郭壯，鄭威強(qiáng),2，張立萍，李飛

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710045)

在固沙裝備中，輸送機(jī)構(gòu)是送料系統(tǒng)的重要組成部分，為了提高固沙裝備對物料的適應(yīng)性，必須對送料系統(tǒng)的輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。現(xiàn)有埋設(shè)裝備大多采用編制好的草簾子進(jìn)行埋設(shè)工作，步驟繁瑣、成本高[1]。利用散狀桿式物料通過物料輸送機(jī)構(gòu)直接進(jìn)行鋪設(shè)，可大大降低沙障埋設(shè)的成本，提高作業(yè)效率，使固沙裝備更加經(jīng)濟(jì)和高效。使用散狀桿式物料作為埋設(shè)原料，通過輸送機(jī)構(gòu)將物料從料箱的物料出口取出，整齊有序的輸送至埋設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)在輸送過程中滿足厚度均勻、不堵塞的工作要求是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對不同物料輸送裝置以及輸送過程中的物料運(yùn)動特性進(jìn)行了大量研究，Minglani等[2]通過理論分析并結(jié)合離散元法對螺旋給料機(jī)中的物料流動特性進(jìn)行研究；Rackl等[3]建立木屑進(jìn)給系統(tǒng)的離散元模型，探討了安裝位置對木片加料系統(tǒng)的影響；Zhu等[4]采用離散單元法對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土室系統(tǒng)在砂卵石地層中的適應(yīng)性進(jìn)行模擬，對物料速度場、運(yùn)動軌跡和質(zhì)量流量進(jìn)行研究；Xiao等[5]采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，闡明了流經(jīng)瓶頸處的致密顆粒系統(tǒng)發(fā)生堵塞的微觀機(jī)理；Yuan等[6]采用計(jì)算流體力學(xué)與離散單元法耦合的方法，研究了圓筒篩直徑和轉(zhuǎn)速對稻谷脫?；旌衔镞\(yùn)動規(guī)律和篩分特性的影響；Zhao等[7]采用離散元法對稻草飼喂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬；Han等[8]采用離散元方法對立式碾米機(jī)螺旋段的顆粒輸送進(jìn)行了數(shù)值研究，總結(jié)顆粒的微觀流動特性與螺旋輸送宏觀性能之間的關(guān)系；Li等[9]采用離散元方法模擬研究了吸收體系統(tǒng)中垂直彎管出口的顆粒流率；Guo等[10]采用離散元方法對管帶式輸送機(jī)輸送帶所承受的側(cè)壓力進(jìn)行了研究；丁賀賀等[11]采用計(jì)算流體力學(xué)與離散單元法耦合的方法對谷物風(fēng)選進(jìn)行仿真試驗(yàn)；徐照耀等[12]通過EDEM軟件探究內(nèi)充種式棉花排種器的最優(yōu)排種性能參數(shù)組合；司凱等[13]在平面連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出滿足散草輸送過程中間歇性送草的推草機(jī)構(gòu)，通過動力學(xué)仿真驗(yàn)證推草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和合理性，但輸出物料的整齊有序效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證；唐偉國等[14]對立體固沙設(shè)備中推草機(jī)構(gòu)的翻草板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。

目前，離散元法在物料輸送方面多應(yīng)用于粒狀物料的研究，而用離散元仿真技術(shù)對桿式物料輸送的研究有待進(jìn)一步深入?，F(xiàn)有的離散元(discrete element method，DEM)仿真軟件沒有機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析功能，借助多體動力學(xué)法(multi-body dynamics，MBD)求解機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)問題，通過DEM和MBD的雙向耦合仿真，建立輸送機(jī)構(gòu)和桿式物料的耦合模型，求解輸送機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的動力學(xué)問題以及物料群體的運(yùn)動情況，進(jìn)而對輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 輸送機(jī)構(gòu)的原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固沙裝備在作業(yè)時(shí)采用平鋪式沙障埋設(shè)固沙技術(shù)，需要埋設(shè)的沙障高出地面150～200 mm，沙障入土深度100～150 mm，埋設(shè)所需的沙障材料長度為400 mm左右。在固沙過程中由輸送機(jī)構(gòu)將散狀桿式物料均勻整齊的輸送至下一執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便于固沙過程的高效實(shí)施。

1.1 輸送機(jī)構(gòu)工作原理

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過鏈條式結(jié)構(gòu)進(jìn)行散狀桿式輸送時(shí)，物料之間由于摩擦阻力而相互牽連，輸送過程中容易出現(xiàn)物料堵塞和輸送過厚等問題，設(shè)計(jì)桿式物料輸送機(jī)構(gòu)采用間歇送料、連續(xù)供料的輸送方式可以避免出現(xiàn)這些問題。

根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)工作過程中的時(shí)序要求，輸送機(jī)構(gòu)循環(huán)動作主要包括輸送升程、輸送推程、空載回程3個(gè)階段。

推草板在輸送升程階段將物料由料箱的物料出口舉升抬離送料平臺，輸送推程階段推草板將舉升起的物料向送料平臺一側(cè)輸送，空載回程階段推草板與物料脫離并返回初始位置。

根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)工作原理及相關(guān)使用要求，沿送料平臺左右兩側(cè)設(shè)置有對稱分布的推草板和驅(qū)動連桿。輸送機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，輸送機(jī)構(gòu)工作時(shí)，左驅(qū)動桿和右驅(qū)動桿以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，帶動與左側(cè)連接板和右側(cè)連接板相連的推草板運(yùn)轉(zhuǎn)。

1：送料平臺；2：推草板；3：左驅(qū)動桿；4：左側(cè)連接板；5：左側(cè)下連桿；6：右驅(qū)動桿；7：右側(cè)連接板；8：右側(cè)下連桿；9：料箱。1:Feeding table；2:Drafting board;3：Left driving rod;4：Left connecting rod;5：Left lower connecting rod;6：Right driving rod;7：Right connecting rod;8：Right lower connecting rod;9：Feeding box.圖1 輸送機(jī)構(gòu)Figure 1 Schematic diagram of conveying mechanism

在桿式物料輸送機(jī)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)物料的整齊有序輸送，推草板作為主要的執(zhí)行構(gòu)件，沿送料平臺左右兩側(cè)呈對稱分布，推草板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 推草板結(jié)構(gòu)Figure 2 Schematic diagram of material pushing board structure

推草板上設(shè)有均勻分布，間隔距離為d的撥叉，工作過程中推草板與桿式物料的有效接觸距離為L，其中：

L=d×(n-1)

(1)

式中：L：推草板與桿式物料的有效接觸距離，mm；d：相鄰2個(gè)撥叉間的距離，mm；n：撥叉?zhèn)€數(shù)。

輸送機(jī)構(gòu)工作過程中，物料在推草板相鄰2個(gè)撥叉的夾持下，由物料箱出口輸送至送料平臺一側(cè)，在輸送過程中，以推草板結(jié)構(gòu)平面法線方向?yàn)閰⒖?，桿式物料軸線發(fā)生的最大偏移角為ε，如圖3所示。

(2)

式中：ε： 桿式物料最大偏移角，(°)；W：左右兩側(cè)推草板之間的距離，mm。

圖3 桿式物料軸線偏移角Figure 3 Axial offset angle of rod material

為確保所有桿式物料都能有序地輸送，左右兩側(cè)推草板之間的距離W要小于桿式物料的長度，并且可根據(jù)桿式物料的尺寸大小以及輸送過程中物料的最大偏移角要求，靈活的調(diào)整推草板相鄰兩個(gè)撥叉的間距d以及左右兩側(cè)推草板之間的距離W，進(jìn)而滿足不同物料的輸送需求。

本輸送機(jī)構(gòu)選取蘆葦桿為作業(yè)單體進(jìn)行物料輸送，推草板相鄰兩個(gè)撥叉的間距d取75 mm，左右兩側(cè)推草板之間的距離W取350 mm，通過式(2)計(jì)算得桿式物料軸線最大偏移角ε約為12°。

1.2 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在輸送機(jī)構(gòu)工作時(shí)，為了保證推草板在運(yùn)動過程中與物料的接觸面始終保持水平狀態(tài)，推草板左右兩側(cè)由結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的2個(gè)連桿部分協(xié)同驅(qū)動。

為了便于對輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，可將單側(cè)輸送機(jī)構(gòu)分解為3個(gè)簡單平面連桿機(jī)構(gòu)，即：連桿OA、連桿AB、連桿BC和機(jī)架OC組成的左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理如圖4-A所示；連桿DE、連桿EF、連桿EG、機(jī)架DG組成的右側(cè)連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)原理如圖4-B所示；連桿AP、連桿EH、連桿PH和機(jī)架AE組成等效連桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理如圖4-C所示。

結(jié)合輸送機(jī)構(gòu)的使用要求，輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖5所示，輸送機(jī)構(gòu)由左右兩側(cè)的驅(qū)動桿以相同的轉(zhuǎn)速協(xié)同運(yùn)作，為了保證推草板端面MN始終處于水平狀態(tài)，2個(gè)驅(qū)動桿的轉(zhuǎn)角θ時(shí)刻保持相同。

θ=ωt+θ0

(3)

圖4 輸送機(jī)構(gòu)分解圖Figure 4 Decomposition diagram of conveying mechanism

圖5 輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Figure 5 Motion diagram of conveying mechanism

式中：ω：驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速，rad/s；t：運(yùn)動時(shí)間，s；θ0：驅(qū)動桿初始轉(zhuǎn)角，(°)。

由于左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)與右側(cè)連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，只分析左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)即可。在用矢量法建立左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)的位置方程時(shí)，需將桿件用矢量來表示，并建立連桿機(jī)構(gòu)的封閉矢量多邊形，如圖6所示。

圖6 封閉矢量多邊形Figure 6 Closed vector polygon

在左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)圖上建立直角坐標(biāo)系，各連桿的長度分別為lOA、lAB、lBC和機(jī)架IOC，其對應(yīng)方位角分別為θ1、θ2、θ3、θ4，表示與x軸的正向夾角，逆時(shí)針方向?yàn)檎槙r(shí)針方向?yàn)樨?fù)，各連桿長度以及初始位置夾角如表1所示。

表1 各連桿尺寸、初始位置

各桿矢量組成一個(gè)封閉矢量多邊形，即OABCO，各矢量之和必等于0。左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)矢量封閉方程為：

(4)

角位移矢量封閉方程向直角坐標(biāo)系投影后的分量形式為：

(5)

左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)與右側(cè)連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，連桿PH(推草板)的端面MN在運(yùn)動過程中始終與水平面保持平行，連桿AP固定連接在連桿AB上，與連桿AB夾角為β，連桿PH的運(yùn)動軌跡和連桿AP上P點(diǎn)的運(yùn)動軌跡相同，只分析連桿AP上P點(diǎn)的運(yùn)動軌跡即可，P(xp，yp)點(diǎn)運(yùn)動軌跡方程為：

(6)

(7)

2 輸送機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)構(gòu)建

結(jié)合固沙裝備工作時(shí)的前進(jìn)速度V，以及輸送機(jī)構(gòu)的撥叉完成一個(gè)循環(huán)動作的物料輸送長度D，輸送機(jī)構(gòu)的驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速ω為：

(8)

為探尋較好的物料輸送效果，選取插草圓盤工作時(shí)的前進(jìn)速度V為0.22～0.55 m/s[16-18]，由式(6)計(jì)算得物料輸送長度D為0.22 m，代入式(8)得ω選取范圍為1.0～2.5 rad/s。

在平面多剛體系統(tǒng)中，剛體之間通過運(yùn)動副連接且在相互平行的平面內(nèi)發(fā)生相對運(yùn)動，為了方便分析，將運(yùn)動副簡化為鉸點(diǎn)H1～H10，建立輸送機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖7所示。

圖7 多體系統(tǒng)動力學(xué)模型Figure 7 Multi-body dynamic

對于7個(gè)做平面運(yùn)動的多剛體系統(tǒng)采用笛卡爾方法進(jìn)行定義[15]，首先在系統(tǒng)的運(yùn)動平面上建立全局坐標(biāo)系xoy，系統(tǒng)中構(gòu)件i的質(zhì)心點(diǎn)Ci的全局坐標(biāo)為(xi，yi)，以Ci為原點(diǎn)建立該剛體的局部坐標(biāo)系，φ為全局坐標(biāo)系x軸與局部坐標(biāo)系xi′軸正方向之間的夾角，φi稱為剛體i的姿態(tài)角，規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)檎较?，由此剛體i的笛卡爾廣義坐標(biāo)列矩陣為：

qi=[xi，yi，φi]

(9)

當(dāng)系統(tǒng)中每個(gè)運(yùn)動剛體都按上述過程建立局部坐標(biāo)系時(shí)，系統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)列陣為：

q=[q1，q2，q3，q4，q5，q6，q7]

(10)

整個(gè)系統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)陣中的坐標(biāo)自由度個(gè)數(shù)記為k，經(jīng)過計(jì)算可知k=3×7=21。系統(tǒng)有10個(gè)連接鉸，約束方程有s=2×10=20個(gè)，機(jī)構(gòu)的自由度δ=3×7-20=1，據(jù)此建立系統(tǒng)的位置約束方程組、速度約束方程組和加速度約束方程組，其一般表達(dá)式為：

Φ(q,t)=0

(11)

(12)

(13)

利用Lagrange方法建立輸送機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)的動力學(xué)方程[19]，其一般形式可表示為：

(14)

式中：M：系統(tǒng)的廣義質(zhì)量矩陣；F：系統(tǒng)的廣義力矩陣；λ：拉格朗日乘子。

通過求解獨(dú)立坐標(biāo)的速度和位置，進(jìn)而獲得非獨(dú)立坐標(biāo)的速度、位置以及其他動力學(xué)參數(shù)，從而完成多體系統(tǒng)動力學(xué)問題的求解。

3 離散元輸送機(jī)構(gòu)模型構(gòu)建

3.1 桿式物料模型構(gòu)建

根據(jù)物料與構(gòu)件在輸送過程中的相互作用，建立離散元模型。以固沙裝備蘆葦桿輸送作業(yè)單體為研究對象，根據(jù)沙障的埋設(shè)要求[20]，選取長度為400 mm、直徑為20 mm左右的桿式物料如圖8所示，首先測量物料的外形尺寸，然后建立其三維模型，最后通過顆粒填充建立離散元的桿式物料模型。

在仿真過程中結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境中物料的大小分布情況，物料在生成過程中體積大小服從正態(tài)分布，如圖9所示，其中最小物料體積為4.10×104mm3，最大物料體積為6.30×104mm3。

圖8 桿式物料模型Figure 8 Rod-type material model

圖9 物料大小分布Figure 9 Material size distribution

3.2 仿真參數(shù)的確定

在利用離散元軟件進(jìn)行仿真的過程中，需要對仿真模型的材料參數(shù)以及接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過查閱文獻(xiàn)將各參數(shù)整理后如表2所示[21-22]，并建立輸送機(jī)構(gòu)離散元模型。

表2 模型特性參數(shù)

3.3 桿式物料模型運(yùn)動方程

根據(jù)力與位移之間的關(guān)系，物料所受到的力的大小可以通過位移的計(jì)算來獲得.而通過牛頓第二定律的計(jì)算可以準(zhǔn)確的得到物料的質(zhì)心位移：根據(jù)牛頓第二定律，物料i質(zhì)心的運(yùn)動方程：

(15)

4 耦合仿真結(jié)果分析

通過建立輸送機(jī)構(gòu)的模型，并對輸送機(jī)構(gòu)的工作過程進(jìn)行DEM-MBD雙向耦合仿真[23-26]。

4.1 輸送機(jī)構(gòu)工作過程特性分析

輸送機(jī)構(gòu)中物料的運(yùn)動狀態(tài)直接影響輸送效果的好壞，為了揭示物料在輸送過程中的運(yùn)動規(guī)律，研究物料在不同輸送階段的速度變化規(guī)律，對物料的輸送過程進(jìn)行分析，如圖10所示，為便于觀察對圖中送料平臺的外側(cè)擋板做了剖面處理，色帶從藍(lán)色到紅色表示物料的運(yùn)動速度逐漸增大。

圖10 輸送過程Figure 10 Transportation process

輸送升程階段如圖10-A所示，隨著推草板不斷向上運(yùn)動，推草板撥叉會擾動附近的物料，沿?fù)懿孢\(yùn)動方向形成傾斜的“倒三角”干擾空間，隨著撥叉不斷向上運(yùn)動，被擾動的物料運(yùn)動速度逐漸增大，推草板運(yùn)動至最高點(diǎn)將物料舉升抬離輸送平臺。

輸送推程階段如圖10-B所示，隨著推草板由最高點(diǎn)逐漸下落，物料與送料平臺不斷接觸并沿送料平臺左側(cè)的滑道向下滑落，由于在輸送推程階段推草板運(yùn)動速度較大，當(dāng)物料脫離推草板后能以較大的速度沿滑道向下滑落，縮短物料滑落的時(shí)間，提高物料輸送效率。

空載回程階段如圖10-C所示，推草板運(yùn)動至送料平臺底板下方，并與物料完全脫離，避免將物料帶回出現(xiàn)物料堵塞等問題，由于此時(shí)送料平臺上方的物料只受重力作用，整體運(yùn)動速度基本保持一致。

推草板初始位置如圖10-D所示，隨著時(shí)間的推移送料平臺左側(cè)滑道處的物料在重力的作用下滑離送料平臺，同時(shí)推草板完成一個(gè)循環(huán)輸送動作后返回送料平臺右側(cè)初始位置，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)動作。

桿式物料在推草板的作用下，自物料出口下落由送料平臺左側(cè)滑道滑離，在整個(gè)過程中物料始終在送料平臺的擋板范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)飛離擋板發(fā)生掉落的情況。在送料平臺的左側(cè)滑道處，各物料顆粒的運(yùn)動軌跡近似呈平行分布，且速度大小幾乎保持一致，說明經(jīng)由左側(cè)滑道滑落時(shí)各物料的姿態(tài)相對保持不變，能夠平緩有序的滑離送料平臺，便于開展下一步的埋設(shè)工作。

通過觀察輸送機(jī)構(gòu)在不同時(shí)刻的工作狀態(tài)，可以直觀準(zhǔn)確地呈現(xiàn)輸送機(jī)構(gòu)的工作過程以及桿式物料的運(yùn)動情況，進(jìn)而評價(jià)輸送機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果。

4.2 推草板運(yùn)動軌跡分析

輸送機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)選取推草板撥叉尖端處為參考點(diǎn)，得到在xoy平面內(nèi)的運(yùn)動軌跡曲線如圖11所示。

推草板撥叉在平面內(nèi)做復(fù)合循環(huán)運(yùn)動，推草板在送料平臺底板上方運(yùn)動時(shí)，水平方向的最大移動距離為220 mm，推草板在豎直方向最大移動距離為150 mm，最高點(diǎn)到送料平臺的距離為90 mm。推草板完成一個(gè)輸送循環(huán)動作可輸送物料截面的最大厚度為90 mm，最大長度為220 mm。

在一個(gè)循環(huán)輸送動作中，推草板撥叉尖端運(yùn)動軌跡如圖11所示，ab段推草板進(jìn)入輸送升程階段，從送料平臺下方a處不斷上升，逐漸露出送料平臺并與物料相接觸，沿著斜上方將物料舉升抬離送料平臺，運(yùn)動至b處推草板攜同物料運(yùn)動到最高位置；bc段進(jìn)入輸送推程階段，推草板由最高位置逐漸降低，與此同時(shí)物料不斷與送料平臺接觸，沿著滑道向送料平臺一側(cè)滑落，直至推草板上的撥叉完全在送料平臺底板下方；ca段進(jìn)入空載回程階段，推草板在c處與送料平臺上的散草完全脫離，避免推草板將物料帶回出現(xiàn)物料堵塞的情況，同時(shí)推草板在送料平臺底板下方運(yùn)動返回初始位置a點(diǎn)處，進(jìn)而完成循環(huán)輸送動作。

圖11 運(yùn)動軌跡曲線Figure 11 Path curves

推草板在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動桿以一定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，推草板速度、加速度隨驅(qū)動桿轉(zhuǎn)角變化如圖12～13所示。

驅(qū)動桿以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)角為22°時(shí)，推草板的加速度大小相同，這是由于在空載回程階段，推草板處于輸送軌跡豎直方向的最低點(diǎn)，推草板受力處于平衡狀態(tài)。

當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)角處于103°～173°時(shí)，推草板處于輸送升程階段，加速度和速度變化較為平緩，保證將桿式物料平穩(wěn)舉升抬離送料平臺；當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)角處于173°～271°時(shí)，推草板處于輸送推程階段，加速度變化較為平緩且運(yùn)動速度不斷減小，避免物料與送料平臺接觸時(shí)出現(xiàn)因速度過大發(fā)生反彈脫離送料平臺的情況，而影響物料輸送效果；當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)角處于271°～360°和0°～103°時(shí)，推草板處于空載回程階段，在運(yùn)動過程中能夠以較大的速度返回初始位置，縮短輸送動作循環(huán)時(shí)間提高輸送效率，達(dá)到間歇輸料，連續(xù)供料的工作要求。

圖12 速度變化Figure 12 Velocity variation characteristic

圖13 加速度變化Figure 13 Acceleration variation characteristic

4.3 推草板動力學(xué)響應(yīng)分析

當(dāng)驅(qū)動桿以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，輸送機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)輸送循環(huán)動作周期內(nèi)推草板受到桿式物料的壓力變化如圖14所示。當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速為1.0、1.5、2.0、2.5 rad/s時(shí)，推草板受到的最大壓力分別為161.5、230、251、275 N。隨著驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速的增大推草板所受最大壓力逐漸增大。

當(dāng)轉(zhuǎn)角為103°～173°時(shí)推草板處于輸送升程階段，隨著轉(zhuǎn)動角的增大推草板不斷向上運(yùn)動，與之接觸的物料不斷增多所受壓力隨之增大，當(dāng)驅(qū)動桿以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)作時(shí)，推草板在輸送升程階段所受壓力變化趨勢相同。

當(dāng)轉(zhuǎn)角為173°～271°時(shí)推草板處于輸送推程階段。當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速為1.0 rad/s和1.5 rad/s，如圖14-A和圖14-B所示，推草板所受壓力出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，這是由于當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)物料離開推草板沿滑道下落時(shí)的初速度較小，同時(shí)由于物料與滑道之間存在摩擦，物料間也存在摩擦，導(dǎo)致物料脫離推草板后的下滑速度低于推草板運(yùn)動速度，推草板一側(cè)同時(shí)還受到外部物料的壓力，致使推草板所受壓力不斷增大，而后推草板逐漸運(yùn)動至送料平臺下方并逐漸與物料脫離，受到物料的壓力也逐漸減小；當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速為2.0 rad/s和2.5 rad/s時(shí)，如圖14-C和圖14-D所示，推草板所受壓力逐漸減小，這是由于當(dāng)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速較大時(shí)物料離開推草板沿滑道下落的初速度也較大，推草板受外部物料壓力較小，致使在輸送推程階段受到物料的壓力逐漸減小。

當(dāng)轉(zhuǎn)角為271°～360°和0°～103°時(shí)推草板處于空載回程階段，推草板與物料不發(fā)生接觸，受到物料的壓力為零，不受驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速影響，使得推草板在運(yùn)動過程中能夠更好地完成輸送循環(huán)動作。

圖14 壓力變化Figure 14 Pressure variety

5 輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)耦合仿真結(jié)果分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了物料輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺架的搭建，輸送機(jī)構(gòu)前后兩側(cè)對稱安裝在試驗(yàn)臺架上，如圖15所示。為了便于對物料的輸送情況進(jìn)行觀察，物料的外擋板均選用透明材質(zhì)進(jìn)行加工裝配，試驗(yàn)以蘆葦桿為作業(yè)單體，通過控制臺對輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)物料輸送厚度為45～85 mm時(shí)，該機(jī)構(gòu)的物料輸送整齊率達(dá)95%，在轉(zhuǎn)速為2.0～2.5 rad/s時(shí)工作性能較佳，滿足固沙裝備物料輸送要求。

6 結(jié)論

本研究建立了輸送機(jī)構(gòu)和桿式物料的耦合模型，分析了工作過程中輸送機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性以及桿式物料的運(yùn)動規(guī)律，得出以下主要結(jié)論。

1) 利用DEM-MBD雙向耦合方法，建立了輸送機(jī)構(gòu)與散狀棒狀物料的耦合模型，該模型能準(zhǔn)確地揭示輸送機(jī)構(gòu)的工作原理及與物料的相互作用，直觀地反映出物料在輸送過程各階段的運(yùn)動規(guī)律。

1：外擋板；2：桿料；3：輸送機(jī)構(gòu)；4：臺架；5：電機(jī)；6：控制臺。1：Exterior siding；2：Rod material；3：Conveying mechanism；4：Bench scale；5：Motor；6：Console.圖15 物料輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺Figure 15 Test rig for material conveying mechanism

2) 桿式物料在輸送過程中物料軸線最大偏移角為12°，能夠被整齊有序地送離輸送平臺；輸送機(jī)構(gòu)完成一次輸送循環(huán)動作，能輸送的物料最大厚度為90 mm、最大長度為220 mm，可根據(jù)作業(yè)需要縮放機(jī)構(gòu)以適應(yīng)物料輸送量；輸送機(jī)構(gòu)驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速為2.0 rad/s和2.5 rad/s時(shí)，推草板綜合工作性能較好。

3) 桿式物料輸送機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)散狀桿式物料的有序輸送，擴(kuò)大了固沙裝備對物料的適應(yīng)范圍；可以對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行縮放以適應(yīng)不同的桿式物料輸送需求。