多組非圓輪系番茄果秧分離振動發生器的研究

朱興亮,袁盼盼,尤 佳,張學軍

(新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830091)

0 引言

新疆地處北緯37°～47°之間,獨特的光熱和水土條件適宜優質番茄的生長,區內加工番茄種植面積穩步增長,已成為世界加工番茄主要產區[1-4]。由于加工番茄種植面積的增加,對機械化采收技術提出了更高的要求,果秧分離振動發生器作為其核心部件,對整機工作性能的評價至關重要[5-8]。

目前,加工番茄果秧分離裝置通過模擬人工采收加工番茄方式,利用振動發生器將勻速轉動轉變為變速變向運動,通過分離滾筒驅動植株振動,在拋甩作用下莖秧與果實由于質量分布差異,產生相對運動,進而實現分離[9-10]。國內外常用的果秧分離振動發生器有多種型式[9],雙偏心塊式振動發生器廣泛應用于國內外加工番茄收獲機中,但由于其依靠慣性原理實現振動,運動輸出易受負載變化,影響了果秧分離效果,甚至造成堵塞[11-12]。

非圓齒輪行星輪系具有結構緊湊、傳動精確、運行平穩可靠、受載荷影響小等特點[13],廣泛應用于液壓馬達、紡織機械及插秧機等領域,用以產生復雜的變速變向運動[14-19]。課題組前期已開發基于單組非圓輪系加工番茄果秧分離振動發生器[9,20],存在構件載荷不均、振動較大等問題,而多組輪系可平衡構件載荷、均分負載,有效降低了機具振動,延長機械壽命。因此,本文擬基于單組輪系基礎開發了多組非圓輪系果秧分離振動發生器,以驅動分離滾筒實現變速變向運動。

以雙偏心塊式振動發生器最優運動曲線為目標,提出了基于多組非圓行星輪系果秧分離振動發生器,結合虛擬樣機技術對振動發生器進行了運動學仿真分析,試制試驗樣機,再結合高速攝像系統進行試驗驗證,對比目標曲線、仿真曲線與實測曲線,確定了結構設計的合理性。

1 多組非圓輪系振動發生器結構及原理

加工番茄果秧分離裝置主要由液壓馬達、機架、振動發生器、連接板及分離滾筒組成,如圖1所示。

1.液壓馬達 2.機架 3.振動發生器 4.連接板 5.彈齒滾筒圖1 果秧分離裝置整體結構圖Fig.1 The structure of separation vibration device

工作時,液壓馬達驅動振動發生器,將勻速轉動轉換為變速變向運動,經連接板驅動分離滾筒,進而帶動番茄植株振動,利用其質量分布差異實現果秧分離。

多組非圓輪系式振動發生器主要由驅動軸、帶輪、太陽非圓齒輪、驅動系桿、行星非圓齒輪、外殼、行星軸承座、行星軸、行星圓齒輪、輸出系桿、太陽圓齒輪、外驅軸及輸出連接板組成,如圖2(a)所示。

(a) 軸測圖

其中,驅動軸與驅動系桿、太陽非圓齒輪與外殼固結;行星非圓齒輪與行星軸、行星圓齒輪固結;行星軸與行星軸承座、輸出系桿與外驅軸利用轉動副連接;行星非圓齒輪與中心非圓齒輪、嚙合行星圓齒輪與中心圓齒輪連接,如圖2(b)所示。

振動發生器工作過程中,驅動由液壓馬達提供,經帶輪、驅動軸帶動驅動系桿勻速轉動,通過行星軸驅動兩側行星非圓齒輪和行星圓齒輪繞驅動軸公轉;同時,兩非圓齒輪與兩圓齒輪分別嚙合,實現勻速轉動向變速變向運動傳動比關系的轉換,從而獲取外驅軸的變速變向運動。

2 振動發生器關鍵部件設計

2.1 果秧分離滾筒需求曲線確定

為確定非圓輪系振動發生器的運動需求,利用CPL-MS70K高速成像系統獲取雙偏心塊式果秧分離裝置最優運動特性曲線,為非圓輪系振動發生器的設計奠定基礎。

利用高速攝像分析軟件,獲得振動分離過程角位移和角速度曲線,如圖3所示。

(a) 角位移曲線

由圖3(a)可知,偏心塊式分離滾筒角位移曲線呈擺動上升趨勢,各點坐標分別為P1(92,37.31°)、T1(140,31.90°)、P2(232,49.32°)、T2(289,43.31°)、P3(374,60.45°)及T3(433,57.73°)。對其上升段與下降段進行分析計算可知：角位移上升段和下降段角度差分別約為17.80°和6.37°,單個擺動周期約為0.18s。

由圖3(b)可知：分離滾筒角速度呈周期性變化,則上升段和下降段時間分別為0.11s和0.07s,則可知分離滾筒在單個擺動周期的61.67%處開始下降。

2.2 建立振動發生器運動特性數學模型

為簡化分析過程,將分離滾筒單個擺轉運動角度轉化為弧度后輸入、輸出角位移簡化如圖4所示。圖4中選用3組非圓輪系進行分析,則單個擺轉運動輸入角位移為2π/3,確定其運動函數后,可利用函數平移變換獲取整體擺轉運動函數。

圖4 分離滾筒角位移運動軌跡曲線Fig.4 Angular displacement trajectory curve of separating drum

為避免出現振動,在保證角位移曲線光滑連接的基礎上,利用三角函數進行分段擬合,如式(1)所示,則傳動比、加速度等函數可利用角位移函數求解。

φ4=

(1)

其中,φ4為輸出角位移,φH為輸入角位移。

2.3 非圓齒輪節曲線設計

1)當0≤φH<1.29時,有

(2)

2)當1.29≤φH<2.09時,有

(3)

3)當2.09≤φH<3.38時,有

(4)

4)當3.38≤φH<4.18時,有

(5)

5)當4.18≤φH<5.47時,有

(6)

6)當5.47≤φH≤6.28時,有

(7)

圖5 非圓輪系振動發生器齒輪嚙合圖Fig.5 Gear pitch curves and engagement of the vibration generator

3 振動發生器仿真分析及試驗驗證

3.1 運動仿真與分析

為驗證多組非圓輪系振動發生器虛擬樣機模型能否滿足預定軌跡需求,將振動發生器的三維模型導入ADAMS軟件,設定振動發生器輸入轉速為111 r/min,仿真獲取振動發生器角位移、角速度運動特性曲線,如圖6所示。

圖6 多組非圓輪系振動發生器仿真角位移、角速度曲線圖Fig.6 Angular displacement and velocity curves of vibration generators simulation

由圖6可知：番茄果秧分離振動發生器模型的仿真角位移曲線呈擺動上升趨勢,軌跡較為光滑;角速度曲線在穩定范圍周期性波動。將需求曲線與ADAMS中導出數據比對,如圖7所示。

圖7 需求與仿真曲線對比圖Fig.7 Comparison diagram of ideal target and simulation curve

為明確多組非圓輪系振動情況,分析單組與多組非圓輪系工作過程中齒面接觸力,如圖8所示。

圖8 3組與單組非圓行星輪系振動發生器齒面接觸力對比圖Fig.8 Comparison of contact force between the three groups and one group non-circular planetary gear vibration generator

由圖7、圖8可知：3組非圓輪系振動發生器與需求運動曲線變化趨勢及關鍵數據點較為接近,可滿足果秧分離的運動需求,且載荷分布均衡,運動參數不受載荷影響,從而確保果秧分離效果,避免工作過程中產生阻塞。

3.2 原理樣機試驗驗證

試制非圓行星輪系果秧分離振動發生器樣機,搭建試驗平臺,利用高速攝像系統進行運動特性試驗驗證,如圖9所示。依據設計需求,開展振動發生器運動特性試驗,獲取輸出端角位移運動曲線,如圖10所示。

1.電源 2.運動控制系統 3.步進電機驅動器 4.步進電機 5.聯軸器 6.振動發生器 7.高速攝像系統圖9 3組非圓輪系振動發生器原理樣機運動分析試驗示意圖Fig.9 Schematic diagram of three sets of non-circular wheel train vibration generator motion performance test bench

為了進一步探究裝置設計的合理性,利用高速攝像系統拍攝獲取原理樣機的實測角位移、角速度曲線并與需求和仿真對比,如圖11所示。

圖11 非圓輪系振動發生器目標、仿真與實測曲線對比Fig.11 Comparison of the object, simulation and measured curves of vibration generator

由圖11可知：振動發生器目標曲線、仿真曲線與實測曲線變化趨勢及關鍵數據點較為接近,角速度曲線峰值差小于0.4 rad/s,角位移峰值差小于0.05 rad,因此多組非圓輪系可滿足振動發生器設計需求。

4 結論

1)設計了多組非圓輪系加工番茄果秧分離振動發生器,借助高速攝像系統獲取雙偏心塊式振動發生器運動特性需求,獲取非圓齒輪節曲線理論分析數學模型。

2)仿真分析了非圓輪系振動發生器虛擬樣機模型角位移與角速度曲線,并與目標曲線進行對比,同時獲取單組與3組輪系齒面接觸力曲線,證明了多組輪系可滿足果秧分離裝置運動需求,且振動較小。

3)試制了非圓行星輪系果秧分離振動發生器原理樣機,并搭建試驗平臺,結合高速攝像系統獲取其輸出運動特性曲線,與目標與仿真曲線對比,證明了其可以滿足果秧分離裝置振動需求。