大蒜根莖切割機的仿真設計和制造

梁 策,李福敏,岑光杜,謝紅梅,李有立,李 競

( 廣西大學 機械工程學院,南寧 530004)

0 引言

大蒜是一種調味料,可食用,亦可入藥。中國的大蒜產量占全球總產量的70%以上,種植面積占全球大蒜種植面積的60%以上,主要生產地集中在山東、河南、江西、廣西及安徽等地。大蒜收獲過程中,在挖掘、清土過后需要切除大蒜的蒜莖和根須,目前切去大蒜的根須和莖葉采用的手工處理,主要用剪刀剪去或用刀割去,不僅操作不安全,且勞動效率低、勞動強度大。目前,市場上專門針對這個問題的農業機械較少,急需一種安全有效的大蒜根莖切割裝置來提高工作效率。

為了解決大蒜人工切根勞動強度大、效率低的問題,提出了一種大蒜根莖切除裝置,并為大蒜實際切根的過程提供了新的解決方案。為此,在大蒜根莖切割機的設計過程中進行了適應性設計,實現了自動化大蒜根莖切割機的物流傳輸功能和根莖切除功能,同時對設計方案進行了運動仿真,確定該機械設計方案的可行性,避免產生干涉等問題。另外,對大蒜絲根切除機進行實物樣機的試驗,以此優化大蒜絲根切除機的結構和零部件尺寸,保證大蒜根莖切割機的刀具的切割運動與傳輸運動的配合,實現自動化大蒜根莖切除。

1 結構設計及工作原理分析

1.1 結構設計

大蒜根莖切割機由電動機驅動,電動機轉動帶動驅動盤和不完全齒輪,驅動盤通過連桿帶動滑塊做上下往復運動;切割刀具安裝在滑塊上,驅動盤帶動刀具向下完成切割運動之后,刀具回升,不完全齒輪進入嚙合,通過齒條帶動機架下方的單向齒輪,單向齒輪帶動鏈輪鏈條實現大蒜的平移運輸;驅動盤繼續旋轉刀具向下運動,不完全齒輪退出嚙合,齒條在回升彈簧的作用下回到原位置,完成一次大蒜切割轉運周期。運用三維造型軟件UG對其進行三維造型設計,具體結構如圖1所示。

(a) 大蒜根莖切割機的三維造型

(b) 刀具切割機構三維模型圖

ite key components

1.2 關鍵部分設計

1.2.1 刀具剪切機構設計

在進行大蒜根莖切割機的設計時,根據鏈條傳輸機構及剪切載運板的受力特征,設計了以對心曲柄滑塊機構為主要機構的刀具切割機構,以實現刀具的上下往復運動。

其中,驅動盤的半徑R=50mm,連桿的長度為l=170mm,刀具升程的最高點到剪切支撐板的上邊緣的距離為70mm,方形齒輪減速電機轉速14r/min。

通過刀具剪切機構的機構運動簡圖可知(見圖2):刀具運動符合對心曲柄滑塊機構的運動特征及規律,通過三角公式可以求得刀具的最大位移量Xm、刀具的速度運動速度v和刀具的剪切速度v1等,即

當刀具處于最高點時,有

X=L-R

當刀具處于切割點時,有

X=L-R+70=190mm

此時,π-θ=59.20°。

通過計算可知:刀具通過剪切點時,刀具的曲柄轉角為120.40 °、刀具的下降位移為70mm,刀具的速度為75.36mm/s。此切削速度稍大于人工的瞬時切削速度,可以滿足大蒜切割過程的切口質量,保證了切割的可行性。

圖2 刀具切割機構簡圖及其速度分析圖

1.2.2 傳輸機構設計

傳輸機構的作用是將大蒜不斷地送入刀具切割機構,完成切割,需要保證運輸過程能為剪切支撐板提供足夠的剛性和穩定性。傳輸機構的傳輸動力來源于鏈輪和鏈條,鏈輪的分度圓直徑為61.79mm,齒數為10,兩鏈輪的中心距為380mm。

剪切載運板的作用是運輸大蒜和在刀具剪切大蒜蒜莖和根須的過程中對大蒜起到支撐作用,其上設置有3塊豎直的擋板,用來與刀具形成配合實現對大蒜蒜頸和根須的剪切。其中,每兩塊剪切載運板之間的間距(在直線傳輸過程中,前一塊剪切載運板的前端到后一塊剪切載運板的前端)為58mm。通過計算可知:單向齒輪每切換一個工位需要轉動的角度為107.61°,即

式中dx—剪切載運板的間距(mm);

d—鏈輪的分度圓直徑(mm);

δ—切換一次工位鏈輪需要轉動的角度(°)。

1.2.3 齒輪齒條聯動機構的設計

為了實現刀具切割時鏈輪停止轉動、刀具上升時鏈輪旋轉切換工位的功能,采用不完全齒輪將電動機的連續轉動轉化為間歇傳動。齒條的作用是將機架上部的電動機的動力傳到下部,采用單向轉動齒輪可以使齒條回位時不影響傳輸機構的單向傳動。齒輪的主要參數如表1所示。

表1 齒輪的主要參數

式中φ1—不完全齒輪的有效驅動角(°);

φ2—單向齒輪轉角(°);

dy—齒條的最大位移(mm);

d1—不完全齒輪的分度圓直徑(mm);

d2—單向齒輪的分度圓直徑(mm)。

經過計算可知:在1個回轉周期內,單向齒輪的回轉角度為108°,在標準回轉角度107.61°的誤差允許范圍內,說明大蒜根莖切割機的齒輪齒條聯動機構可以實現工位的準確切換。

1.3 工作原理分析

大蒜根莖切割機是一種能夠實現大蒜的根須和蒜莖機械化切除的農業機械設備,其總體運動主要包括刀具的上下往復切割運動、鏈條帶動的傳輸運動,以及連接二者的齒輪聯動機構運動,本裝置各機構配合實現了對大蒜根須和蒜頸的切除及大蒜的傳輸功能。

刀具切割機構的工作原理:電動機帶動驅動盤,連桿一端通過銷釘固定于驅動盤,另一端通過銷釘固定在滑塊上;滑塊可沿滑槽作上下滑動,滑塊的下方安裝有刀具和刀具固定架,驅動盤通過連桿帶動滑塊作上下運動,進而實現刀具的上下運動。剪切載運板上設置有固定凹槽和支撐板,達到固定和支撐目的,從而實現對大蒜根須和蒜頸的剪切功能。

在傳輸機構中,剪切載運板的功能是運輸大蒜和在剪切時對大蒜起到支撐作用,通過螺釘螺母固定在傳輸鏈上。工作時,齒條帶動單向傳動齒輪,通過傳動軸帶動鏈輪,鏈輪帶動鏈條進而帶動剪切載運板的運動;當剪切載運板運動至刀具下方時,會有一定時間的間歇,實現了大蒜的載運傳輸功能

齒輪聯動機構主要包括不完全齒輪、齒條、回升彈簧和單向齒輪,當刀具切割完成后,曲柄旋轉通過連桿帶動刀具向上運動;此時,電動機驅動不完全齒輪與齒條進入嚙合,齒條向下運動,帶動單向齒輪轉動一定角度,進而帶動鏈輪鏈條完成一個工位的切換,并將切割好的大蒜半成品傾倒至收集筐;完成工位切換后,齒條在回升彈簧的作用下回到原位置。由于單向齒輪內置單向軸承,所以齒條帶動齒輪反向旋轉時,不會使鏈輪轉動,保證了鏈條的單向傳動。這種齒輪聯動機構實現了大蒜的間歇性的工位切換,滿足了大蒜根須和蒜莖剪切的傳輸需要。

2 對自動化大蒜根須剪切機的動態仿真

在三維造型軟件UG中建立三維模型后,在Adams中進行仿真,驗證機械運行的可行性及零件干涉問題。對該裝置整體進行仿真約束,從而優化大蒜根莖切割機的結構。

2.1 仿真目的

為了驗證大蒜根莖切割機的機械系統運行的可行性,將UG中的關鍵部件在Adams中進行仿真實驗,驗證是否滿足要求:①刀具的運行軌跡及切割速度是否滿足要求;②傳輸機構在每個周期內是否能夠滿足傳輸速度及切換工位的要求。

2.2 切割刀具的運動仿真

在Adams軟件中在刀片的底端建立點marker 1,在剪切載運板底端平面取marker 2,測量出marker1和marker2沿Z軸距離隨時間的變化量,如圖3和圖4所示。經仿真驗證可知:刀具與剪切載運板的最小距離:Xmin=|Zmarker1-Zmarker2|min=0mm,不會產生碰撞;X=|Zmarker1-Zmarker2|=30mm時,刀具和大蒜的根須和蒜頸接觸,進入剪切。

圖3 大蒜根莖切割機仿真約束圖

圖4 Marker1到marker2的豎直距離隨時間變化曲線

在Adams中,導出刀片的速度隨時間的仿真曲線,并在轉角為120.4°、位移為70mm時驗證刀具的切割速度為75.36mm/s,在這種切割速度下可以對大蒜的根須和莖葉切除,并保證切口的平整性和切割質量,變化曲線如圖5、圖6所示。

2.3 運輸機構的運動仿真

將在UG中建立的三維模型直接進行仿真約束,將不完全齒輪與齒條定義為3D接觸,驅動不完全齒輪旋轉,觀察下方的單向齒輪的旋轉角度幅值、角速度等物理量隨時間變化曲線,并對運輸機構以及齒輪齒條聯動機構進行仿真試驗,確定運輸機構的運動規律及速度,進而確定自動化大蒜根莖切割機的運輸機構與刀具切割機構的配合度。

由圖7可知:單向齒輪最大角度幅值為110°,每次工作的轉角誤差率在1.85%,且由于刀具的切口屬于直線,可以適應傳輸機構所產生的誤差率,保證了機構具有較好的配合度。

由圖8可知:在4.5～5.2s時為彈簧驅動的齒條回升過程,此時單向齒輪角速度為負值,由于齒輪為單向傳動,所以傳輸機構的速度為0mm/s;在2.8 ～4.5s時,單向齒輪驅動鏈輪完成工位切換和大蒜傳輸;此速度近似為勻速,速度V=45.1mm/s,速度較低,保證了大蒜運輸的平穩性。

圖5 刀片切割速度隨時間的變化曲線

圖6 刀片切割速度隨位移變化曲線

圖7 單向齒輪的角度幅值隨時間變化曲線

圖8 單向齒輪的角速度隨時間變化曲線

3 樣機試制與試驗

制作了樣機,并進行樣機的測試。樣機的工作效率為10～11顆/min,普通人工用剪刀切除根須和蒜頸的效率為3顆/min,其工作效率約為人工的3倍,且勞動強度大大降低。大蒜根莖切割機性能試驗指標如表2所示。

表2 大蒜根莖切割機性能試驗結果

4 結論

經過虛擬樣機仿真測試和樣機測試可知:大蒜根莖切割機具有優良的工作性能,其極大地降低了大蒜加工時的勞動強度,工作效率約為人工的3.5倍。本裝置設置了刀具切割機構和傳輸機構的聯動機構,并通過仿真及樣機驗證其傳動的精準度,保證兩者的配合精度,提高了自動化程度。大蒜根莖切割機具有體積小、實用性高的特點,滿足了大蒜收獲過程中對大蒜根須及蒜頸切除的需要。