凸輪式填料裝置排料器的結構優化與運動仿真

姜迎春，王君玲，田佳玄，張祖立

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽　110866)

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凸輪式填料裝置排料器的結構優化與運動仿真

姜迎春，王君玲，田佳玄，張祖立

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽110866)

摘要：在凸輪式填料裝置的設計中，排料器滑板結構的厚度影響其應力。為此，對滑板結構進行了靜力分析，并將最小安全系數與許用安全系數進行對比，在滿足設計要求條件下對滑板結構的厚度進行優化，從而減輕排料器質量以節省材料。通過對滑板結構厚度優化后的排料器滾子質心的運動仿真可得到：滾子質心的運動軌跡與理論設計的凸輪輪廓線一致；滾子位移曲線所得到的滑板伸出滾筒長度的最大值與設計一致；滾子徑向運動速度和加速度曲線規律符合設計要求。

關鍵詞：填料裝置；凸輪式；滑板結構；運動仿真

0引言

隨著溫室種植技術的迅速發展，穴盤育苗方式被廣泛應用于各種農作物及花卉的培育。它是20世紀70年代中期歐美國家率先發展起來的一種適合工廠化種苗生產的育苗方式，80年代中期引入我國[1]。穴盤育苗主要包括種子處理、基質生產、基質填料、壓穴、播種、覆料及淋水等工序[2-3]。為了提高穴盤育苗的技術水平，對鋪底土及覆表土的技術要求也就越來越高，因此保證排土均勻度及填料厚度已經成為了衡量穴盤育苗質量指標之一，穴盤基質填料工序將直接影響投種位置準確性和育苗質量。基質填料裝置可使基質均勻地填充于穴盤中的各個穴室內，可以提高工序質量和生產效率[4]。基質填料裝置的研究可促進蔬菜產業機械化的實現[4-5]。

本文針對凸輪式填料裝置[2,7]，采用有限元分析軟件對排料器上滑板結構建立了三維模型，對其進行靜力分析，得到節點應力、位移圖；通過計算給出最小安全系數，并與許用安全系數進行對比，從而對滑板結構的厚度進行優化。對優化后的排料器滾子質心進行運動仿真，得到滾子質心的運動軌跡，將其與理論設計的凸輪輪廓進行對比；通過分析滾子的位移曲線可得到滑板伸出滾筒長度的最大值，并與設計進行對比；對滾子徑向運動速度曲線進行分析。

1凸輪式填料裝置

1.1　填料裝置整機結構

凸輪式填料裝置主要由皮帶輸送機構、料箱、機架、鏈傳動機構、排料器、調速電機及接近開關等組成，如圖1所示[2,7]。其中，排料器主要由填料滾筒、固定凸輪、滑板、支撐輪、主軸及滾子等組成，如圖2所示[7]。

1.皮帶輸送機構　2.穴盤　3.支撐板　4.主軸　5.滑板

1.2　工作原理

凸輪式填料裝置的工作原理[2,7]：調速電機的動力經鏈傳動傳遞給滾筒軸，帶動滾筒旋轉；在滾筒旋轉的過程中，因凸輪槽的限位作用，滾子帶動滑板只能在滾筒與支撐輪所組成的滑道內上下運動；當滑板旋轉到遠休止區時，伸出滾筒長度是最大的，滑板之間形成的槽可將料箱中基質帶出來；當滑板進入回程區直至運動到近休止區時，滑板能完全地縮回到滾筒，基質滑過導料板均勻地落入到穴盤中，完成整個填料過程。

1.支撐板　2.滑板　3.滾筒　4.支撐輪　5.主軸　6.滾子

2滑板的靜力分析

填料裝置是在低速條件下進行的，滑板在工作過程中受到的沖擊力不是很大。通過滑板的靜力分析，在滿足設計要求的條件下對滑板的厚度進行優化，以減輕排料器質量以節省材料。

2.1　基質的受力分析

在取料階段中，兩滑板之間的基質設為基質1。由于兩滑板之間基質的質量遠遠小于料箱中基質的質量，因此兩滑板之間的基質可看作為一個質點且質量可忽略不計，其受力如圖3(a)所示。料箱填滿時的基質設為基質2，基質總重為178.4N，受力如圖3(b)所示。

(a)　基質1的受力圖　　　　 (b)　基質2的受力圖

圖3(a)中:F為滑板對基質1的推力；Fs為基質1與其它基質的摩擦力；N1為基質2對基質1的壓力；N為滾筒作用在基質1上的支持力。

由圖3(a)中的受力關系可知

F=Fs=μN1

(1)

其中，μ為基質內摩擦因數，可由實驗測得為μ=0.7。

由圖3(b)可列平衡方程式為

(2)

(3)

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2.2　滑板模型的建立與網格劃分

滑板模型較為規則，文中采用映射網格進行劃分。滑板中的孔區域可能發生應力集中，因而網格設置較密集；滑板面的應力變化較為平緩，因而網格設置較稀疏。網格劃分的結果如圖4所示。

圖4　滑板的網格劃分

2.3　滑板的約束及載荷

1)面約束：根據填料裝置中滑板與其它部件之間的約束關系，可知滑板與滾子連接孔處為面約束。

2)面載荷：由式(1)計算可知，在取料階段，滑板受到基質的阻力為95.6N；計算出面載荷，將其施加到伸出滾筒長17mm并且與基質接觸的那個面上。

3)線載荷：滑板在運動過程中，料箱與兩個滑板槽之間的基質會產生剪切力，經過試驗可測得剪切力為100N，作用在滑板的最上端，故施加線載荷。

2.4　滑板的靜力分析

對滑板進行求解與運算，滑板的節點位移如圖5所示。由圖5可知：深色部分變形量是最大的，是滑板在整個滑板伸出滾筒部分的上端位置，其最大位移為0.07mm，可見其最大變形量是極其微小的。

滑板的Von Mises節點應力如圖6所示。由圖6可知：在載荷作用下，滑板應力在0~50.067MPa之間，深色部位是應力值最大的部位，其值為50.067MPa，越接近深藍色部位應力值越小。計算結果如表1所示。

圖5　節點位移圖

圖6　Von Mises節點應力圖

載荷條件/N最大位移u/mm最小等效應力σmin/MPa最大等效應力σmax/MPa1000.07050.067

滑板的最小安全系數計算公式為

(4)

其中，S為安全系數；σs為材料的屈服極限(MPa)；σmax為最大等效應力(MPa)。

滑板的材料是45鋼，其屈服強度為σs=355MPa。由式(4)可得滑板的最小安全系數S為7.09。

一般情況下，許用安全系數[S]=2~3。滑板的安全系數S遠大于許用值，因而可以將滑板的厚度進行優化，從而節省材料。

2.5　優化后滑板的靜力分析

通過改變滑板的厚度對其進行優化。將厚度由原來的3mm[2]改為2mm。對于優化后的滑板，其約束和載荷與優化前是相同的。優化后的節點位移和應力圖分別如圖7和8所示，計算結果如表2所示。由式(4)可得優化后的最小安全系數S為3.06。

圖7　優化后的節點位移圖

圖8　優化后的節點應力圖

載荷條件/N最大位移u/mm最小等效應力σmin/MPa最大等效應力σmax/MPa1000.260115.706

由于填料裝置是在低速條件下運行的，因而滑板在工作過程中受到的沖擊力不是很大，優化后的安全系數雖不是特別高，但也能夠滿足工作要求，且可減輕排料器質量。

3排料器滾子的運動仿真分析

填料裝置的排料器上均勻分布12個滑板，各滑板運動規律完全相同，可通過其中一個滑板的仿真分析來判斷機構是否滿足設計要求。而滾子帶動著滑板一起運動，因此分析滾子的運動即可。

判斷滑板及滾子的運動情況是否滿足填料裝置的設計要求時，不需要給出鏈輪及電動機等部件的運動規律。因此，為了實現填料裝置的運動，可在連接軸上施加一定的轉數，來模擬電動機驅動鏈輪的工作。文中施加的轉數為8r/min。運動仿真所得到的滾子運動軌跡、位移和速度曲線分別如圖9~圖12所示。

由圖9可知：滾子質心的運動軌跡為凸曲線，與理論設計的凸輪輪廓線一致，可見運動仿真與設計結果一致。

圖9　滾子質心的運動軌跡

圖10為滾子質心的位移曲線。滾子從遠休止階段開始運動，1~2.5s是回程階段，滾子按照余弦運動規律在凸輪槽中運動；2.5~3.5s是在近休止階段進行運動，此時的滑板已經完全收回到滾筒內；4.5~6s是推程階段，滾子按照等速規律運動。由圖10可看出：在此過程中，4.5s時滾子的線性位移為66mm，6s時滾子的線性位移為83mm，因而滾子的最大位移差為17mm，即為滑板伸出滾筒長度的最大值，這與文獻[2]的設計是一致的。

圖10　滾子質心的位移曲線

圖11為滾子徑向運動的速度曲線。滾子的初始位置是遠休止階段，徑向速度是不變的。當滾子隨著排種器轉到回程階段時，也正是滑板開始收回滾筒的階段。滾子的徑向速度是先逐漸增大到最大值，然后速度又逐漸減小，但速度方向始終是指向圓心方向的，其運動符合余弦運動規律；到達近休止階段時，其徑向速度為零，并且一直保持不變；當旋轉進入推程階段時，滾子徑向沿背離圓心的方向做勻速運動，在此階段滑板逐漸伸出滾筒。速度曲線的變化規律符合設計的要求。

圖12為滾子的質心加速度曲線。遠休止期間，滾子的質心加速度比較平穩；當轉到回程時，滾子的加速度突然增大，到一定值后發生突變，而后又向反方向加速，達到最大值后，加速度又逐漸減小， 這是由于滾子在回程段余弦運動規律部分；在進入近休止階段后，加速度又變得比較平穩，幾乎維持在同一個值左右；當滾子運動到等速部分即推程階段時，加速度也有一突變，方向向上，而后較平穩，之后又發生突變，方向相反。

圖11　滾子徑向的速度曲線

圖12　滾子質心加速度曲線

4結論

通過對凸輪式基質填料裝置中的滑板結構進行內力分析，得到了節點應力與位移圖，計算得到其安全系數為7.09。由于安全系數較大，從節省材料的角度考慮，對滑板結構的厚度進行了優化，將原厚度3mm改為2mm，優化后滑板結構的安全系數為3.06。由于滑板在工作過程中受到的沖擊力不是很大，因此優化后的滑板可以滿足工作要求。

通過對優化后的填料裝置進行運動仿真可以得到：滾子質心的運動軌跡為凸曲線，且與凸輪的輪廓線一致，這表明滾子與滑板的運動軌跡與理論設計曲線一致，符合填料裝置的工作要求。滾子位移曲線的變化規律與填料裝置的運動規律相符合，可得到滑板伸出滾筒的最大長度為17mm，這與設計值是一致的。滾子徑向運動速度和質心加速度曲線變化規律符合設計要求。

參考文獻：

[1]王榮華, 邱立春, 田素博.我國穴盤苗機械化生產的現狀與發展[J].農機化研究, 2008(7): 230-231.

[2]魯衛曉, 張祖立, 王君玲.凸輪式基質填料裝置的設計[J].農機化研究, 2012，34(9):139-142.

[3]韓旭,趙華,陳潔,等.淺談蔬菜工廠化穴盤育苗特點和系統開發[C]//中國園藝學會第九屆學術年會論文集,2001：303-306.

[4]方超.穴盤苗自動化移缽體系的結構設計與仿真分析[D].杭州：浙江大學,2012.

[5]浙江大學.穴盤育苗基質填料裝置：中國, CN2753133[P].2006-01-25.

[6]沈陽農業大學. 蔬菜穴盤育苗凸輪式基質填料裝置：中國, CN202285686U[P].2012-07-04.

[7]田佳玄,張祖立,王君玲.凸輪式填料裝置的參數化設計系統開發[J].農機化研究,2013,35(7): 154-156.

Structure Optimization and Motion Simulation of Material Covering Device of Cam Tray Filler

Jiang Yingchun, Wang Junling, Tian Jiaxuan, Zhang Zuli

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Abstract：Stress is affected by the thickness of sliding plate of material covering device of Cam tray filler. The minimum safety factor and allowable safety coefficient by comparing by static analysis of sliding plate, the thickness of sliding plate is optimized under the condition of meet the design requirements. so as to reduce weight and saving material of the material covering device. Motion simulation for centroid of roller of material covering device by the thickness of the sliding plate is optimized show that trajectory of roller centroid is corresponding by comparing cam contour line of theoretical design; extending the length of sliding plate by displacement curve of roller is corresponding by comparing design; radial velocity and acceleration curves of roller are accord with the design requirements.

Key words：tray filler; cam; sliding plate; motion simulation

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0050-05

作者簡介：姜迎春(1978-)，女，遼寧大連人，講師，博士，(E-mail)jyclg-72@163.com。通訊作者：王君玲(1971-)， 女，遼寧葫蘆島人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)junlingw@163.com。

基金項目：中國博士后科學基金項目(2014M561250); 遼寧省科技廳重點項目(2008206001)

收稿日期：2015-09-23