段文遠，張春雨，祖永斌

(安徽科技學院 機械工程學院，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進行了研究。馬艷[4]設計了一種塔吊式糧食扦樣機，這種塔吊式扦樣機也是市面上最為常見的扦樣機類型，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，在對大型運糧車進行扦樣時會出現(xiàn)大面積扦樣盲區(qū)。杜楓[5]設計的也是一種塔吊式扦樣機，其采用單桿扦樣，效率較低。針對目前現(xiàn)狀及上述設計所存在的問題，本研究設計了一種可對運糧車車廂進行自動化快速無盲區(qū)扦樣的可移動桁架式扦樣機，運用SolidWorks軟件對其主體結(jié)構(gòu)進行三維建模，并基于SolidWorks Simulation虛擬測試環(huán)境對主要梁進行有限元分析，驗證了結(jié)構(gòu)的可行性。

1 雙桿桁架式扦樣機的整體結(jié)構(gòu)設計

以回轉(zhuǎn)半徑為5 000 mm的YL-A型固定式扦樣機對13 000 mm×2 400 mm掛車車廂進行扦樣工作為例，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)臂則會導致扦樣機整體穩(wěn)定性不足。本研究設計了一種可移動的雙桿桁架式糧食扦樣機，其工作時兩個扦樣桿同時進行扦樣，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、隨機性和公平性。

圖1 YL-A型固定式扦樣機扦樣盲區(qū)(單位：mm)

1.1 設計要點

在對桁架式扦樣機進行結(jié)構(gòu)設計時，需要著重考慮以下4個問題：桁架跨度能使主流運糧車通過且不影響正常工作；主體結(jié)構(gòu)強度、剛度等力學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)在扦樣點選擇完成后對其進行精確扦樣。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

桁架式扦樣機主要由支撐立柱、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，所以本扦樣機的主體桁架跨度在滿足實際使用需求的前提下應盡量選擇較小尺寸。最終設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行加固，以提高整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用SolidWorks軟件進行三維建模，建模完成后的扦樣機整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 桁架式扦樣機整體結(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，故對于扦樣機這種在開放環(huán)境中作業(yè)的設備而言，選用齒輪齒條傳動方式為最佳選擇。扦樣機主要傳動系統(tǒng)三維示意圖見圖3。

圖3 扦樣機主要傳動系統(tǒng)三維示意圖

如圖3(a)所示，為保證扦樣機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

扦樣機的整體桁架結(jié)構(gòu)高達5 000 mm，當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，設計了扦樣機穩(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，在傾覆臨界點可與工字型軌道的上沿形成鎖緊急停，保證扦樣機整體桁架只能沿地面導軌行進作業(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加強筋，如圖4(b)所示。

圖4 扦樣機穩(wěn)定性設計三維示意圖

2 工作過程

扦樣機在空間中有3個直線運動軸，分別為沿X軸直線移動的整體機架和移動橫梁、沿Y軸直線運動的扦樣小車，以及通過機構(gòu)夾緊力沿Z軸直線運動的扦樣桿。應用PLC系統(tǒng)，控制扦樣機各部件在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)。

雙桿桁架式扦樣機具體工作流程如下：運糧車到達指定扦樣區(qū)域并做好扦樣準備后，桁架式扦樣機啟動。移動橫梁與兩根滑軌梁采用導軌滑塊進行連接，并由電機驅(qū)動，保證其通過齒輪齒條機構(gòu)進行傳動，在沿X軸方向運動的同時限制其Y軸自由度。同時，伺服電機驅(qū)動車輪帶動扦樣小車沿Y軸方向運動，將扦樣桿送至預設扦樣點上方，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移動橫梁的運動范圍，則桁架底輪沿地面軌道帶動扦樣機移動到下一扦樣區(qū)域繼續(xù)扦樣。

3 仿真與分析

對桁架式扦樣機進行三維建模之后，得到的是一個由1 059個零件構(gòu)成的復雜裝配體。如果直接對整個裝配體進行網(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)計算分析的負擔，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)境單獨對各典型工位簡化模型進行有限元分析。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的有限元分析

對典型工位1(圖6)進行有限元分析，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，桁架式扦樣機處于典型工位1時應力多在2.656×106N/m2以下，最大應力出現(xiàn)在移動橫梁上集中載荷處，此處最大應力為1.328×107N/m2，遠小于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，扦樣機處于典型工位1時桁架整體結(jié)構(gòu)符合強度和剛度要求。

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，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，扦樣機處于典型工位2時大部分位置應力在2.900×106N/m2以下，最大應力出現(xiàn)在支撐扦樣小車滑軌梁中間處，此處最大應力為9.663×106N/m2，遠小于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，扦樣機處于典型工位2時桁架整體結(jié)構(gòu)符合強度和剛度要求。

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，設計了一種雙桿可移動桁架式糧食扦樣機。該扦樣機代替了手工扦樣機和傳統(tǒng)固定式扦樣機，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，以及傳統(tǒng)固定式扦樣機在工作過程中出現(xiàn)大片盲區(qū)等問題。