裝置的整體進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，然后對(duì)該裝置的雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持部分進(jìn)行力學(xué)分析，得出了臥式杠桿木薯拔起裝置的夾持機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖及等效位移云圖，如圖3、圖4所示。

根據(jù)具體工作情況分析，零件需要有足夠的韌性、耐磨性及強(qiáng)度，因此使用中碳馬氏體鋼。中碳馬氏體鋼的彈性模量E=32GPa，屈服極限δs=380MPa，泊松比μ=0.3。通過UG的指派材料功能進(jìn)行材料屬性編輯。

此時(shí)，夾持手柄作為臥式杠桿木薯拔起裝置的主要受力部件，此時(shí)著重對(duì)夾持手柄進(jìn)行力的分析，同時(shí)對(duì)夾持手柄與木薯?xiàng)U接觸面的垂直面上向外施加100N的作用力，以及在重力方向上施加80N的作用力，由此可得出了如圖3、圖4所示的臥式杠桿木薯拔起裝置夾持機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖及等效位移云圖。

圖3 臥式杠桿木薯拔起裝置的等效應(yīng)力云圖Fig.3 Equivalent stress cloud diagram of horizontal lever cassava pull up device

圖4 臥式杠桿木薯拔起裝置的等效位移云圖Fig.3 Equivalent displacement cloud diagram of horizontal lever cassava pull up device

3 對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的結(jié)果分析

經(jīng)有限元計(jì)算，夾持手柄最大應(yīng)力發(fā)生在夾持手柄的中間位置，最大應(yīng)力為140.851MPa，此時(shí)臥式杠桿木薯拔起裝置滿足強(qiáng)度和剛度要求。

4 對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的實(shí)驗(yàn)及分析

由上述有限元分析可知：臥式杠桿木薯拔起裝置滿足強(qiáng)度和剛度要求。經(jīng)過嚴(yán)格對(duì)木薯生活環(huán)境以及生長規(guī)律的研究，不斷改進(jìn)臥式杠桿木薯拔起裝置的機(jī)構(gòu)，確定了各零部件的所使用的材料及裝配工藝，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和采收效率測(cè)試，以保證臥式杠桿木薯拔起裝置的強(qiáng)度和剛度能夠滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求，最大限度地減輕農(nóng)民們勞動(dòng)強(qiáng)度。臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好，夾持力度大，對(duì)木薯的夾持及拔起有很好的適應(yīng)性，實(shí)物圖如圖5、圖6所示。

圖5 臥式杠桿木薯拔起裝置整體實(shí)物圖Fig.5 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the overall physical diagram

圖6 臥式杠桿木薯拔起裝置部分實(shí)物圖Fig.6 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the portion physical diagram

5 結(jié)論

經(jīng)過有限元分析及對(duì)裝置的實(shí)地測(cè)試可知：臥式杠桿木薯拔起裝置具有良好的工作可靠性和適應(yīng)性。利用UG軟件真實(shí)再現(xiàn)了臥式杠桿木薯拔起裝置的夾持手柄的應(yīng)力與變形情況，結(jié)果表明：滿足強(qiáng)度和剛度要求，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工的優(yōu)勢(shì)，滿足了社會(huì)生產(chǎn)需要，極具發(fā)展前景。