釀酒葡萄激振機構驅動結構的設計與分析

袁盼盼，朱興亮，張學軍，尤 佳

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

空間RSSR機構是含兩個轉動副(R)和兩個球面副(S)的空間鉸鏈四桿機構，利用空間連桿可使從動桿件得到預定的位置、行程或某種運動規律，也可使連桿上某點獲得預定的軌跡[1-2]。空間RSSR四桿機構傳動具有精度高、傳動平穩、振動小、機構緊湊、可用于大跨度遠距離的力(轉矩)和運動的傳輸、抗沖擊力強，以及可用少量桿件實現復雜運動等突出優點[3-4]。

周嘯等將RSSR空間連桿機構組合成4 RSSR空間連桿機構應用在舵機上，當連桿機構輸入一定角度時，實現舵機4個舵翼同時偏轉相同的角度[5]。楊傳民等將空間四桿RSSR機構和RRLP機構空間組合作為給袋式包裝機撐袋工位的執行機構[6]，可以精準、平穩地完成撐袋所需的運動軌跡。秦忠寶等根據空間RSSR機構的剛體導引實現了攪拌機粉碎、混料及造粒同步進行的多功能[7]。何勇等將空間RSSR機構和球面4R轉化應用在高速劍桿織機的空間引緯機構[8]。王萌等對空間可調RSSR機構建立位移、速度及加速度方程，通過遺傳算法建立數學優化模型[9]。古玉鋒等研究了某8×4型重卡雙前軸轉向桿系可分解為6個空間RSSR四桿機構，建立該轉向桿系的空間結構非線性模型[10]。

目前，對RSSR空間四桿機構的研究主要應用于工業、航空、紡織等工程機械的操縱系統中，但其在農業工程林果振動采收技術方面的研究應用很少[11-13]。為此，利用RSSR空間四桿機構承載能力大、動態性能好、能產生理想復雜空間運動軌跡及結構緊湊等優點，針對釀酒葡萄采收，設計了一種基于并聯RSSR空間四桿偏心激振機構的驅動結構，并對其運動特性進行分析。

1 RSSR空間四桿機構設計

擬設計的釀酒葡萄偏心激振采收機構驅動結構，如圖1所示。

1.主動軸 2.鎖緊螺母 3.偏心套 4.連桿 5.振動搖桿轉動軸 6.桿端關節軸承 7.振動搖桿

該機構由一對曲柄呈180°、其余桿件對稱布置的并聯RSSR空間四桿機構，主要零部件組成為主動軸、偏心套、連桿、振動搖桿轉動軸、桿端關節軸承，以及與主動搖桿轉動軸固接的振動搖桿。其中，偏心套反向布置，當轉動軸轉動時，偏心套作位移和速度相等、方向相反的往復運動，驅動結構相同、對稱布置的左右兩組振動采摘桿作方向相同、振幅相等的運動。

圖2為振動分離機構驅動部分結構簡圖。其中，L1、L2、L3以及機架組成RSSR空間四桿機構，驅動部分為兩并聯RSSR空間四桿機構；F、G為RSSR機構中的兩個球面副。圖1中的主動軸對應RSSR機構曲柄L1的轉動軸，偏心套對應L1桿件，連桿對應L2桿件，振動搖桿對應L3桿件，振動搖桿轉動軸對應O軸，曲柄L1與連桿L2、連桿L2與振動搖桿L3之間的連接為球鉸接(球面副)，采用桿端關節軸承作為實現三者之間球鉸接的連接件。工作時，由電機或液壓馬達從主動軸的一端輸入動力，RSSR空間四桿機構將主動軸的旋轉運動轉換為振動搖桿的擺動運動，并通過振動搖桿轉動軸將擺動運動傳遞至振動采收機構中的工作部分。

圖2 振動分離機構驅動結構簡圖

振動采收機構驅動結構由兩個空間RSSR機構并聯組成， RSSR空間四桿機構示意圖，如圖3所示。其中，O點為坐標原點，EF桿為輸入桿件，GH桿為輸出桿件，與采收機構肋條組件固連，FG桿為連桿，EOH為機架，與X-Y軸形成平面重合；OE、EF、FG、GH分別對應為L0、L1、L2、L3、L4；Z1和Z2軸線間的夾角α=90°；θ0為EF輸入桿的轉角；θ1為GH輸出桿件的轉角。

根據文獻[14]可知

Asinθ1+Bcosθ1+C=0

(1)

A=cosαsinθ0-L0sinα/L1

(2)

θ0=ωt

(3)

B=L4/L1-cosθ0

(4)

(5)

將式(2)～式(5)代入式(1)求解，可得到輸入角與輸出角位移θ1存在以下關系

(6)

式(6)表明：當給定輸入桿一個初始位置時，得到輸出桿會有兩個可能的位置，具體數值按照運動連續性和機構裝配方案確定。

圖3 空間RSSR機構

當驅動部分曲柄EF與X-Y的平面重合時，輸出角位移θ1(t)可表示為

(7)

2 RSSR空間四桿機構運動仿真

2.1 RSSR空間四桿機構模型的建立

在不影響機構性能的前提下，對機構的實際模型進行簡化，將驅動部分的RSSR空間四桿機構簡化為3根桿件和地面，如圖4所示。在Adams/View 的交互界面下，根據圖1中的設計和初始桿長及參數，建立RSSR空間四桿機構的Adams 模型，如圖5所示。在相鄰構件之間添加約束副，連桿與主動軸采用球副連接，連桿的另一端與振動搖桿也采用球副連接，振動搖桿轉動軸與大地之間添加轉動副，在輸入主動軸與大地之間添加轉動副和轉動驅動。添加完成載荷、約束、驅動等后，對機構的約束類型、數量、冗余方程個數、機構自由度及模型進行檢查，并對模型進行修正，完成自檢。

圖4 RSSR空間四桿機構仿真結構簡圖

圖5 RSSR空間四桿機構的Adams模型

2.2 運動學仿真及分析

在設計的RSSR空間四桿驅動結構，在主動轉軸和偏心套(曲柄)形成的轉動副處添加旋轉驅動，轉速為750r/min，即為4 500d/s，曲柄旋轉1周，需要的時間為0.08s。設置仿真時間為0.16s，步長為1 000步。輸出振動搖桿角度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知：振動搖桿的角度變化浮動范圍為(-7.3～+5.9)°，在運動的起始位置時，振動搖桿角度為0°，運動周期T=0.08s。

振動搖桿角速度、角加速度變化曲線如圖7和圖8所示。

圖6 振動搖桿角度變化曲線

圖7 振動搖桿角速度變化曲線

圖8 振動搖桿角加速度變化曲線

在RSSR機構運動的起始和終止位置的角速度絕對值最大，最大值為518(°)/s，在水平位置時的角速度為0；在運動的起始和終止位置的加速度為0，在水平位置時的加速度絕對值為最大。

3 結論

1)設計了一種適合于釀酒葡萄采收的RSSR空間四桿偏心激振機構的驅動結構，對其工作原理及特點進行了分析，并獲得了輸出擺動角位移模型。

2)建立了RSSR空間四桿機構的Adams模型，獲得了RSSR空間四桿輸出桿件的角位移、角速度、角加速度隨時間的變化規律。