段文遠(yuǎn)，張春雨，祖永斌

(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

隨著我國糧食產(chǎn)量的逐年提升，人們的飲食水平和糧食安全意識也隨時代進(jìn)步而不斷提高，糧食安全事關(guān)國計民生，地位越來越重要[1-2]。糧食扦樣工作正是糧食質(zhì)量檢測中的重要一環(huán)。目前，我國還有許多地方采用手工套筒扦樣器等人工方式進(jìn)行糧食扦取[3]。人工扦樣效率低，更大的問題是其具有主觀性，扦樣過程中容易出現(xiàn)舞弊現(xiàn)象，使樣品可能不具代表性。近些年，此領(lǐng)域研究者對全自動糧食扦樣機(jī)進(jìn)行了研究。馬艷[4]設(shè)計了一種塔吊式糧食扦樣機(jī)，這種塔吊式扦樣機(jī)也是市面上最為常見的扦樣機(jī)類型，能實現(xiàn)自動化扦樣，但旋轉(zhuǎn)臂扦樣部分回轉(zhuǎn)半徑較小，在對大型運(yùn)糧車進(jìn)行扦樣時會出現(xiàn)大面積扦樣盲區(qū)。杜楓[5]設(shè)計的也是一種塔吊式扦樣機(jī)，其采用單桿扦樣，效率較低。針對目前現(xiàn)狀及上述設(shè)計所存在的問題，本研究設(shè)計了一種可對運(yùn)糧車車廂進(jìn)行自動化快速無盲區(qū)扦樣的可移動桁架式扦樣機(jī)，運(yùn)用SolidWorks軟件對其主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并基于SolidWorks Simulation虛擬測試環(huán)境對主要梁進(jìn)行有限元分析，驗證了結(jié)構(gòu)的可行性。

1 雙桿桁架式扦樣機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以回轉(zhuǎn)半徑為5 000 mm的YL-A型固定式扦樣機(jī)對13 000 mm×2 400 mm掛車車廂進(jìn)行扦樣工作為例，出現(xiàn)了如圖1所示A和B兩個面積較大的扦樣盲區(qū)，若加長回轉(zhuǎn)臂則會導(dǎo)致扦樣機(jī)整體穩(wěn)定性不足。本研究設(shè)計了一種可移動的雙桿桁架式糧食扦樣機(jī)，其工作時兩個扦樣桿同時進(jìn)行扦樣，且扦樣范圍可對車廂實現(xiàn)全覆蓋，使扦樣工作更具高效性、隨機(jī)性和公平性。

圖1 YL-A型固定式扦樣機(jī)扦樣盲區(qū)(單位：mm)

1.1 設(shè)計要點(diǎn)

在對桁架式扦樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要著重考慮以下4個問題：桁架跨度能使主流運(yùn)糧車通過且不影響正常工作；主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能要滿足實際要求；扦樣工作效率高，在短時間內(nèi)能完成對大型糧食運(yùn)輸車輛的扦樣工作；移動橫梁和扦樣小車要選擇合適的移動方式，以實現(xiàn)在扦樣點(diǎn)選擇完成后對其進(jìn)行精確扦樣。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

桁架式扦樣機(jī)主要由支撐立柱、滑軌梁、移動橫梁、支撐橫梁、扦樣小車、直線導(dǎo)軌、動力驅(qū)動系統(tǒng)及傳動裝置等組成。桁架的臨界屈曲荷載主要由面外支撐的剛度和間距所決定，所以本扦樣機(jī)的主體桁架跨度在滿足實際使用需求的前提下應(yīng)盡量選擇較小尺寸。最終設(shè)計的支撐立柱使用高5 000 mm的30#工字鋼，移動橫梁使用長3 600 mm的20#工字鋼，滑軌梁使用長3 000 mm的20#工字鋼，使用與移動橫梁平行的方管對立柱進(jìn)行加固，以提高整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，建模完成后的扦樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 桁架式扦樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.3 傳動部分

移動橫梁可采用齒輪齒條傳動或長絲桿傳動，但在水平傳動過程中如使用長絲桿，則經(jīng)常會遇到絲桿自身下垂的問題，且由于絲桿的制造工藝欠佳, 容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量大的問題，故對于扦樣機(jī)這種在開放環(huán)境中作業(yè)的設(shè)備而言，選用齒輪齒條傳動方式為最佳選擇。扦樣機(jī)主要傳動系統(tǒng)三維示意圖見圖3。

圖3 扦樣機(jī)主要傳動系統(tǒng)三維示意圖

如圖3(a)所示，為保證扦樣機(jī)移動橫梁的位置精度及移動過程的可靠性，選擇模數(shù)m=3的齒輪和齒條,采用伺服電機(jī)驅(qū)動。扦樣桿傳動系統(tǒng)如圖3(b)所示，采用3對橡膠輪兩兩逆向轉(zhuǎn)動，在摩擦力作用下，帶動扦樣桿上下移動，實現(xiàn)扦樣作業(yè)。

1.4 桁架穩(wěn)定性

扦樣機(jī)的整體桁架結(jié)構(gòu)高達(dá)5 000 mm，當(dāng)重心位于較高位置時，容易失穩(wěn)傾覆。為防止此類事故發(fā)生，設(shè)計了扦樣機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)，其三維示意圖見圖4。如圖4(a)所示，在4個車輪支架上有與其一體的防脫軌裝置，在傾覆臨界點(diǎn)可與工字型軌道的上沿形成鎖緊急停，保證扦樣機(jī)整體桁架只能沿地面導(dǎo)軌行進(jìn)作業(yè)，從而避免了其他方向的傾覆側(cè)翻。同時為了提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在立柱與滑軌梁之間增設(shè)加強(qiáng)筋，如圖4(b)所示。

圖4 扦樣機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計三維示意圖

2 工作過程

扦樣機(jī)在空間中有3個直線運(yùn)動軸，分別為沿X軸直線移動的整體機(jī)架和移動橫梁、沿Y軸直線運(yùn)動的扦樣小車，以及通過機(jī)構(gòu)夾緊力沿Z軸直線運(yùn)動的扦樣桿。應(yīng)用PLC系統(tǒng)，控制扦樣機(jī)各部件在3個軸的動作，以實現(xiàn)對散裝車輛的全方位無盲區(qū)自動扦樣作業(yè)。

雙桿桁架式扦樣機(jī)具體工作流程如下：運(yùn)糧車到達(dá)指定扦樣區(qū)域并做好扦樣準(zhǔn)備后，桁架式扦樣機(jī)啟動。移動橫梁與兩根滑軌梁采用導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行連接，并由電機(jī)驅(qū)動，保證其通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，在沿X軸方向運(yùn)動的同時限制其Y軸自由度。同時，伺服電機(jī)驅(qū)動車輪帶動扦樣小車沿Y軸方向運(yùn)動，將扦樣桿送至預(yù)設(shè)扦樣點(diǎn)上方，扦樣桿由滾輪夾緊沿Y軸豎直下探插入糧堆中扦取糧食樣品。若車廂載梁部分長度超過扦樣機(jī)移動橫梁的運(yùn)動范圍，則桁架底輪沿地面軌道帶動扦樣機(jī)移動到下一扦樣區(qū)域繼續(xù)扦樣。

3 仿真與分析

對桁架式扦樣機(jī)進(jìn)行三維建模之后，得到的是一個由1 059個零件構(gòu)成的復(fù)雜裝配體。如果直接對整個裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元分析，將會因無關(guān)因素過多而影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，并且會加重數(shù)據(jù)計算分析的負(fù)擔(dān)，所以為高效得到相對精確的計算結(jié)果，忽略移動橫梁和滑軌梁上其他零件的質(zhì)量，不可忽略的部分簡化為集中載荷。尋找移動橫梁和滑軌梁在結(jié)構(gòu)上容易發(fā)生破壞的典型工位，基于SolidWorks Simulation虛擬測試環(huán)境單獨(dú)對各典型工位簡化模型進(jìn)行有限元分析。各部分材料屬性如表1所示。

表1 桁架主要結(jié)構(gòu)及材料屬性

3.1 典型工位確定

待分析的移動橫梁與滑軌梁都可看作簡支梁，確定容易發(fā)生破壞的典型工位，即尋找集中載荷在何處彎矩最大。簡支梁受集中載荷簡圖見圖5。

圖5 簡支梁受集中載荷簡圖

如圖5所示，此時簡支梁所受彎矩

(1)

因為集中力F與簡支梁總長L都為正定值，此時若要求最大彎矩Mmax，只需要求出a(L-a)的最大值即可，計算公式如下：

(2)

3.2 不同典型工況位下雙桿桁架式糧食扦樣機(jī)的有限元分析

對典型工位1(圖6)進(jìn)行有限元分析，將扦樣小車簡化為集中載荷施加在移動橫梁中間，簡化后的集中載荷為2 000 N。

圖6 典型工位1

由分析結(jié)果(圖7)可知，桁架式扦樣機(jī)處于典型工位1時應(yīng)力多在2.656×106N/m2以下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在移動橫梁上集中載荷處，此處最大應(yīng)力為1.328×107N/m2，遠(yuǎn)小于Q235型鋼的屈服極限2.350×108N/m2。同時其最大位移為5.591×10-1mm，也出現(xiàn)在移動橫梁上集中載荷處，變形量小于1 mm，完全滿足工程技術(shù)要求。因此，扦樣機(jī)處于典型工位1時桁架整體結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度和剛度要求。

圖7 典型工位1的有限元分析結(jié)果

對典型工位2(圖8)進(jìn)行有限元分析，將扦樣小車與移動橫梁都簡化為集中載荷施加在其中點(diǎn)，簡化后的載荷為3 000.44 N。

圖8 典型工位2

由分析結(jié)果(圖9)可知，扦樣機(jī)處于典型工位2時大部分位置應(yīng)力在2.900×106N/m2以下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐扦樣小車滑軌梁中間處，此處最大應(yīng)力為9.663×106N/m2，遠(yuǎn)小于Q235型鋼的屈服極限2.350×108N/m2。同時其最大位移為1.898×10-1mm，出現(xiàn)在滑移動橫梁中間位置，變形量極小，完全滿足工程技術(shù)要求。因此，扦樣機(jī)處于典型工位2時桁架整體結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度和剛度要求。

圖9 典型工位2的有限元分析結(jié)果

4 結(jié)語

本研究以桁架結(jié)構(gòu)為主體，設(shè)計了一種雙桿可移動桁架式糧食扦樣機(jī)。該扦樣機(jī)代替了手工扦樣機(jī)和傳統(tǒng)固定式扦樣機(jī)，使糧食入庫檢測前的扦樣工作自動化且高效，有效增加了扦樣范圍，避免了手動扦樣造成的勞動力浪費(fèi)，以及傳統(tǒng)固定式扦樣機(jī)在工作過程中出現(xiàn)大片盲區(qū)等問題。