李曉光

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系, 安徽 合肥 230011)

本設(shè)計(jì)為手提式煙草剪葉機(jī),主要包括伸縮機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、消毒機(jī)構(gòu)、煙草收集箱等部分。以小齒輪齒數(shù)、模數(shù)為變量,利用體積最小和重合度最大為工作要求,建立目標(biāo)函數(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)剪葉機(jī)而言,該剪葉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、單人即可完成、更換鋰電池可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作,達(dá)到人停機(jī)不停;廢料收集裝置可避免剪葉過程中煙草病毒的大面積傳染,對(duì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)低污染排放。

1 工作原理

手提式煙草剪葉機(jī)由伸縮機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、消毒機(jī)構(gòu)、煙草收集箱等部分組成,如圖1所示。伸縮機(jī)構(gòu)為可伸縮的空心連桿;主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為軸交角60°的錐齒輪機(jī)構(gòu);切割器后方裝有廢料收集裝置,方便收集工作過程產(chǎn)生的廢料;調(diào)節(jié)消毒裝置的開關(guān)角度可實(shí)現(xiàn)噴灑消毒液,避免大面積的病毒、細(xì)菌和真菌感染。

1—電動(dòng)機(jī),2—消毒液箱,3—消毒液管,4—背帶,5—控制握把,6—空心連桿,7—軸承,8—低速軸,9—軸承,10—切割刀片,11—大錐齒輪,12—小錐齒輪,13—廢料罩,14—聯(lián)軸器,15—廢料框,16—消毒液開關(guān),17—電機(jī)座

通過吊掛在操作者肩上的背帶高度調(diào)節(jié)剪葉機(jī)的工作高度,控制握把調(diào)整工作角度,如圖2所示。所設(shè)計(jì)手提式煙草剪葉機(jī)采用24～48 V直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。工作時(shí)將電池裝進(jìn)電池盒,電機(jī)驅(qū)動(dòng)可伸縮的空心連桿轉(zhuǎn)動(dòng),小錐齒輪帶動(dòng)與其軸交角為60°的大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng);盤形切割葉片能實(shí)現(xiàn)一定角度和長(zhǎng)度范圍的葉片切割。為了將葉片收集于剪葉箱中,自帶消毒液接口可在剪葉同時(shí)對(duì)樹苗消毒,實(shí)現(xiàn)剪葉和消毒一體化。

2 設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)變量

手提式剪葉機(jī)的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為錐齒輪機(jī)構(gòu),常規(guī)設(shè)計(jì)是按齒面接觸疲勞強(qiáng)度得出小齒輪分度圓直徑,再校核其齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程是在保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度等約束條件下,使得煙草剪葉機(jī)的體積小、質(zhì)量輕和傳力更穩(wěn)定,設(shè)計(jì)變量通常是大端模數(shù)m、小齒輪齒數(shù)z1,齒寬系數(shù)ΦR[9-10]。

大端模數(shù)m:直齒錐齒輪的大端和小端的幾何參數(shù)與模數(shù)不同,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值,即大端模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。m=[0.1,0.12,0.15,...,45,50],單位為mm。

小齒輪齒數(shù)z1:轉(zhuǎn)速較高時(shí)為增加重合度、提高重傳動(dòng)的平穩(wěn)性、減少?zèng)_擊,應(yīng)適當(dāng)增大齒數(shù),小齒輪的齒數(shù)可選為13～30。

齒寬系數(shù)ΦR:保證齒輪接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,增加齒寬系數(shù),齒輪的軸向尺寸增大,承載能力提高。但載荷沿接觸線分布不均勻性增加,齒寬系數(shù)范圍為0.25～0.35,取為0.3。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有67.4%的學(xué)生贊同和認(rèn)可學(xué)院的“三師”工作；有36.3%的學(xué)生認(rèn)為思政課老師認(rèn)真組織、參與了學(xué)生的活動(dòng)或者與學(xué)生進(jìn)行了談心談話；有86.7%的學(xué)生愿意通過各種方式與思政課老師進(jìn)行交流，以解除他們?cè)趯W(xué)習(xí)生活和工作上的困惑。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 錐齒輪的體積和

在設(shè)計(jì)錐齒傳動(dòng)齒輪中,當(dāng)滿足強(qiáng)度條件時(shí),為了使機(jī)械更緊湊、節(jié)省材料、成本更低,應(yīng)以小錐齒輪和大錐齒輪的小端分度圓與大端分度圓組成的圓臺(tái)體積之和最小[9,11]。求得

(1)

2.2.2 重合度

重合度表示同時(shí)參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù),為保證錐齒輪傳動(dòng)的連續(xù)性,提高齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性和承載能力,有必要提高齒輪的重合度εα[11]。

(2)

式中:αa1、αa2分別為小錐齒輪和大錐齒輪的齒頂處壓力角;zv1、zv2分別為小錐齒輪和大錐齒輪的當(dāng)量齒數(shù)。

2.2.3 多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)F(V,εα)

根據(jù)錐齒輪傳動(dòng)的體積和V、重合度εα通過公式(3)可求得多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)F(V,εα),

F(V,εα)=x1×V+x2×εα,

(3)

式中:x1為錐齒輪傳動(dòng)的體積和的權(quán)重系數(shù);x2為重合度的權(quán)重系數(shù)。體積和重合度數(shù)量級(jí)不同,因此迭代過程中體積和重合度都除以最大值。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,為兼顧錐齒輪傳動(dòng)的體積、重合度的重要性,相對(duì)重要參數(shù)的權(quán)數(shù)取大一點(diǎn),滿足權(quán)數(shù)之和為1。

2.3 約束條件

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度可由式(4)求得

(4)

式中:KF為齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的載荷系數(shù);T1為小錐齒輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;YFa為齒形系數(shù);Ysa為應(yīng)力修正系數(shù);[σF]為許用彎曲應(yīng)力。

齒面接觸疲勞強(qiáng)度可由式(5)求得

(5)

式中:KH為齒面接觸疲勞強(qiáng)度的載荷系數(shù);ZH為區(qū)域系數(shù);ZE為彈性影響系數(shù);Zε為重合度系數(shù),錐齒輪的精度一般較低,通常重合度系數(shù)為1;[σH]為許用接觸應(yīng)力。

為保證錐齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度足夠,模數(shù)m不能太小,通常為1.5 mm ≤m≤10 mm。齒寬太小無法承載,太大軸線方向載荷分布不均勻,因此,通常為20 mm≤b≤60 mm。

3 基于MATLAB的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

主傳動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:設(shè)計(jì)一對(duì)軸交角θ為60°的閉式錐齒傳動(dòng),主動(dòng)小錐齒輪傳遞功率為0.4 kW,轉(zhuǎn)速為1 400 r/min,齒數(shù)比為3.2。載荷有一定波動(dòng),大、小錐齒輪均為懸臂布置,小齒輪為調(diào)質(zhì)處理的40Cr、大齒輪為調(diào)質(zhì)的45鋼,壽命10年。

3.1 體積特性分析

不同錐齒輪模數(shù)和齒數(shù)的體積特性如圖3所示,體積的變化范圍為0～3.896 7 dm3。設(shè)計(jì)中采用閉式軟齒面錐齒輪傳動(dòng),主要失效形式為齒面接觸疲勞強(qiáng)度,不易發(fā)生齒根彎曲疲勞破壞。而齒面接觸疲勞破壞的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為小錐齒輪分度圓直徑,因此模數(shù)m和齒數(shù)z1較大時(shí),分度圓直徑增大,不發(fā)生齒面接觸疲勞失效。但模數(shù)m和齒數(shù)z1較大時(shí),齒寬b較大,載荷沿齒寬方向分布不均勻,也不滿足條件。而在所選模數(shù)m的邊界條件范圍可滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí),只考慮錐齒輪傳動(dòng)的體積因素,可得出滿足約束條件的最小體積為Vmin=0.102 6 dm3。

圖3 錐齒輪的體積特性

3.2 重合度特性

模數(shù)和齒數(shù)不同的錐齒輪重合度和穩(wěn)定性特性如圖4所示,重合度的變化范圍1.620 2～1.762 4,穩(wěn)定性系數(shù)的變化范圍為0.567 4～0.617 2。齒數(shù)越大重合度越大、穩(wěn)定性系數(shù)越小,而模數(shù)對(duì)重合度和穩(wěn)定性系數(shù)無影響,只考慮錐齒輪傳動(dòng)的重合度和穩(wěn)定性因素,可得出滿足約束條件的最大重合度εαmax為1.76,即最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.567 4。

(a) 重合度

3.3 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

綜合考慮體積和重合度影響的不同錐齒輪模數(shù)和齒數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)特性如圖5所示。當(dāng)模數(shù)增大時(shí),此時(shí)重合度不變,體積為影響優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的主要因素。當(dāng)齒數(shù)增大時(shí),重合度增大而穩(wěn)定性系數(shù)減小,體積也增大,此時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)增幅較小,重合度也會(huì)影響目標(biāo)函數(shù),但體積因素仍是主要因素。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)結(jié)果比較

圖5 錐齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

表1中任意參數(shù)x優(yōu)化幅度為w,

(6)

由表1可知,對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇齒數(shù),因此齒輪齒數(shù)較小,而優(yōu)化設(shè)計(jì)后體積減少34.88%,結(jié)構(gòu)明顯緊湊;重合度提高4.10%,傳動(dòng)穩(wěn)定提高,優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果明顯。

4 有限元分析

利用三維建模軟件SolidWorks建立主運(yùn)動(dòng)錐齒輪機(jī)構(gòu)模型,并將模型導(dǎo)入ANSYS中,所選材料均為碳鋼,如圖6所示。由圖6(a)可知,采用Tetrahedrons法劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為80 142,單元數(shù)為50 379,質(zhì)量為0.76,網(wǎng)格質(zhì)量良好。添加摩擦約束,摩擦因子設(shè)置為0.15。添加載荷包括主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速146.61 rad/s,從動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)矩為2.73×103N·mm。由圖6(b)可知,在給定工況下,應(yīng)力主要分布在錐齒輪嚙合處,最大等效應(yīng)力為98.438 MPa,該零件允許用應(yīng)力為400 MPa,即最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力值,表明設(shè)計(jì)模型強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 有限元分析

5 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、單人即可完成的手提式煙草剪葉機(jī),以小齒輪齒數(shù)、模數(shù)為自變量,在滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和邊界條件下,利用體積最小、重合度最大即穩(wěn)定性系數(shù)最小的工作要求,建立傳動(dòng)錐齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇齒數(shù),因此齒數(shù)較小,而優(yōu)化設(shè)計(jì)后體積減少34.88%,尺寸明顯緊湊;重合度提高4.10%,傳動(dòng)穩(wěn)定性和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果明顯。