基于Inventor 的大蒜根頸切割機(jī)有限元仿真設(shè)計(jì)

任曉智,李福敏,岑光杜,畢天滋,李有立,沙詩(shī)琴

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004 )

0 引言

我國(guó)的大蒜產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70%以上,行業(yè)發(fā)展良好,市場(chǎng)空間廣闊。大蒜收獲過(guò)程中,在挖掘、清土過(guò)后需要切除大蒜的蒜頸和根須,目前切去大蒜的根須和莖葉采用手工處理,主要用剪刀剪去或用刀割去,操作不安全,且效率低、強(qiáng)度大?，F(xiàn)在的市場(chǎng)上專門解決這個(gè)問(wèn)題的農(nóng)業(yè)機(jī)械較少,急需一種安全、有效的大蒜根莖切割裝置來(lái)方便蒜農(nóng)們對(duì)大蒜收獲時(shí)的處理。

為了解決大蒜人工切根勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種大蒜根莖切除裝置,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化大蒜根莖切割機(jī)的物流傳輸功能和根莖切除功能。同時(shí),利用Autodesk Inventor建立虛擬仿真模型,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有限元仿真和分析,提前預(yù)測(cè)驗(yàn)證大蒜根莖切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的可行性和其主要零部件材料是否滿足強(qiáng)度及剛度要求。另外,對(duì)大蒜絲根切除機(jī)進(jìn)行實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn),獲得數(shù)據(jù),結(jié)果表明:該機(jī)在滿足農(nóng)業(yè)收獲需求的前提下實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化大蒜根莖切除。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

大蒜根莖切割機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大蒜根須和蒜頸機(jī)械化切除的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備,總體運(yùn)動(dòng)主要包括刀具的上下往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)、鏈條帶動(dòng)的傳輸運(yùn)動(dòng),以及連接二者的齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。本裝置各機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)了對(duì)大蒜根須和蒜頸的切除及大蒜的傳輸功能,如圖1所示。

1. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.不完全齒輪 3.齒條 4.回位彈簧 5.單向齒輪 6.剪切支撐板 7.儲(chǔ)存筐 8.軸承座 9.鏈輪 10.鏈條 11.機(jī)架 12.刀片 13.刀具支撐架 14.滑塊 15.連桿 16.驅(qū)動(dòng)盤圖1 大蒜根莖切割機(jī)的三維造型Fig.1 Three dimensional modeling of garlic rhizome cutting machine

1.2 刀具剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行大蒜根莖切割機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)了以對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為關(guān)鍵部件的刀具切割機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)刀具的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本裝置的刀具切割機(jī)構(gòu)如圖2所示。其中,刀具的剪切速度v1=75.36mm/s,此切削速度稍大于人工的瞬時(shí)切削速度,可以滿足大蒜切割過(guò)程的切口質(zhì)量,保證了切割的可行性。

1. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.不完全齒輪 3.齒條 4.回位彈簧 5.單向齒輪 6.剪切支撐板 10.鏈條 12.刀片 13.刀具支撐架 14.滑塊 15.連桿 16.驅(qū)動(dòng)盤圖2 刀具切割機(jī)構(gòu)三維模型圖Fig.2 Three dimensional model diagram of cutter cutting mechanism

1.3 傳輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳輸機(jī)構(gòu)的作用是將大蒜不斷地送入刀具切割機(jī)構(gòu)完成切割,需要保證運(yùn)輸過(guò)程能為剪切支撐板提供足夠的剛性和穩(wěn)定性。傳輸機(jī)構(gòu)的傳輸動(dòng)力來(lái)源于鏈輪和鏈條,鏈輪的分度圓直徑為61.79mm,齒數(shù)為10,兩鏈輪的中心距為380mm。剪切載運(yùn)板的作用是運(yùn)載大蒜與切割時(shí)起到支撐作用,每?jī)蓧K剪切載運(yùn)板之間的間距為58mm。通過(guò)計(jì)算可知:單向齒輪每切換1個(gè)工位需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為107.61°,即

式中dx—剪切載運(yùn)板的間距(mm);

d—鏈輪的分度圓直徑(mm);

δ—切換1次工位鏈輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(°)。

1.4 齒輪齒條聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

采用不完全齒輪將電動(dòng)機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為間歇傳動(dòng),齒條的作用是將機(jī)架上部的電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到下部。采用單向轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪可以使齒條回位時(shí)不影響傳輸鏈的單向傳動(dòng)。

式中φ1—不完全齒輪有效驅(qū)動(dòng)角(°)。

單向齒輪的分度圓和不完全齒輪的分度圓直徑相同,所以單向齒輪的回轉(zhuǎn)角度為108°,此角度可以實(shí)現(xiàn)大蒜根莖切割機(jī)的齒輪齒條聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)工位的準(zhǔn)確切換。齒輪的主要參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of gears

表2 大蒜根莖切割機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The performance test results of garlic rhizome cutting machine

2 大蒜根莖切割機(jī)及其部件的有限元分析

2.1 建立有限元模型

將Inventor建立的三維模型直接在Inventor中進(jìn)行有限元分析,根據(jù)大蒜根莖切割機(jī)的工況需求,選擇材料為45鋼及灰口鑄鐵等。采用六面體網(wǎng)格劃分的方法,對(duì)大蒜根莖切割機(jī)整機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過(guò)Inventor網(wǎng)格劃分功能生成有限元模型。網(wǎng)格模型的元素總數(shù)為269 179,節(jié)點(diǎn)數(shù)為488 630,如圖3所示。

圖3 大蒜根莖切割機(jī)整機(jī)網(wǎng)格劃分模型Fig.3 The mesh generation model of garlic rhizome cutting machine

2.2 支撐機(jī)架的有限元應(yīng)力分析

支撐機(jī)架決定了大蒜根莖切割機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)材料相關(guān)系數(shù),定義材料為灰口鑄鐵,材料的楊氏模量為90GPa,泊松比為0.3,密度為7 150kg/m3。根據(jù)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)盤、連桿切割刀具、剪切載運(yùn)板及鏈輪鏈條的重力分布,同時(shí)考慮剪切力對(duì)機(jī)架帶來(lái)的影響來(lái)定義載荷,載荷分布如圖4、圖5所示。同時(shí),生成Mises等效應(yīng)力云圖。觀察等效應(yīng)力云圖可知:支撐機(jī)架的最大應(yīng)力位置在下方支撐腳架的直角連接處,最大應(yīng)力為3.041MPa,小于灰口鑄鐵的極限應(yīng)力;位移最大量為0.065 91mm,小于灰口鐵的許用撓度,安全系數(shù)>15。由此可以保證使用的強(qiáng)度要求和安全性。

圖4 整體支撐機(jī)架等效應(yīng)力云圖Fig.4 The mises equivalent stress cloud chart of garlic rhizome cutting machine frame

圖5 整體支撐機(jī)架機(jī)架位移云圖Fig.5 The displacement chart of integral support rack rack

2.3 對(duì)刀具切割機(jī)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析

刀具切割機(jī)構(gòu)的功能是切除大蒜的根須和蒜頸,其力學(xué)性能關(guān)系著大蒜根莖切割機(jī)的工作質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。因此,取電動(dòng)機(jī)功率為250W,電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)方形齒輪減速機(jī)減速過(guò)后的轉(zhuǎn)速為14r/min。假設(shè)連桿為理想二力桿、刀具切割過(guò)程近似為勻速,本文設(shè)大蒜前端根須部分的直徑為d1=25mm,后部蒜頸部分的直徑為12mm。根須部分的屈服極限為σs1=67kPa,蒜頸部分的屈服極限σs2=36kPa,通過(guò)以下計(jì)算可求得刀具所受到的剪切力,即

式中l(wèi)—連桿長(zhǎng)度(mm);

R—驅(qū)動(dòng)盤等效曲柄長(zhǎng)度(mm);

α—驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)角(°);

β—連桿與等效曲柄夾角(°);

γ—連桿與切割刀具的壓力角(°);

T—電機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m);

F1—連桿受力(N);

F2—刀具切割力(N);

mX—刀具及切割部件質(zhì)量(kg)。

通過(guò)以上計(jì)算,可以求得切割時(shí)各零件的幾何關(guān)系,即α=120°,β=106°,γ=14°;并可以近似求得連桿所受載荷和刀具所受載荷,即F1=52.10N,F2=50.56N,電動(dòng)機(jī)所提供的最大轉(zhuǎn)矩為81.85N·m。通過(guò)Inventor Professional 2016建立有限元網(wǎng)格模型,定義刀具為碳素合金鋼,驅(qū)動(dòng)盤連桿等零件定義為45鋼。通過(guò)上述計(jì)算施加力和載荷,通過(guò)Inventor分析功能生成有限元應(yīng)力云圖,如圖6、圖7所示。

圖6 刀具切割機(jī)構(gòu)形變位移云圖Fig.6 The deformation and displacement nephogram of cutter cutting mechanism

圖7 刀具切割機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力云圖Fig.7 The deformation and displacement nephogram of cutter cutting mechanism

通過(guò)刀具切割機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖可知:最大應(yīng)力在剪切載運(yùn)板與傳輸鏈之間的螺釘連接處,其值為14.49MPa,45鋼的許用應(yīng)力為355MPa,滿足使用要求;最大位移量為0.009 319mm,小于剪切載運(yùn)板的許用撓度0.54mm,滿足剛度的使用要求。

2.4 對(duì)齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元分析

不完全齒輪驅(qū)動(dòng)齒條產(chǎn)生的最大位移為dy=47.1mm,由于齒條向下運(yùn)動(dòng)會(huì)擠壓回升彈簧,所以齒條對(duì)齒輪的齒形的擠壓力的樹(shù)直分量即為彈簧由于彈性變形所產(chǎn)生的彈性力F彈,則

F彈=k·Δx=10.25N

在Inventor中建立模型,定義材料為結(jié)構(gòu)鋼,自動(dòng)生成六面體網(wǎng)格,以齒輪孔內(nèi)壁為固定面形成約束,并施加在樹(shù)直方向的由彈簧產(chǎn)生的彈力載荷。由于齒輪所受載荷取決于彈簧受壓程度,所以取齒輪最后嚙合的一個(gè)齒所承受的載荷可看成受力面所承受載荷的最大值,建立工況模型并求解分析。

通過(guò)應(yīng)力云圖和位移云圖(見(jiàn)圖8、圖9)可知:最大應(yīng)力為0.781 3MPa,最大變形為1.2×10-7m。已知結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa,屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力,結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m>1.2×10-7m,所以齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足彈性形變要求,并預(yù)留有一定的安全裕度。

圖8 齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力云圖Fig.8 The equivalent force cloud chart of gear linkage mechanism

圖9 齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)形變位移云圖Fig.9 The deformation displacement cloud chart of gear linkage mechanism

3 樣機(jī)試驗(yàn)

對(duì)大蒜根莖切割機(jī)主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析,以此來(lái)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和各部分零件尺寸,從而保證最好的力學(xué)性能和安全性。制作出實(shí)物樣機(jī)并測(cè)試,實(shí)物樣機(jī)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,大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了大蒜根莖切割的機(jī)械自動(dòng)化,滿足了蒜農(nóng)對(duì)根須切除機(jī)器的需求。大蒜根莖切割機(jī)性能試驗(yàn)指標(biāo)如表2 所示。

4 結(jié)論

1)大蒜根莖切割機(jī)具有優(yōu)良的工作性能和安全性,工作效率約為人工的3.5倍,極大地降低了大蒜加工時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2)設(shè)置了刀具切割機(jī)構(gòu)和傳輸機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),并通過(guò)仿真及實(shí)物驗(yàn)證其傳動(dòng)的精準(zhǔn)度,保證了兩者的配合精度,提高了自動(dòng)化程度。

3)大蒜根莖切割機(jī)具有體積小、實(shí)用性高的特點(diǎn),工作效率相對(duì)人工大大提高,滿足了大蒜收獲過(guò)程中對(duì)大蒜根須及蒜頸切除設(shè)備的需求。