非圓輪系加工番茄果秧分離振動發(fā)生器的設(shè)計

朱興亮+王麗紅+坎雜+李成松+秦金偉

摘要： 為解決現(xiàn)有加工番茄果秧分離裝置沖擊載荷大、易堵塞等問題，利用非圓輪系設(shè)計了加工番茄果秧分離裝置振動發(fā)生器。分析了加工番茄果秧分離試驗高速錄像，擬合并修正了果秧分離裝置輸入輸出角位移間函數(shù)關(guān)系；選用W-W型非圓齒輪輪系設(shè)計振動發(fā)生器，求取了輪系中非圓齒輪節(jié)曲線，并進(jìn)行了封閉性驗證和齒輪中心距圓整，獲得了非圓齒輪最終節(jié)曲線公式?；谏鲜鲅芯浚O(shè)計了非圓輪系加工番茄果秧分離振動發(fā)生器，并介紹了其工作原理。該振動發(fā)生器具有傳動平穩(wěn)、精確、高效的特點，可滿足果秧分離裝置平穩(wěn)連續(xù)的運動需求，為加工番茄收獲機的設(shè)計提供了新方法。

關(guān)鍵詞： 加工番茄；果秧分離；W-W非圓輪系；齒輪節(jié)曲線；振動發(fā)生器

中圖分類號： S225.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0398-03

目前，世界加工番茄種植區(qū)主要集中在美國加利福尼亞地區(qū)、歐洲地中海地區(qū)和中國的新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)[1]。美國和歐洲大多實現(xiàn)了番茄收獲機械化，中國作為世界番茄的主要產(chǎn)區(qū)，機械化收獲程度卻很低，且國內(nèi)番茄收獲周期短，收獲季節(jié)氣溫高，未及時收獲易影響番茄品質(zhì)[1-5]。因此，機械化收獲是番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

果秧分離是番茄機械化收獲的重要環(huán)節(jié)之一[5]，振動發(fā)生器作為其驅(qū)動部件，傳動效果直接影響番茄收獲機工作性能。目前，國內(nèi)外加工番茄果秧分離振動發(fā)生器主要采用偏心塊式[1，6-7]，利用2個對稱偏心塊轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的對稱力偶，帶動分離裝置轉(zhuǎn)動，但該傳動方式導(dǎo)致分離裝置在運動過程中產(chǎn)生偏心力偶，易產(chǎn)生機架共振，甚至停止工作[5]；此外，存在沖擊載荷大、易堵塞等問題[1]，且傳動過程不可靠，難以實現(xiàn)精確傳動，導(dǎo)致分離效果不穩(wěn)定。非圓齒輪行星輪系可實現(xiàn)變速單向、變速回轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜特殊的運動[8-13]，既能實現(xiàn)凸輪的變速運動，又能實現(xiàn)齒輪精確高效重載的傳動，具有牢靠、緊湊、傳動平穩(wěn)等特點[14]，廣泛運用在高速插秧機、液壓馬達(dá)、紡織機械上[10，12]，可用來替換現(xiàn)有機構(gòu)作為加工番茄果秧分離裝置振動發(fā)生器。

本研究通過對果秧分離裝置輸入輸出角位移散點圖分析，擬合其輸入輸出角位移關(guān)系，獲取傳動比函數(shù)，設(shè)計非圓齒輪輪系，旨在滿足分離裝置運動需求基礎(chǔ)上減少裝置沖擊載荷，實現(xiàn)平穩(wěn)精確傳動，為加工番茄收獲機的設(shè)計提供新方法。

1 果秧分離裝置傳動函數(shù)的獲取

在FS-35型加工番茄果秧分離試驗臺進(jìn)行多組試驗，獲取最優(yōu)分離率高速錄像，分析得到果秧分離裝置輸入輸出角位移散點圖（圖1）。

通過觀察散點圖像可知，函數(shù)呈周期變化，因此為滿足裝置工作要求，只需取單一周期進(jìn)行擬合即可。

由角位移散點圖可以看出，角位移函數(shù)符合y=ax+bsinωx的變化趨勢，且圖像在極值點前后有差別，為提高擬合函數(shù)精度，需要進(jìn)行分段擬合，因此利用非線性擬合方式進(jìn)行自定義分段擬合獲得角位移函數(shù)：

2 非圓齒輪的設(shè)計

由圖1可知，非圓齒輪輸入輸出角之間變化關(guān)系為變速往返運動，2個定軸非圓齒輪傳動具有局限性，僅能夠?qū)崿F(xiàn)單向連續(xù)或歇停轉(zhuǎn)動，而非圓齒輪輪系具有更多的傳動形式，可實現(xiàn)變速往返運動[12，15-16]。為簡化設(shè)計過程，選擇具有2個圓齒輪的W-W型非圓齒輪輪系，如圖3所示。

2.1 非圓齒輪節(jié)曲線設(shè)計

依據(jù)果秧分離裝置輸入輸出角位移關(guān)系公式（2）可得到傳動比函數(shù)：

為便于研究，根據(jù)機械原理，給整個機構(gòu)繞軸Ⅰ施加-dφH/dt的運動，則系桿成為靜止，可將整個行星輪系按照定軸輪系進(jìn)行分析。因此，由定軸輪系非圓齒輪節(jié)曲線公式可得到以下節(jié)曲線公式。

2.2 節(jié)曲線封閉驗證

為保證非圓齒輪輪系能夠平穩(wěn)傳動，應(yīng)保證非圓齒輪節(jié)曲線能夠封閉，因此需要對非圓齒輪節(jié)曲線的封閉特性進(jìn)行驗證[15-16]。

對于齒輪1：由式（4）、式（6）可知，φH1=-φH，φH在0～2周期內(nèi)變化時，φH1在0～-2π內(nèi)變化，且當(dāng)φH=π時，第1段r1與第2段r1相等，為aiH34/（iH34-1），當(dāng)φH=0和2π時，2段r1同樣相等，也為aiH34/（iH34-1），因此齒輪1的節(jié)曲線是封閉的，且以φH1=-2π為1個周期。

2.3 非圓齒輪中心距圓整

非圓齒輪中心距由于公式需求，常常為多位小數(shù)，為保證工程實際應(yīng)用，應(yīng)對其進(jìn)行圓整。

齒輪副的中心距a，可以根據(jù)輪齒在節(jié)曲線上均勻分布的條件確定。齒輪1、2的節(jié)曲線同為分段函數(shù)，因此各求取2段節(jié)曲線長度并求和。曲線弧長的計算公式為：

按照果秧分離裝置空間結(jié)構(gòu)要求，初定非圓齒輪a=210 mm，m=6 mm，Z1=Z2=35，利用CAXA公式曲線進(jìn)行節(jié)曲線繪制，并采用折算齒廓法獲得非圓齒輪齒廓，如圖4所示。

3 非圓輪系果秧振動發(fā)生器的設(shè)計

將CAXA二維圖導(dǎo)入Solidworks軟件，并按照非圓齒輪輪系進(jìn)行設(shè)計與建模，如圖5所示。

非圓輪系果秧分離振動發(fā)生器主要由同步帶輪、輸入軸、系桿、圓齒輪、雙聯(lián)齒輪、非圓齒輪、機架、輸出軸組成，同步帶輪、輸入軸與系桿固結(jié)，雙聯(lián)齒輪軸與系桿采用軸承連接，且非圓齒輪與機架相連。

工作時，由同步帶輪1驅(qū)動輸入軸2、系桿3進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動，通過雙聯(lián)齒輪5中非圓齒輪與非圓齒輪6進(jìn)行嚙合，將勻速運動轉(zhuǎn)變成為雙聯(lián)齒輪的變速變向運動，并經(jīng)雙聯(lián)齒輪5中圓齒輪與圓齒輪4的嚙合傳遞至輸出軸，實現(xiàn)果秧分離振動發(fā)生器變速變向的運動要求。

4 結(jié)論

本研究分析了加工番茄果秧分離裝置角位移數(shù)據(jù)，分段擬合出輸入輸出角位移函數(shù)，并依據(jù)非圓齒輪設(shè)計需求進(jìn)行修正，確定加工番茄輸入輸出角位移間關(guān)系；確定W-W型非圓輪系，并依據(jù)角位移函數(shù)對輪系進(jìn)行設(shè)計，對節(jié)曲線公式進(jìn)行封閉性驗證，并對中心距進(jìn)行了圓整；設(shè)計了非圓輪系果秧分離振動發(fā)生器，并介紹了其工作原理。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱興亮，李成松，坎 雜，等. 加工番茄果秧分離技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報，2013，34（5）：399-402.

[2]龐勝群，王禎麗，張 潤，等. 新疆加工番茄產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 中國蔬菜，2005（2）：39-41.

[3]梁勤安，余慶輝，馮 斌，等. 新疆加工番茄機械化收獲發(fā)展對策的研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，44（2）：225-230.

[4]徐聲彪. 以機械化促進(jìn)加工番茄產(chǎn)業(yè)化[J]. 新疆農(nóng)機化，2008（4）：34-35.

[5]譚洪洋，李成松，坎 雜，等. 加工番茄果秧分離裝置的設(shè)計及仿真[J]. 農(nóng)機化研究，2012，34（1）：84-87.

[6]肖彬彬. 回轉(zhuǎn)滾筒式加工番茄果秧分離裝置的研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2013.

[7]梁榮慶. 加工番茄果秧分離裝置液壓振動系統(tǒng)設(shè)計研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2013.

[8]Takahara T，Takami A. Angular velocity modulating device：US，4994718[P]. 1990-07-31.

[9]Katori H. Planetary gear having non-circular gears：US，4788891 [P].1988-12 -06.

[10]俞高紅，張瑋煒，孫 良，等. 偏心齒輪-非圓齒輪行星輪系在后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（4）：100-105.

[11]Chen D J. A study on the rearward separate-planting mechanism of rice transplanter[J]. Journal of Jinhua College of Profession and Technology，2001，1（4）：1-3.

[12]魏秦文，馮 斌，馬志新，等. 非圓齒輪行星差速機構(gòu)運動特性仿真分析[J]. 機械工程師，2009（1）：133-135.

[13]和 麗，許紀(jì)倩，周 娜，等. 非圓齒輪行星輪系分插機構(gòu)運動分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（12）：74-77.

[14]苑明杰. 非圓齒輪參數(shù)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013.

[15]姚文席. 非圓齒輪設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[16]吳序堂，王貴海. 非圓齒輪及非勻速傳動比[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.