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        小型玉米剝皮機(jī)靜力學(xué)研究

        2022-01-06 12:08:08李海山
        農(nóng)業(yè)工程 2021年10期
        關(guān)鍵詞:膠輥機(jī)架菜單

        李海山

        (重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站,重慶 401147)

        0 引言

        隨著我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展及深加工技術(shù)迅速提升,玉米的需求量與日俱增[1]。然而我國(guó)受地理因素、科技水平、勞動(dòng)成本和工作效率等因素制約,玉米機(jī)械化收割率相對(duì)較低,仍有較大的提升空間[2-3]。我國(guó)的玉米種植存在分布范圍廣、地貌復(fù)雜、數(shù)量不均等特點(diǎn),從而增加了玉米收割的難度[4-5]。在玉米收割作業(yè)中,玉米剝皮作業(yè)最為復(fù)雜。如何有效解決玉米剝皮困難、提升玉米收割效率和減小勞動(dòng)強(qiáng)度是亟待解決的問(wèn)題?;诖耍袑W(xué)者針對(duì)鮮食玉米、甜玉米等設(shè)計(jì)了玉米剝皮機(jī),解決了食用類(lèi)玉米的剝皮難題[6-8]。李振武[9]提出了5YPJ-10型玉米剝皮機(jī)的設(shè)計(jì)與研制,在大型玉米剝皮機(jī)領(lǐng)域取得了突破。有學(xué)者提出了玉米剝皮機(jī)部件改進(jìn)設(shè)計(jì)及三維仿真應(yīng)用[10-11]。以上研究雖然取得了一定成果,但其作用對(duì)象、作用地域和分析方法仍有一定局限。

        本文介紹一種由鐵輥和膠輥共同作業(yè)的小型玉米剝皮機(jī),其具有玉米粒破損率低、價(jià)格便宜、適用范圍廣和效率較高等特點(diǎn),可在中小型玉米種植戶中大范圍推廣。進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真研究,揭示該型玉米剝皮機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的形變及應(yīng)力特性,并提出建議。該項(xiàng)研究可為小型玉米剝皮機(jī)的應(yīng)用和推廣開(kāi)辟新的途徑。

        1 模型及工作原理

        小型玉米剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。工作過(guò)程中,首先通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)帶輪和張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng);由帶輪軸上的齒輪與主動(dòng)鐵輥軸上的齒輪嚙合,帶動(dòng)主動(dòng)鐵輥轉(zhuǎn)動(dòng);張緊輪帶動(dòng)張緊輪軸上的葉片旋轉(zhuǎn),形成風(fēng)力;主動(dòng)鐵輥與從動(dòng)鐵輥間通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)。兩膠輥關(guān)于兩鐵輥呈對(duì)稱(chēng)安裝,如圖1所示。玉米由剝皮機(jī)的入料口進(jìn)入剝皮機(jī)內(nèi),在鐵輥和膠輥的共同作用下完成剝皮動(dòng)作,玉米向左運(yùn)動(dòng)經(jīng)出料口送出,玉米皮分離后穿過(guò)鐵輥和膠輥間的間隙,在風(fēng)力作用下吹出剝皮機(jī),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)玉米剝皮作業(yè)。系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。該型玉米剝皮機(jī)通過(guò)采用鐵輥和膠輥共同作用,可有效降低剝皮作業(yè)過(guò)程中玉米的破損率。

        1.膠輥 2.鐵輥 3.剝皮塊 4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)6.風(fēng)機(jī)箱

        表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

        2 模型建立

        小型玉米剝皮機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為鐵輥和膠輥,在工作過(guò)程中不僅承受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所輸入的轉(zhuǎn)矩,同時(shí)承受玉米所施加的載荷,工作情況復(fù)雜。剝皮機(jī)的機(jī)架為板材與型鋼組焊接的復(fù)雜框架結(jié)構(gòu),受帶輪主軸及鐵輥軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的激振力、系統(tǒng)的沖擊載荷及物料的不均勻等變載荷作用,機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。故針對(duì)該小型玉米剝皮機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)仿真研究。

        2.1 幾何模型建立

        在三維建模軟件中,建立小型玉米剝皮機(jī)的三維模型,如圖1所示。將建立好的三維模型保存為.x_t文件并導(dǎo)入Workbench中。在分析前,需要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理,具體的建模處理思路如下。根據(jù)分析要求,將防護(hù)罩、進(jìn)料口、出料口、螺栓等與分析無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)直接刪除,進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。通過(guò)在鐵輥軸上施加轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)輸入。小型玉米剝皮機(jī)的機(jī)架、鐵輥、齒輪等部分選用的材料為結(jié)構(gòu)鋼,其彈性模量E=2×105MPa、泊松比μ=0.3、密度7 850 kg/m3。膠輥選用的材料為橡膠,其彈性模量E=7.8 MPa、泊松比μ=0.47、密度ρ=1 000 kg/m3。

        2.2 約束及載荷

        在Workbench中,調(diào)用Static Structural模塊對(duì)小型玉米剝皮機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先通過(guò)Engineering Data菜單定義結(jié)構(gòu)鋼和橡膠的材料屬性,然后在Geometry菜單中導(dǎo)入模型,進(jìn)一步在Model菜單中定義零件的材質(zhì)及零件間的接觸關(guān)系。借助Mesh菜單對(duì)剝皮機(jī)的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,網(wǎng)格的大小與計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)密切相關(guān)。在Static Structural菜單下定義系統(tǒng)重力加速度,并為兩鐵輥施加轉(zhuǎn)速如圖3所示,兩鐵輥轉(zhuǎn)速為350 r/min,即36.6 rad/s,兩鐵輥反向旋轉(zhuǎn)。由于鐵輥和膠輥在工作過(guò)程中受到玉米的壓力、摩擦力及其反作用力影響,故對(duì)鐵輥和膠輥施加載荷如圖4所示。引入Total Deformation菜單及Equivalent Stress菜單作為分析對(duì)象,并完成模型求解。

        圖2 網(wǎng)格劃分

        圖4 施加載荷

        3 仿真結(jié)果

        通過(guò)靜力學(xué)仿真分析得到小型玉米剝皮機(jī)在工作過(guò)程中的變形情況及等效應(yīng)力情況如圖5~6所示。根據(jù)變形分析可知:剝皮機(jī)在工作過(guò)程中膠輥受玉米作用產(chǎn)生變形,最大變形為1 cm,且出現(xiàn)在膠輥中部,離軸支座越近變形越??;而鐵輥和機(jī)架幾乎不發(fā)生變形。進(jìn)一步地,根據(jù)等效應(yīng)力分析可知,系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在鐵輥的軸上,最大應(yīng)力為10.4 MPa,而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為235 MPa,故最大應(yīng)力在強(qiáng)度允許范圍內(nèi);其余部件所受應(yīng)力較小且皆在允許范圍內(nèi)。因此,根據(jù)靜力學(xué)分析可知,該型玉米剝皮機(jī)在工作過(guò)程中所受應(yīng)力及形變均較小,效果較為理想。同時(shí),為進(jìn)一步減小膠輥的變形量,可考慮將膠輥更換為鐵輥,通過(guò)在鐵棍上鑲嵌橡膠的剝皮塊代替膠輥,這樣既可以保證玉米在剝皮過(guò)程中顆粒度破損率較低,同時(shí)也滿足變形小的要求。

        圖5 變形分析

        圖6 等效應(yīng)力分析

        4 結(jié)論

        針對(duì)小型玉米剝皮機(jī)完成了靜力學(xué)分析。在該系統(tǒng)參數(shù)下,小型玉米剝皮機(jī)最大形變發(fā)生在膠輥中部,最大形變量為1 cm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鐵輥軸上,且最大應(yīng)力為10.4 MPa,在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。該型玉米剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高、玉米粒破損率低、價(jià)格便宜、適用范圍廣,具有較好的應(yīng)用前景。同時(shí),為減小膠輥形變量可采用鐵輥代替膠輥,通過(guò)在鐵棍上鑲嵌橡膠剝皮塊以保證玉米籽的完好率。

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