棗去核機傳動系統槽輪機構的虛擬樣機分析

張學軍

（山西省農產品加工裝備技術管理站，山西太原　030031）

棗去核機傳動系統槽輪機構的虛擬樣機分析

張學軍

（山西省農產品加工裝備技術管理站，山西太原030031）

為了完成棗去核機的虛擬樣機分析，針對棗去核機傳動系統中實現上料系統間歇式上料的槽輪結構，確定其設計參數，在此基礎上，利用UG軟件創建了槽輪、撥盤、撥銷的三維模型，并根據其工作過程中的相互接觸關系進行裝配。將建立的槽輪機構三維立體模型引入ADAMS系統，設置有關相互作用力數據，建立槽輪各部件的相互運動關系，形成完整的虛擬樣機三維立體模型。設立槽輪機構在90，180，360°/s這3種工況下進行仿真分析，結果表明，3種工作條件下槽輪部件間的作用力大小接近，總體變化不大，說明棗去核機采用槽輪機構作為傳動系統，動力穩定、性能良好。

棗去核機；傳動系統；槽輪機構；虛擬樣機

0　引言

機械中常用的間歇機構有棘輪機構、槽輪機構、針輪機構等，各種間歇機構有其各自的特點［1］。槽輪機構具有構造原理簡單、機械效率高、運行平穩等優點，在多種機械中得到廣泛的應用［2-7］。在棗去核機傳動系統設計中，考慮到棗去核機工作狀態中各部件整體運動速度較低，而且運動形式多為轉動，符合槽輪機構傳動時存在柔性沖擊，常用于速度不太高的情況，結合機器設計成本的考量，最終選擇槽輪機構實現傳動系統間歇式上料［8］。

去核機傳動系統產品設計時，首先在計算機中利用虛擬樣機技術（Virtual prototyping）構建出槽輪機構的整體三維模型，依托計算機虛擬技術對槽輪機構在使用時的各種工作狀況進行詳細仿真分析，運用大量數據和圖表測算分析槽輪機構作為去核機傳動系統的整體性能，最終得到優化的設計結果，從而提升產品的各項工作性能［1］。通常使用的虛擬樣機技術分析軟件是ADAMS（Automatic dynamics anal ysis of mechanical system）［9］。

本文將針對棗去核機傳動系統中實現上料系統間歇式上料的槽輪機構，確定其設計參數，在此基礎上，利用UG軟件創建槽輪、撥盤、撥銷的三維模型，并根據其工作過程中的相互接觸關系進行裝配；將建立的槽輪裝配三維模型在ADAMS環境中形成一個完整的虛擬樣機模型；對槽輪機構在90，180，360°/s這3種工況下進行仿真分析，驗證棗去核機傳動系統中槽輪機構的特性。

1　槽輪機構的設計與三維模型的建立

1.1槽輪機構的設計

去核機傳動系統中的槽輪機構由以下部件組成：撥盤、撥銷、槽輪與機架，撥銷與撥盤安裝在一起整體運轉。在槽輪機構傳動系統的整個運轉過程中，撥盤是主動件，做勻速旋轉運動；槽輪是被動件，通過撥銷的作用力進行間歇運動。槽輪的槽數越多，傳動系統工作過程動力性越好；槽輪的槽數越少，傳動系統工作過程間歇時間越長［1］。本文中根據棗去核機傳動系統的設計綜合要求，計算出槽輪機構的各項設計參數［10］。

棗去核機槽輪機構的各項設計參數見表1。

表1　棗去核機槽輪機構的各項設計參數

1.2棗去核機槽輪機構虛擬樣機模型的建立

1.2.1三維模型引入

利用UG系統在電腦中完成槽輪機構三維模型的建立與裝配。槽輪機構包括槽輪、撥盤和撥銷。將模型以parasolid（.*xt）格式導出到ADAMS中。

槽輪機構模型見圖1。

圖1　槽輪機構模型

1.2.2施加部件之間的約束

把棗去核機槽輪機構的三維模型引入ADAMS后，在電腦中輸入已計算好的撥盤與撥銷、地面與撥盤、地面與槽輪之間的轉動副數值；槽輪與撥銷、槽輪與撥盤之間的接觸力數值，形成2個旋轉自由度與3個平移自由度的約束，建立槽輪機構不同部件之間的運動關系，做好虛擬樣機運轉模型。通過對轉動副變化的操作，收集撥銷、槽輪、撥盤在工作過程中轉動時和各項數值分析研究。本研究分析中，槽輪機構處于鎖止狀態時，槽輪與撥盤接觸弧面之間摩擦產生的影響在研究分析中可以忽略，槽輪與撥銷之間從開始到結束嚙合過程中的碰撞也不影響本文的分析研究，槽輪機構中各部件之間的接觸力參數設計，采用文獻中的默認設置來研究。

1.2.3施加驅動

撥盤旋轉的角速度分別設定為90，180，360°/s，計算出槽輪撥盤軸在工作過程中的轉速，相應在撥盤的轉動副上施加不同的轉動驅動力。

1.2.4施加阻力矩

根據參考文獻［8］，計算出棗去核機在工作過程中槽輪的負載功率為：

則槽輪所受到的阻力矩為：

按照軟件操作程序，模擬在槽輪上施加阻力矩。

槽輪機構虛擬樣機模型見圖2。

圖2　槽輪機構虛擬樣機模型

1.2.5復制與設置模型

該棗去核機動力系統采用YVP系列變頻調速電動機，對去核機在工作過程中槽輪機構的動力情況進行比較，分別選擇撥盤旋轉角速度為90，180，360°/s下的工作狀況進行仿真分析。在電動機輸出確定的前提下，工作速度越大，則阻力矩越小，所以虛擬樣機模型的阻力矩分別為114.34，57.17，28.585 N·m。

1.2.6模型自檢

模型設置完成后，根據軟件操作程序對模型冗余約束、自由度進行檢查。自檢結果表明，本設計的模型自由度為6，共有9個移動部件、9個轉動副、3個運動，沒有發現多余約束，說明模型自動檢驗完成并獲得成功，可以進行下一步操作，對槽輪機構作仿真分析。

槽輪機構虛擬樣機模型自檢見圖3。

圖3　槽輪機構虛擬樣機模型自檢

2　去核機槽輪機構的仿真分析及理論分析

槽輪機構在運轉過程中，槽輪在勻速轉動的撥盤驅動力作用下完成間歇運動，槽輪角加速度與角速度計算公式分別如下：

式中：ε2——槽輪角加速度，°/s2；

ω1——撥盤角速度，°/s；

ω2——槽輪角速度，°/s；

θ——撥盤轉角，°；

λ——槽數確定后為一常數1/2。按照公式（1），（2）分析：當撥盤以固定的角速度旋轉時，ω1不變，槽輪角加速度與角速度隨著撥盤轉角θ在不斷變化；而當槽輪不動，槽輪角速度為0時，槽輪角加速度仍在變化，因此撥銷撥動槽輪時，槽輪會受到一定沖擊。

3　槽輪機構的仿真分析

本文是在ADAMS軟件系統中，對槽輪機構進行仿真分析。首先，在軟件中，設置槽輪機構工作參數：仿真終止時間4 s，步長7 850，精度0.001。在分析中需設置2次槽輪嚙合，對槽輪的受力狀態、運動情況進行研究分析。因為槽輪機構在工作過程中，槽輪的角速度一直在不斷變化，槽輪自轉的慣性，也會引起沖擊和振動，所以需要重復進行分析測量，以確保數據有普遍性。對撥盤、槽輪的旋轉角位移進行測量時，以撥盤、槽輪的旋轉中心點為定點，在地面及撥盤、槽輪上標記不同的動、定點，然后進行反復測量。最后，將測量數據導入ADAMS的后處理模塊對槽輪機構仿真形成的相關曲線圖進行編輯。

撥盤時間-角位移圖見圖4，槽輪時間-角位移圖見圖5。

圖4　撥盤時間-角位移圖

圖5　槽輪時間-角位移圖

圖4為槽輪機構仿真工作過程中撥盤角位移圖，為3條斜向上的直線，說明3個模型的撥盤在4 s內分別勻速旋轉了1 440，720，180°；圖5為槽輪機構仿真工作過程中的槽輪角位移圖，從圖中能夠看出，3個仿真模型分別工作了4，2，1個周期，每個周期的前1/3，槽輪角位移一直在不均勻的增加，說明槽輪在撥盤的推動下旋轉，保持運動狀態；在每個周期的后2/3，槽輪角位移維持在每個周期的最大值不動，說明槽輪與撥盤的鎖止弧嚙合，保持靜止狀態。

撥盤角位移-槽輪角速度圖見圖6，撥盤角位移-槽輪角速度局部放大圖見圖7，撥盤角位移-槽輪角加速度圖見圖8，撥盤角位移-撥銷與槽輪接觸力圖見圖9。

圖6　撥盤角位移-槽輪角速度圖

由圖6～圖9可知，槽輪在撥盤上撥銷的作用下一直在保持轉動，角速度不停在變化。當撥銷轉動到槽輪軸心與撥盤的連線上時，槽輪角速度達到最大值186.83°/s。圖中曲線表明，撥銷與槽輪間接觸力產生的時間、槽輪轉動過程中角加速度、角速度的突變時間一致。說明當撥銷轉動到槽輪底部時，旋轉方向發生了改變，槽輪槽壁間發生碰撞產生沖擊。圖中槽輪機構處于靜止狀態時，角速度、角加速度曲線都呈現波動狀態，說明撥盤與槽輪的鎖止弧在運動過程中表面之間的接觸而產生沖擊。從撥盤位移曲線放大圖中能夠看出，撥銷與槽輪接觸時發生沖擊，角速度波動值為41.25°/s。上列圖中曲線是槽輪機構在90，180，360°/s這3種工況下的仿真分析，從圖中可以看出，90，180，360°/s這3種工作條件下槽輪部件間的作用力大小接近，總體變化不大，說明棗去核機采用槽輪機構作為傳動系統，動力穩定、性能良好。

圖7　撥盤角位移-槽輪角速度局部放大圖

圖8　撥盤角位移-槽輪角加速度圖

圖9　撥盤角位移-撥銷與槽輪接觸力圖

4　結論

針對棗去核機傳動系統中實現上料系統間歇式上料的槽輪結構，依據確定的設計參數，利用UG軟件創建了槽輪機構的三維模型，在ADAMS環境中形成了一個完整的虛擬樣機模型，并針對槽輪機構進行了90，180，360°/s這3種工況下的仿真分析。結果表明，3種工作條件下槽輪部件間的作用力大小接近，總體變化不大，說明棗去核機采用槽輪機構作為傳動系統，動力穩定、性能良好。

該方法在棗去核機傳動系統其他部件的仿真分析中也都得到了很好的應用，也可以推廣到其他機械的仿真分析中。

［1］鄒慧君，殷鴻梁.間歇運動機構設計與應用創新 ［M］.北京：機械工業出版社，2008：78-83.

［2］武淑琴，王儀明，趙吉斌.間歇旋轉式遞紙機構動力學分析 ［J］.北京印刷學院學報，2006，14（4）：35-38.

［3］楊文珍，趙勻，陸秋君.精密播種制缽機計算機分析與設計 ［J］.中國農機化，2004（1）：31-34.

［4］王寧俠，楊耀峰，魏引煥.槽輪機構運動及其高副磨損分析 ［J］.西北輕工業學院學報，2000，18（1）：77-81.

［5］顧婷婷.槽輪機構在Solid Works中的建模裝配與運動分析 ［J］.機械工程與自動化，2007（3）：144-145，148.

［6］王旭東.槽輪送料機構的動力分析與結構設計 ［J］.農業科技與裝備，2010（8）：32-34.

［7］徐長密，常宗瑜，李捷，等.基于單邊接觸模型的含間隙槽輪機構動力學分析 ［J］.機械設計，2010，27（2）：50-53.

［8］周靖博.一種新型紅棗去核機的設計與仿真 ［D］.晉中：山西農業大學，2014.

［9］高廣娣.典型機械機構ADAMS仿真應用 ［M］.北京：電子工業出版社，2013：2-7.

［10］朱孝錄.中國機械設計大典（第4卷）［M］.南昌：江西科學技術出版社，2002：1 671-1 675.◇

Red Jujube to Nuclear Slot Wheel Mechanism of
the Virtual Prototype Machine Transmission System Analysis

ZHANG Xuejun
（Shanxi Agricultural Processing Equipment and Technology Management Stations，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

In order to complete the date to the virtual prototype analysis of nuclear machine，regarding implementation dates to nuclear drive system of the machine feeding system intermittent feeding trough wheel structure，determine its design parameters.On this basis，using UG software to create the sheave，dial，dial pin 3 D model，and according to its working process of the interaction relationship between the assembly.Set up the Geneva wheel mechanism of 3 D model into ADAMS environment，by setting the relevant constraints，the movement of members of the sheave relationship，form a complete virtual prototype model.Slot wheel mechanism in the 90，180，360°/s three kinds of working conditions for simulation analysis. Results show that the three kinds of working condition of stir pin and slot contact force between the wheel size close，at the same level，to nuclear tank gear transmission system is good，has the stable dynamic characteristics.

jujube to nuclear machine；transmission system；slot wheel mechanism；virtual prototype

S226

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.08.040

1671-9646（2016）08b-0039-04

2016-06-29

張學軍（1972— ），男，本科，工程師，研究方向為農產品加工機械。