粉塵采樣器自動換膜裝置的設計與仿真

李任江，黃留山

LI Ren-jiang, HUANG Liu-shan

（長春工業大學 機電工程學院，長春 130012）

0 引言

在日常生產中，粉塵含量較高的場所主要有電廠和煤礦。粉塵不僅對安全生產造成危險，也嚴重影響了工人的健康安全，因此需要使用粉塵采樣器時時準確的監測空氣中粉塵濃度的含量。

普通的粉塵采樣器的濾膜需要人工手動來更換和稱重，在這個過程中由于人為因素的影響會造成濾膜上粉塵的丟失，從而影響計算結果的準確性。本文設計了一套自動換膜裝置，實現了濾膜更換的無人化，使粉塵采樣器能在單片機的控制下進行采樣和換膜，使得計算結果更加精確也使粉塵采樣器能在無人的情況進行實時的監測。

1 粉塵采樣器的工作原理

粉塵采樣器主要由采樣頭、抽氣泵、流量傳感器、單片機、顯示器、控制鍵盤、電源等構成。工作時在單片機控制下，自動換膜裝置將濾膜組件送到工作位置，此時抽氣泵開始工作，按事先設定采樣時間、流量、采樣個數等參數并按恒定流量采樣。采樣完畢后，又自動將已采樣的濾膜送出稱重，同時將新的濾膜組件送到工作位置開始重新采樣。

2 自動換膜裝置

本文的自動換膜機構包括濾膜組件的下料機構、傳送及送料機構、夾緊機構及彈出機構。

2.1 濾膜組件的下料機構

下料機構(如圖1所示)由濾膜筒、轉盤組成。轉盤表面有2個成直線排布的凹槽，每個凹槽的寬度能容納一個濾膜組件。工作前在濾膜筒中放入5個濾膜組件，濾膜筒的下端與轉盤的上表面相互接觸。工作時，電機帶動轉盤轉動，濾膜筒中的濾膜組件依次落入轉盤中的凹槽中，并由傳送帶將濾膜組件送至工作導軌中，完成濾膜組件的依次下料。

圖1 粉塵采樣器的濾膜下料機構

2.2 濾膜的傳送及送料機構

傳送及送料機構由傳送帶、工作導軌、曲柄滑塊機構組成。工作時，曲柄滑塊機構將工作導軌上的濾膜組件送至粉塵采樣器的采樣工位上，此時滑塊位于最大行程的2/3處。這時曲柄滑塊機構停止運動，由夾緊機構對濾膜組件進行夾緊，開始采樣。采樣結束后，曲柄滑塊機構開始工作，滑塊運動至最大工作行程處將濾膜組件推出，進行濾膜的稱重，完成一個周期的采樣工作。

2.3 濾膜組件的夾緊及彈出機構

夾緊及彈出機構分別由凸輪機構和彈簧機構構成。工作時濾膜組件與粉塵采樣器中的采樣頭接口進行配合。采樣前凸輪機構向下移動將濾膜組件下壓與接口形成密封配合，此時的配合位置位于工作導軌下8mm處。由于在采樣頭接口內安裝了彈簧，因此濾膜組件與接口的配合形成了浮動式配合，此時由于凸輪機構的壓力作用，采樣器接口內的彈簧處于壓縮狀態。采樣結束后，凸輪機構向上移動，這時濾膜組件在彈簧的作用下向上運動8mm，重新回到導軌平面，由送料機構將濾膜組件送出，完成采樣。自動換膜裝置的夾緊機構如圖2所示。

3 ADAMS仿真

3.1 濾膜送料機構計算及仿真

自動換膜裝置的送料機構由曲柄滑塊機構組成。設曲柄長度為l1，連桿長度為l2，則由公式：

圖2 濾膜組件的送料及夾緊機構

滑塊行程h 由以下公式計算：

式 中，a=l2/l1。若偏距e=0，則θ=0,K=1,h=2l1；若e≠0，則θ＞0,K＞1,h略大于2l1。

最大壓力角 αmax發生在曲柄銷A離滑塊3的導路最遠的位置，按此有：

式中：

因為曲柄滑塊中包含了移動副，所以曲柄滑塊的需用壓力角[α]應比曲柄搖桿機構的要小。通常取[α]為40o左右。

本裝置中滑塊行程h=105mm，給定行程速度變化系數K=1.15，需用壓力角[α ]=40°，代入上式得：

得出θ=12.558°。

取傳動角γmin=60°，γmin是表征機構傳力性能的重要指標，其值越大越好。最小的傳動角發生在曲柄與導路垂直的2個可能位置上，一般取γmin≥35°-45°。

初始參數為：滑塊行程h=105mm，行程速比系數K=1.15，極位夾角θ=12.558°，最小傳動角γmin=60°。

則得：曲柄 l1=50.386mm，連桿l2=143.959mm，偏距e=21.594mm。

在ADAMS中建立的模型如圖3所示。

圖3 曲柄滑塊機構模型及約束

單擊主工具箱上的仿真按鈕，分別輸入驅動函數為60d*time；120d*time；360d*time，進行仿真。仿真的結果如圖4所示。

圖4 驅動為360d*time支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力圖

圖5 驅動為360d*time連桿與滑塊移動副受力圖、位移圖、速度圖及加速度圖

圖6 驅動為120d*time支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力圖

圖7 驅動為120d*time連桿與滑塊移動副受力圖、位移圖、速度圖及加速度圖

圖8 驅動為60d*time支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力圖

圖9 驅動為60d*time連桿與滑塊移動副受力圖、位移圖、速度圖及加速度圖

從圖8可以看出，支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力均勻，支架與曲柄處的受力在0.3823N至0.3858N之間變化，近乎于恒力；其余兩處的受力在0.208N至0.21N之間變化，也近乎于恒力。在時間為10s、步長為200的仿真中未出現受力突變的情況，完成一個周期動作的時間大約為2s。

從圖可以看出，滑塊的受力、速度和加速度沒有突變的情況，滑塊的速度和加速度的變化范圍不大，滑塊的位移運動比較流暢。滑塊的位移為105mm，符合設計之初的值。其中推程為70mm，回程為35mm。

通過以上的仿真結果，可以看出選擇驅動函數為60d*time時，曲柄滑塊機構的機構受力均勻，運動平緩，符合設計的要求。

3.2 濾膜夾緊機構計算及仿真

自動換膜裝置的夾緊機構由凸輪機構組成。根據本文高速輕載的工作情況，選擇凸輪的形狀為對心直動滾子推桿盤狀凸輪。對推桿的要求為：行程h=40mm，推程運動角為，遠休止角δ2=60°，回程運動角δ3=90°，近休止角為δ4=90°，選擇推桿的推程運動規律選擇余弦運動規律、回程運動規律為正弦加速度運動規律。利用ADAMS中的凸輪函數的升程表來生成凸輪的輪廓曲線。在Function Builder中的Define a runtime Function欄中輸入如下語句:“IF(time-4/12:20*(1-cos(1.5*360d*time)),40,IF(time-6/12:40,40,I F(time-10/12:40*(2.75-3*time+1/(2*pi)*sin(3*2*pi*time-3.5*pi)),0,IF(time-2:0，0，0))))”，則在ADAMS中建立的凸輪模型如圖10所示，添加的約束如表2所示。

圖10 凸輪機構的模型及約束

表2 凸輪機構添加的約束

單擊主工具箱中的仿真按鈕，進行一次時間為3s，步長為300的仿真。仿真的結果如圖11所示。

圖11 滾子從動件的位移、速度圖及凸輪受力圖

從上圖可以看出滾子從動件的位移在0～40mm之間進行變化，變化的曲線滿足升程和回程為余弦和正弦加速度規律。滾子從動件的速度和凸輪受力圖總體上變化均勻，沒有大的突變，說明凸輪機構的運動總體上滿足了設計的要求。

4 自動控制

粉塵采樣器采用MSP430 16位單片機進行控制。MP430單片機具有超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術、系統工作穩定、方便高效的開發環境等優點。粉塵采樣器的自動換膜裝置共采用4個電機，分別為轉盤電機1、傳送帶電機2、曲柄滑塊電機3、凸輪機構電機4。采用1-5個工位實現自動換膜，分別為：工位1——轉盤轉動，濾膜組件自動下料；工位2——傳送帶轉動，將濾膜組件運送至導軌；工位3——曲柄滑塊將濾膜組件推入工作位置；工位4——凸輪機構運動，將濾膜組件壓緊；工位5——曲柄滑塊機構將完成采樣的濾膜組件推出。工作順序圖如圖12所示。

圖12 自動換膜裝置工作順序圖

5 結束語

通過仿真結果可以看出，本文設計的自動換膜裝置運行平穩可靠，與設計較符合。通過該裝置可以實現粉塵采樣器采樣的自動化和準確性，有效解決了粉塵采樣器工作時存在的手動換膜所帶來的測量不準、不能在無人情況實時監測等問題。

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