盧煜海，葉自旺，成 銘，王 勇，徐佳晨

(廣西大學(xué) 機械工程學(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、不易拔起，單純依靠手工拔起顯然勞動強度大，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強度大等的問題，并可應(yīng)對在實際拔起過程中木薯桿的夾持及其方向問題，實現(xiàn)了木薯夾持的自鎖功能及拔起的多自由度。同時，為達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，對設(shè)計方案進(jìn)行運動有限元分析，并對該裝置進(jìn)行實驗，獲得實驗數(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)計及工作原理分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)動夾持木薯拔起機構(gòu)、蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構(gòu)及多自由度木薯拔起機構(gòu)。其中，雙齒輪驅(qū)動夾持木薯拔起機構(gòu)能夠利用外嚙合齒輪轉(zhuǎn)向相反的原理實現(xiàn)裝置的夾持功能；蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構(gòu)能夠?qū)⒆饔迷诎咽稚系牧νㄟ^蝸輪蝸桿帶動雙齒輪實現(xiàn)夾持，同時還能夠利用其自身具有的自鎖功能，使得夾持機構(gòu)能夠緊緊地夾持住木薯桿；多自由度木薯拔起機構(gòu)則處于裝置的底部，用于實現(xiàn)在實際運轉(zhuǎn)中需要在水平和垂直方向上的調(diào)整。運用三維造型軟件UG對其進(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)動手輪 5.支撐板 6.彈簧 7.彈簧連接桿 8.轉(zhuǎn)動軸 9.導(dǎo)槽 10.支架 11.后輪 12.前輪 13.軸承 14.從動轉(zhuǎn)動軸 15.齒輪固定板 16.右夾持手柄 17.從動齒 18.左夾持手柄 19.主動齒 20.主動齒轉(zhuǎn)動軸 21.蝸輪 22.左軸承座

1.2 關(guān)鍵部分設(shè)計

1.2.1 雙齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行雙齒輪驅(qū)動夾持木薯拔起機構(gòu)的設(shè)計時，由于需要保持兩夾持手柄的轉(zhuǎn)動角度相同，因此其傳動比應(yīng)該要滿足以下要求，即

式中Z1—主動齒的齒數(shù)；

Z2—從動齒的齒數(shù)；

i12—主動齒對從動齒的傳動比。

經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計計算后，最終確定了該雙齒輪驅(qū)動夾持木薯拔起機構(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

考慮到蝸輪蝸桿在實際工作中傳動平穩(wěn)性及蝸輪滾刀切制蝸輪時產(chǎn)生根切與干涉的問題，將蝸輪蝸桿設(shè)計成如表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，傳動比的計算為

式中Z3—蝸桿的頭數(shù)；

Z4—蝸輪的齒數(shù)；

i34—蝸桿對蝸輪的傳動比。

1.2.3 關(guān)鍵部分的傳動比計算

在上面對雙齒輪驅(qū)動夾持木薯拔起機構(gòu)及蝸輪蝸桿的設(shè)計參數(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)，由此可得到運動的輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速比。由于蝸輪與從動齒連接在同一根轉(zhuǎn)動軸上，則其公式為

式中Z3—蝸桿的頭數(shù)；

Z4—蝸輪的齒數(shù)；

i34蝸桿對蝸輪的傳動比；

i31—蝸桿對主動齒的傳動比。

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)木薯拔起的機械化夾持與拔起的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，其整體運動是靠人力推動把手使得該裝置向前運動，通過轉(zhuǎn)動手輪帶動蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動進(jìn)而驅(qū)動雙齒輪運動，實現(xiàn)該裝置的夾持運動；而通過以轉(zhuǎn)動軸的軸心為支點，作用在把手上的力為主動力，作用在夾持手柄上的力為阻力，實現(xiàn)裝置的拔起功能。

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

在蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構(gòu)中，通過轉(zhuǎn)動手輪帶動蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動進(jìn)而驅(qū)動雙齒輪運動，實現(xiàn)該裝置的夾持運動；同時，利用蝸輪蝸桿的自鎖原理，可以將木薯桿緊緊地夾持住，方便木薯的拔起工作。此外，通過往下壓把手，以轉(zhuǎn)動軸的軸心為支點，以作用在把手上的力為動力，作用在夾持手柄上的力為阻力，形成一個杠桿機構(gòu)，從而實現(xiàn)木薯的拔起工作。

在多自由度木薯拔起機構(gòu)中，通過轉(zhuǎn)動軸的作用可以實現(xiàn)鉛直方向的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)木薯的拔起運動；通過導(dǎo)槽輪在左導(dǎo)槽和右導(dǎo)槽的滑動實現(xiàn)水平方向的進(jìn)給運動；通過轉(zhuǎn)動軸承的作用實現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運動，從而能夠在夾緊木薯桿的情況下左右擺動把手，使得木薯桿的根部松動，便于進(jìn)行拔起工作；此外，還能夠利用彈簧的彈性作用實現(xiàn)裝置的自動復(fù)位功能。該裝置的多自由度設(shè)計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械的可運行性及臥式杠桿木薯拔起裝置的材料是否滿足實際的工作需要的問題。首先對該裝置的整體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分(見圖2)，以此來模擬該裝置在實際使用過程中的受力情況，從而驗證臥式杠桿木薯拔起裝置的材料是否滿足實際的工作需要。在圖2中對裝置的整體進(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桿，方便木薯的夾持和拔起工作；而雙齒輪驅(qū)動夾持部分則利用外嚙合傳動齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，實現(xiàn)夾持手柄的夾持作用。在圖2中對裝置的整體進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，然后對該裝置的雙齒輪驅(qū)動夾持部分進(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，夾持手柄作為臥式杠桿木薯拔起裝置的主要受力部件，此時著重對夾持手柄進(jìn)行力的分析，同時對夾持手柄與木薯桿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 對臥式杠桿木薯拔起裝置的結(jié)果分析

經(jīng)有限元計算，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，此時臥式杠桿木薯拔起裝置滿足強度和剛度要求。

4 對臥式杠桿木薯拔起裝置的實驗及分析

由上述有限元分析可知：臥式杠桿木薯拔起裝置滿足強度和剛度要求。經(jīng)過嚴(yán)格對木薯生活環(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)行實驗和采收效率測試，以保證臥式杠桿木薯拔起裝置的強度和剛度能夠滿足實際的生產(chǎn)要求，最大限度地減輕農(nóng)民們勞動強度。臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好，夾持力度大，對木薯的夾持及拔起有很好的適應(yīng)性，實物圖如圖5、圖6所示。

圖5 臥式杠桿木薯拔起裝置整體實物圖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)過有限元分析及對裝置的實地測試可知：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：滿足強度和剛度要求，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工的優(yōu)勢，滿足了社會生產(chǎn)需要，極具發(fā)展前景。