一種甘蔗捆綁機的設(shè)計與可靠性研究

范 雨，蔡敢為

（廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

我國的甘蔗產(chǎn)量雖居于世界第三位[1]，但是事實上我國僅是甘蔗產(chǎn)量大國，并非強國，其中重要的原因之一就是我國甘蔗產(chǎn)業(yè)的機械化的發(fā)展受到了阻礙[2]。甘蔗的捆綁包裝是收獲過程中的重要環(huán)節(jié)，而現(xiàn)有的針對甘蔗的捆綁包裝機械還是比較稀少而甘蔗尺寸和重量都較一般農(nóng)產(chǎn)品大，上下料困難[3]。基于以上分析，甘蔗捆綁機處于產(chǎn)品進化過程S曲線[1]的技術(shù)改進階段的前期，將有很大的改進空間。本文首先介紹了這種甘蔗捆綁機的初步設(shè)計及工作原理，然后針對主要的零部件進行可靠性分析。

1 甘蔗捆綁機的設(shè)計原理

1.1 甘蔗捆綁機的設(shè)計思路

在對甘蔗進行捆綁包裝之前，首先要對甘蔗進行裝載，考慮到甘蔗的生產(chǎn)的收獲階段主要是利用甘蔗收獲機完成的，那么，采取直接將甘蔗收獲機或甘蔗裝載機將收獲完成的甘蔗裝載到所設(shè)計的甘蔗捆綁機的方案，而不是用人力或借助于其他機械設(shè)備對甘蔗進行裝載，所采取的這種方案將會大大提高工作效率；裝載完成后要對甘蔗進行捆綁包裝，這部分也是本文所要設(shè)計的主要部分；包裝完成后要對已經(jīng)捆綁好的甘蔗進行卸載，為了方便，節(jié)省人力，仍然采用利用甘蔗自重作用，采用底卸式[5]方案，直接卸載到拖運小車的車廂內(nèi)，由拖運小車運走并進入下一個工作環(huán)節(jié)。為了制糖方便，綠色無污染，捆綁機所采用的繩子為麻繩[2]。設(shè)計的甘蔗捆綁機如圖1所示。

圖1 甘蔗捆綁機完整裝配圖

1.2 甘蔗捆綁機機架及料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計思路，機架和料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計最好是能夠讓甘蔗“自適應(yīng)”地、整齊地進入料斗。料斗的開合由可控的液壓缸驅(qū)動的，實現(xiàn)甘蔗的裝載與卸載，平穩(wěn)可靠，也適應(yīng)甘蔗地的工作現(xiàn)場。

1.3 甘蔗捆綁機的捆綁機構(gòu)的設(shè)計

甘蔗裝載的下一道工序就是要對甘蔗進行打捆包裝。實際上，在甘蔗裝載之前，要把繩子攤開，待甘蔗裝載后，還要把繩子兩端合攏，進一步完成打結(jié)操作；打結(jié)完成之后，要對繩子進行割斷操作。因此，為了完成上述任務(wù)，分別需要設(shè)計送繩機構(gòu)、打結(jié)機構(gòu)和剪繩機構(gòu)。

為了完成繩子的“遞交”任務(wù)，設(shè)計了如圖2(a)所示的送繩鉗。傳動軸與可動鉗塊之間通過旋向相反的螺紋相連，實現(xiàn)鉗塊的加緊與松開。送繩鉗整體安裝在主托板上。為了完成繩子的“接受”任務(wù)，設(shè)計繩夾機構(gòu)，如圖2(b)所示。繩夾兩側(cè)通過壓緊彈簧壓緊。送繩鉗夾持著繩子向前運動，便將繩子“擠入”繩夾中。與此同時，分別位于兩個托板下邊的繩槽將繩子聚攏。于是，上有繩夾固定的雙根繩子與下邊的繩槽聚攏的雙根繩子合疊在一起，形成貫穿上下的拉直狀態(tài)，為下一步的打結(jié)做好準(zhǔn)備。繩夾機構(gòu)整體安裝在副托板上。繩夾機構(gòu)的設(shè)計簡便易行，巧妙地減少了動力源個數(shù)。

圖2 送繩鉗與繩夾機構(gòu)

根據(jù)人單手對繩子進行打結(jié)的姿勢和動作原理，類比設(shè)計了打結(jié)機構(gòu)，如圖3所示。鉗頭的設(shè)計即是模擬人單手對繩子打結(jié)過程中所使用的食指和拇指，對繩子的咬緊與放開通過凸輪及拉緊彈簧的配合加以實現(xiàn)。

圖3 打結(jié)機構(gòu)

對繩子打完結(jié)后，要對繩子進行剪斷處理。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，設(shè)計了如圖4所示的剪斷機構(gòu)。由主動輪、矩形滑塊以及回字形推桿組成的正弦機構(gòu)[3]實現(xiàn)剪刀的剪繩操作。

圖4 剪繩機構(gòu)

如圖5所示是甘蔗捆綁機的主要機構(gòu)的裝配圖。

圖5 主要機構(gòu)裝配圖

2 繩鉗的可靠性研究

2.1 最大應(yīng)力截面的確定

首先，確定繩鉗的最大應(yīng)力截面，及危險截面。上鉗額在工作過程中，勾住繩子拉住繩子時是其工作周期中承受拉力最大的環(huán)節(jié)。實際上，繩子勾住的位置為下鉗顎的根部，這時鉗口是緊閉的，那么壓力就會均勻分布在上鉗顎的齒面上。

甘蔗的密度為1067kg/m3[8]，按照甘蔗的平均長度2m，直徑為0.04m，每捆甘蔗20根作為本機的設(shè)計要求。拉住繩子打結(jié)過程中，繩子與豎直方向的夾角為20°計算。為了保險起見，繩鉗的拉力至少為：

夾嘴面積為217mm2。初步計算鉗口上的均布載荷為0.8986Mpa。繩鉗的材料采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215A，屈服強度為205Mpa，抗拉強度為335Mpa～450Mpa，彈性模量為2×105Mpa，剪切模量76923Mpa，泊松比為0.3[9]。

由于打結(jié)機構(gòu)速度較低，故通過有限元分析軟件Workbench采用靜力學(xué)分析確定危險截面的位置。如圖6所示。

圖6 Workbench應(yīng)力分析

由圖6可以看出危險截面位于上鉗顎與側(cè)幫相接的截面位置。

2.2 應(yīng)力的求解

根據(jù)圖7所示的形狀尺寸，進行受力分析，如圖所示。

圖7 上鉗顎的形狀與尺寸

若繩子對繩鉗的拉力為F，則均布應(yīng)力為：

那么危險截面的最大正應(yīng)力為：

結(jié)合第四強度理論[4]：σ-τ的復(fù)合應(yīng)力表達式為[11]：

應(yīng)力集中系數(shù)Kα與組合應(yīng)力集中系數(shù)Kαc實際計算不會相差很大，故一般就用應(yīng)力集中系數(shù)計算即可[12]。

2.3 基于Monte Carlo[13]方法確定應(yīng)力分布

由于甘蔗的直徑和長度是隨機的故導(dǎo)致拉力F也是隨機的。一般而言，甘蔗的半徑和長度均服從正態(tài)分布，其他形狀尺寸均服從正態(tài)分布。則有：

Monte Carlo模擬方法的步驟為：

然后，對每一個隨機變量Xi(i=1,2,…,7)在(0,1)上生成N個隨機數(shù)pij(j=1,…,N)，作為隨機變量各自的概率分布函數(shù)Fi(Xij)的值；

3) 計算應(yīng)力。將每一次模擬得到的隨機數(shù)值代入式(1)中，進行求解；

σmaxj=g(X1j,X2j, … ,X7j) （j=1,…,N）。然后求解應(yīng)力樣本函數(shù)隨機值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；

4）通過MATLAB做出應(yīng)力函數(shù)隨機值的頻數(shù)分布直方圖（如圖8所示），并擬合其分布。

圖8 頻數(shù)分布直方圖

對于分布的Monte Carlo模擬方法的求解，存在著求解精度與抽樣次數(shù)之間的矛盾[15]。圖8是在選擇的抽樣次數(shù)為100000次的情況下求得的結(jié)果。并得到的樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差為：。

通過觀察，與伽瑪分布比較接近。并利用MATLAB的dfittool擬合工具箱采用gamma在可信度為99%時進行擬合。擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 伽瑪分布擬合

2.4 可靠度的計算

根據(jù)經(jīng)驗資料初步判斷其強度的分布為正態(tài)分布：

首先采用數(shù)值積分法求解失效率。具體方法是，首先在統(tǒng)計范圍內(nèi)將橫軸x進行n等分，圖10為二者概率密度函數(shù)圖像。于是有：

圖10 概率密度函數(shù)圖像

由此可見，該繩鉗的上鉗顎設(shè)計具有足夠的可靠度，完全滿足要求。

3 結(jié)束語

本文首先分析了甘蔗收獲過程中的一些特點，結(jié)合實際工作情況，然后根據(jù)要完成的工作任務(wù)和待解決的矛盾逐一確定基本設(shè)計思路，進而完成一種甘蔗捆綁機的設(shè)計。其突出優(yōu)點在于：收獲甘蔗的同時，依靠已經(jīng)收獲好的甘蔗自身重力落入料斗內(nèi)，完成捆綁工作后，利用甘蔗自身的重力采用底卸式進行卸料裝載；打結(jié)機構(gòu)設(shè)計與布置結(jié)構(gòu)緊湊；本捆綁機所采用的繩子的材料采用麻繩，因為麻繩的主要成份是纖維素，綠色無毒制糖過程中無需解下分離。然后，對其關(guān)鍵的零部件繩鉗的上鉗顎進行了可靠性分析，分析結(jié)果顯示：繩鉗的設(shè)計完全滿足可靠性設(shè)計要求。但是后續(xù)工作還需對其他關(guān)鍵的零部件進行可靠性分析，進而綜合得到系統(tǒng)的可靠性，然后通過調(diào)整設(shè)計所要研究的各個隨機變量來實現(xiàn)總體可靠度的要求。

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