非圓輪系加工番茄果秧分離振動發生器的設計

朱興亮+王麗紅+坎雜+李成松+秦金偉

摘要： 為解決現有加工番茄果秧分離裝置沖擊載荷大、易堵塞等問題，利用非圓輪系設計了加工番茄果秧分離裝置振動發生器。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關系；選用W-W型非圓齒輪輪系設計振動發生器，求取了輪系中非圓齒輪節曲線，并進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曲線公式。基于上述研究，設計了非圓輪系加工番茄果秧分離振動發生器，并介紹了其工作原理。該振動發生器具有傳動平穩、精確、高效的特點，可滿足果秧分離裝置平穩連續的運動需求，為加工番茄收獲機的設計提供了新方法。

關鍵詞： 加工番茄；果秧分離；W-W非圓輪系；齒輪節曲線；振動發生器

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

目前，世界加工番茄種植區主要集中在美國加利福尼亞地區、歐洲地中海地區和中國的新疆、內蒙古地區[1]。美國和歐洲大多實現了番茄收獲機械化，中國作為世界番茄的主要產區，機械化收獲程度卻很低，且國內番茄收獲周期短，收獲季節氣溫高，未及時收獲易影響番茄品質[1-5]。因此，機械化收獲是番茄產業發展的必然趨勢。

果秧分離是番茄機械化收獲的重要環節之一[5]，振動發生器作為其驅動部件，傳動效果直接影響番茄收獲機工作性能。目前，國內外加工番茄果秧分離振動發生器主要采用偏心塊式[1，6-7]，利用2個對稱偏心塊轉動產生的對稱力偶，帶動分離裝置轉動，但該傳動方式導致分離裝置在運動過程中產生偏心力偶，易產生機架共振，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，難以實現精確傳動，導致分離效果不穩定。非圓齒輪行星輪系可實現變速單向、變速回轉等各種復雜特殊的運動[8-13]，既能實現凸輪的變速運動，又能實現齒輪精確高效重載的傳動，具有牢靠、緊湊、傳動平穩等特點[14]，廣泛運用在高速插秧機、液壓馬達、紡織機械上[10，12]，可用來替換現有機構作為加工番茄果秧分離裝置振動發生器。

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系，獲取傳動比函數，設計非圓齒輪輪系，旨在滿足分離裝置運動需求基礎上減少裝置沖擊載荷，實現平穩精確傳動，為加工番茄收獲機的設計提供新方法。

1 果秧分離裝置傳動函數的獲取

在FS-35型加工番茄果秧分離試驗臺進行多組試驗，獲取最優分離率高速錄像，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，函數呈周期變化，因此為滿足裝置工作要求，只需取單一周期進行擬合即可。

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

2 非圓齒輪的設計

由圖1可知，非圓齒輪輸入輸出角之間變化關系為變速往返運動，2個定軸非圓齒輪傳動具有局限性，僅能夠實現單向連續或歇停轉動，而非圓齒輪輪系具有更多的傳動形式，可實現變速往返運動[12，15-16]。為簡化設計過程，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 非圓齒輪節曲線設計

依據果秧分離裝置輸入輸出角位移關系公式（2）可得到傳動比函數：

為便于研究，根據機械原理，給整個機構繞軸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行分析。因此，由定軸輪系非圓齒輪節曲線公式可得到以下節曲線公式。

2.2 節曲線封閉驗證

為保證非圓齒輪輪系能夠平穩傳動，應保證非圓齒輪節曲線能夠封閉，因此需要對非圓齒輪節曲線的封閉特性進行驗證[15-16]。

對于齒輪1：由式（4）、式（6）可知，φH1=-φH，φH在0～2周期內變化時，φH1在0～-2π內變化，且當φH=π時，第1段r1與第2段r1相等，為aiH34/（iH34-1），當φH=0和2π時，2段r1同樣相等，也為aiH34/（iH34-1），因此齒輪1的節曲線是封閉的，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，為保證工程實際應用，應對其進行圓整。

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

按照果秧分離裝置空間結構要求，初定非圓齒輪a=210 mm，m=6 mm，Z1=Z2=35，利用CAXA公式曲線進行節曲線繪制，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生器的設計

將CAXA二維圖導入Solidworks軟件，并按照非圓齒輪輪系進行設計與建模，如圖5所示。

非圓輪系果秧分離振動發生器主要由同步帶輪、輸入軸、系桿、圓齒輪、雙聯齒輪、非圓齒輪、機架、輸出軸組成，同步帶輪、輸入軸與系桿固結，雙聯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驅動輸入軸2、系桿3進行勻速轉動，通過雙聯齒輪5中非圓齒輪與非圓齒輪6進行嚙合，將勻速運動轉變成為雙聯齒輪的變速變向運動，并經雙聯齒輪5中圓齒輪與圓齒輪4的嚙合傳遞至輸出軸，實現果秧分離振動發生器變速變向的運動要求。

4 結論

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

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