送繭小車翻斗裝置的設計與仿真

婁 浩,呂汪洋,陳文興,江文斌,

(浙江理工大學,a.紡織科學與工程學院(國際絲綢學院);b.紡織纖維材料與加工技術國家地方聯合工程實驗室,杭州 310018)

煮熟繭輸送是制絲生產中重要的環節,是連接制絲生產中煮繭和繅絲兩道工序的中間過程,對繅絲工序存在重要的影響。煮繭的主要目的是利用水、熱和助劑的作用使繭層絲膠適當膨潤軟化,減弱并均勻繭層繭絲之間的膠著力,便于索取緒絲,使繭絲順序離解[1]。蠶繭煮熟后,在運送至繅絲機車頭的過程中存在著諸多影響煮熟繭及生絲質量的因素,尤其傳統的送繭方式,如人工送繭,存在待繅時間長、繭子間相互擠壓破壞繭層、繭層冷漬過度導致絲膠收斂、蛹酸浸出破壞繭層等缺陷[2];管道輸送煮熟繭導致煮熟繭翻滾以及繭層與管道內壁摩擦[3-4],這些因素會嚴重影響生絲質量和企業效益。例如日本繅絲企業利用傳動鏈搭載串聯式繭斗輸送煮熟繭[5],但該輸送方式只能將煮繭機中輸出的煮熟繭平均分配給各組繅絲機,無法適應不同繅絲機生產量的差異。

隨著科技進步,中國工業化水平不斷提高,為促進繭絲綢行業的發展,提高生絲生產的自動化程度,需要對相關生產設備進行升級,以解決繭絲綢行業面臨的難題。目前亟待解決的是煮熟繭輸送問題,對于一般的輸送方式如帶式輸送、鏈式輸送、機器人搬運等較多應用于固體物料,而對于煮熟繭的輸送,需要將煮熟繭和一定溫度的繭湯同時運輸。

為了解決上述問題,本文設計并搭建了一種自動化輸送系統,針對輸送載體(送繭小車)的繭斗翻轉機構進行了設計和分析。煮熟繭的輸送需要完成接繭(煮熟繭由煮繭機出繭口輸出進入送繭小車繭斗)、送繭(由摩擦輪沿軌道輸送)、倒繭(繭斗翻轉使繭水混合物通過管道進入繅絲機待繅槽)和繭斗復位等一系列過程。繭斗翻轉通過減速電機驅動齒輪減速機構,齒輪減速機構主動齒輪與電機軸固定聯結,從動齒輪與繭斗軸空套聯結,從動齒輪和與繭斗軸固定聯結的止鎖凸輪形成間歇機構,通過傳感器和單片機發出信號控制減速電機的正反轉來實現繭斗翻轉倒繭和復位動作。

1 翻斗機構及其原理

翻斗裝置傳動機構如圖1所示,翻斗機構由減速電機、齒輪傳動機構、凸輪機構、鎖定機構、翻斗槽輪和繭斗組成,減速電機3為繭斗1翻轉提供動力,繭斗翻轉和復位過程為:小車PLC系統接收到崗位要繭信號,減速電機3啟動,通過主動齒輪7驅動從動齒輪6,與從動齒輪6固定連接的止鎖凸輪4和撥銷隨從動齒輪6轉動角度α(倒繭角度),從動齒輪6和止鎖凸輪4與繭斗軸2均為空套連接,所以此過程繭斗軸靜止,止鎖凸輪4推程轉動,推動滑動鎖扣9解除對繭斗擺桿8的鎖定狀態,同時撥銷撥動翻斗槽輪5,使翻斗槽輪5和與其固定連接的繭斗軸2轉動,從而使與繭斗軸2固定連接的繭斗1發生翻轉完成倒繭動作。完成倒繭動作后,減速電機3根據PLC指令進行反轉,通過主動齒輪7驅動從動齒輪6反轉,反轉角度β(復位角)后,撥銷撥動翻斗槽輪5反轉,繭斗軸2隨之轉動并驅動繭斗1完成復位動作,同時止鎖凸輪4回程轉動,滑動鎖扣9在彈簧作用下復位并鎖定繭斗擺桿8,使繭斗1鎖定,至此完成一次倒繭動作。

1.繭斗;2.繭斗軸;3.減速電機;4.止鎖凸輪;5.翻斗槽輪;6.從動齒輪;7.主動齒輪;8.繭斗擺桿;9.滑動鎖扣。

2 繭斗整體設計

2.1 翻斗槽輪設計

繭斗的翻轉和復位通過繭斗軸轉動實現,且繭斗倒繭和復位動作按照固定的軌跡和行程進行,如圖2所示,繭斗前下部通過繭斗限位柱起限位緩沖作用,繭斗后方通過繭斗后限位塊限定初始位置。送繭小車工作時,繭斗循環進行翻轉、復位動作,可以通過設計間歇機構實現繭斗的翻轉和復位動作。

1.繭斗后限位塊;2.繭斗初始位置;3.繭斗極限位置;4.繭斗限位柱;5.從動齒輪;6.翻斗槽輪初始位置;7.撥銷初始位置;8.撥銷極限位置;9.翻斗槽輪極限位置。

如圖2(a),繭斗倒繭時從繭斗初始狀態翻轉至繭斗極限位置需轉動角度為β,此過程需要通過減速電機驅動,通過傳動機構使繭斗轉動角度β完成倒繭動作。考慮到繭斗滿載時繭水混合物的重量及其產生的沖擊力可能會對傳動機構及減速電機產生柔性沖擊[6]。為防止繭斗在翻轉倒繭時繭水混合物的重力對齒輪機構產生較大載荷、繭斗翻轉受限等問題,利于繭水混合物完全脫離繭斗,當翻斗槽輪被撥銷推動后,撥銷將不再限制繭斗轉動,繭斗在重力作用下發生翻轉,更有利于繭水混合物落下。還有一個原因是為了讓處于鎖定狀態的繭斗先解鎖,解鎖后繭斗才能進行翻轉。具體原理將會在下一節詳細分析。

翻斗槽輪設計為圖2(b)所示結構,翻斗槽輪設計了角度為α弧形槽口,用以繭斗翻轉和復位時撥銷的緩沖作用。對于翻斗槽輪結構,撥銷轉動角度需大于α′(α<α′<α+β)以推動翻斗槽輪從而驅動繭斗,繭斗翻轉后停滯時間t,然后撥銷反轉,即繭斗復位過程,復位過程與翻轉過程相似,撥銷反轉角度α′撥動翻斗槽輪反轉實現繭斗復位。

2.2 止鎖凸輪設計

繭斗在初始位置時,機構送繭時在運動過程中可能會使繭斗產生一定的抖動和慣性等影響,使繭斗繞繭斗軸發生一定幅度擺動甚至在任意位置發生繭斗翻轉現象使繭水混合物在非倒繭位置灑落,為避免這一現象發生,設計了繭斗鎖定機構,該機構需要在倒繭時解鎖,其他狀態處于鎖定狀態。

如圖3(a),繭斗處于初始鎖定狀態,繭斗擺桿上的止鎖銷被卡在滑動鎖扣的鎖槽內,繭斗被鎖定。第一階段,系統接收倒繭指令倒繭時,止鎖凸輪先隨從動齒輪轉動,這一階段對于翻斗槽輪是空行程,但對于止鎖凸輪是解鎖行程,如圖3(b),轉動過程中止鎖凸輪處于推程階段,滑動鎖扣在凸輪推動下左移解鎖,圖3(b)中雙點畫線所示位置;第二階段,止鎖凸輪仍然處于解鎖狀態,從動齒輪撥銷撥動翻斗槽輪使繭斗翻轉倒繭;第三階段,當繭斗完成翻轉倒繭動作后,系統控制繭斗復位,此時減速電機反轉,這一階段減速電機先做空行程運動,當撥銷隨從動齒輪轉動至翻斗槽輪槽口端部時,撥銷撥動翻斗槽輪進行反轉,使繭斗完成復位運動,止鎖銷隨繭斗擺桿運動至滑動鎖扣的鎖槽內,同時止鎖凸輪回程運動,滑動鎖扣復位將止鎖銷卡在鎖槽內鎖定繭斗,至此完成一次送繭、倒繭動作。

1.繭斗;2.滑動鎖扣;3.止鎖銷;4. 繭斗擺桿;5.止鎖凸輪;6. 繭斗限位柱。

基于上述原理設計止鎖凸輪。止鎖銷直徑為d,則滑動鎖扣行程L≥d時,繭斗才能解除鎖定。故凸輪的行程h=L≥d,且由上述繭斗倒繭過程分析,在第一階段,止鎖凸輪隨從動齒輪轉動角度α,此過程為解鎖階段,解鎖凸輪處于推程階段;第二階段為繭斗翻轉倒繭過程,本階段滑動鎖扣仍處于解鎖狀態,且此階段止鎖凸輪隨從動齒輪轉動角度β,同時滑動鎖扣保持解鎖狀態不變,因此,止鎖凸輪此階段應處于遠休止角,直到第三階段完成倒繭后繭斗復位。

由上述分析,止鎖凸輪推程角Φ1≤α,且推程角與遠休止角之和不小于α+β,即(Φ1+Φ2)≥(α+β),以保證滑動鎖扣在繭斗復位前處于解鎖狀態。

如圖4(a)為滑動鎖扣位移線圖,有效位移為S1—S2—S3段,由于繭斗工作時隨繭斗軸周期性擺動,S3—S2—S1為繭斗復位過程,為了減小壓力角和避免剛性沖擊,對圖4(a)中位移曲線做如圖4(b)所示優化。

圖4 止鎖凸輪轉角與滑動鎖扣位移線Fig.4 Locking camangle and locking plate displacement diagram

凸輪與從動件的裝配需要考慮偏心距以減小從動件工作過程的最大壓力角,改善機構傳力性能。偏心距e不宜過大,一般近似取為:

(1)

式中:vmax、vmin分別為從動件工作行程最大和最小線速度;w1為凸輪的角速度。

根據式(1)選擇偏心距為e=13 mm。

因為本設計止鎖凸輪機構受力不大,且要求機構緊湊,應選取較小的基圓半徑。從動齒輪轉動角度α需滿足:

(2)

對于移動從動件,許用壓力角[α]=30°～38°,取α=[α],應使:

(3)

根據式(3),選取凸輪基圓半徑rb=25 mm。

根據圖4(b)中滑動鎖扣位移線圖,繪制出止鎖凸輪的廓線,其中S1—S2—S3為有效廓線,止鎖凸輪結構設計為如圖5所示對稱結構。

圖5 止鎖凸輪Fig.5 Locking cam

2.3 凸輪壓力角

凸輪壓力角在凸輪機構中對機構運動及受力有重要影響[7],凸輪壓力角一般不能超出極限數值,當壓力角過大或過小時都會對機構產生影響。本設計中止鎖凸輪工作過程中各點壓力角的變化情況如圖6中曲線所示。根據機構各零部件的強度、剛度、零件之間的摩擦和零件的制造精度,推薦許用壓力角為:直動從動件為[α]=30°～38°,擺動從動件為[α]=40°～45°[8]。本文中從動件滑動鎖扣為直動從動件,許用壓力角區為[α]=30°～38°[9]。結合圖6,止鎖凸輪和滾子之間的壓力角在合理范圍內,具有良好的傳力特性,結構設計合理。

圖6 止鎖凸輪壓力角曲線Fig.6 Pressure angle curve of the locking cam

2.4 繭斗倒繭工藝過程

送繭小車實際工況的工藝過程如圖7所示。當送繭小車啟動后,空載的送繭小車進入繭站等待加繭,如圖7(a)所示;煮熟繭由煮繭機出繭口輸出加入送繭小車繭斗中,同時出水口向繭斗內加水,如圖7(b)所示;加繭后滿載的送繭小車出站沿軌道運行輸送煮熟繭,如圖7(c)所示;當收到繅絲機崗位要繭信號后,送繭小車停車、繭斗翻轉將繭水混合物倒入崗位接繭斗通過管道進入繅絲機,如圖7(d)所示,至此該送繭小車完成一次送繭任務,繭斗復位后送繭小車繼續運行,返回至繭站進行下一次送繭任務。

本文設計內容為繅絲企業煮熟繭輸送提供了新的方式,實現了倒繭過程的自動化,提高了企業生產效率,為繭絲綢行業的技術創新提供了解決方案。

圖7 翻斗裝置工藝過程Fig.7 Process of the bucket-tipping device

3 機構分析與實驗

3.1 繭斗重心位置分析

繭斗中裝載繭水混合物體積為8～12 L,本文分析了繭斗裝載10 L繭水混合物時繭斗重心在倒繭過程中的變化情況。倒繭過程繭斗重心范圍示意如圖8所示。

圖8中θ1和θ2為繭斗裝載倒繭時重心變化范圍。繭斗在初始狀態,重心位于繭斗軸左側,此時繭斗有逆時針轉動趨勢,圖8中繭斗后限位塊提供支承,繭斗保持為穩定態。倒繭時,減速電機驅動傳動機構使繭斗翻轉,則在倒繭過程中繭斗軸、傳動機構和減速電機均受到負載作用,且繭斗在翻轉過程其轉速受減速電機控制,不利于繭水混合物完全落下。

1.從動齒輪;2. 翻斗槽輪初始位置;3.繭斗后限位塊;4.撥銷初始位置;5.繭斗初始位置;6.繭斗極限位置;7.撥銷極限位置;8. 翻斗槽輪極限位置;9. 繭斗限位柱。

為降低減速電機受負載行程且有利于繭水混合物落下,采用2.1所述翻斗槽輪間歇機構,在后段行程利用繭斗自身重力使其翻轉。當繭斗在電機驅動下發生順時針翻轉時,繭斗重心隨轉動而發生變化,當繭斗翻轉到一定角度時,繭斗內物料倒出,隨著繭斗翻轉和物料倒出,繭斗重心發生變化。如圖8,當撥銷隨從動齒輪轉動到撥銷極限位置7時,繭斗被撥動旋轉角度θ(θ>θ1)后,繭斗重心運動至繭斗軸右側,此時從動齒輪停止轉動,撥銷對翻轉槽輪不再施加載荷,繭斗受重力作用翻轉,在重力作用下繭斗重心快速變換,繭斗加速旋轉,有利于物料全部倒出。繭斗翻轉到繭斗翻轉限位柱處被截停,隨后電機反轉,將繭斗復位。

但在前θ1行程范圍內,繭斗軸仍需為繭斗翻轉提供足夠的扭矩使繭斗克服重力作用發生順時針轉動,此過程繭斗軸需要承受一定的剪切應力同時發生彈性變形,在下節對其結構和扭矩進行分析。

3.2 繭斗軸設計分析

軸的設計和其他零件相似,包括結構和工作能力兩方面內容,軸的設計不合理,會影響軸的工作能力和軸上零件工作可靠性及加工裝配困難。軸的工作能力指軸的強度、剛度、震動穩定性等[10]。

由于繭斗軸上零件主要受周向載荷,基本不受軸向載荷,故翻斗槽輪等在繭斗軸上采用緊定螺釘固定,從動齒輪、止鎖凸輪等零件在繭斗軸上空套連接,繭斗軸選擇外徑D=20 mm,內徑d=16 mm,長度L=500 mm的結構。

現主要分析3.1所述繭斗軸在繭斗翻轉受扭矩作用時的載荷情況。按照軸的扭矩校核軸的強度,軸的扭矩強度條件為:

(4)

式中:τT為扭轉切應力,MPa;T為軸所受扭矩,N·mm;WT為軸的抗扭截面系數,mm3;n為軸的轉速,r/min;P為軸的傳遞功率,kW;d為計算截面處軸的直徑,mm;[τT]為許用扭轉切應力,MPa。

選取[τT]為30 MPa,減速電機轉速為60 r/min,功率為P0=5 W,d=20 mm。

由3.1中繭斗重心位置和繭斗滿載時重力為120N計算出繭斗在初始位置對于繭斗軸的扭矩為:

T=G·L=120×30.15=3618 N·mm

(5)

空心軸的抗扭截面系數WT為(m=d1/d):

(6)

由式(4)計算繭斗軸扭轉切應力為:

τT=3.8300 MPa≤[τT]=30 MPa

所以繭斗軸在倒繭初始階段受到最大扭轉切應力為3.8300 MPa,在許用扭轉切應力范圍內,所以繭斗軸結構安全合理。

3.3 試驗結果分析

以中試企業為例,本文設計翻斗裝置搭載在送繭小車上,以24輛送繭小車為一套,在控制系統的調控下為6組自動繅絲機輸送煮熟繭,具體裝置數量可根據企業生產規模配置。生產過程中,每輛送繭小車搭載翻斗裝置在控制系統的調控下循環進行2.4節中所述送繭過程。為驗證該裝置與繅絲機生產情況的適應性,在企業進行了中試試驗,運行結果數據如表1所示。

表1 送繭裝置中試數據Tab.1 Pilot data of the cocoon feeding device %

送繭小車根據設定權值為各繅絲機崗位送繭,表2中數據為分3個工作日統計的送繭數據,輸送誤差最大值為1.31%,在允許范圍內,可見送繭小車對于不同生產速度繅絲機的送繭量均衡性較好。

中試企業人工送繭兩班需要6名送繭工,送繭工利用繭車和繭桶運送煮熟繭,將煮熟繭運送至繅絲機的車頭位置后,將裝有煮熟繭的繭桶碼垛在車頭旁,如圖9所示,如果繅絲機在下一次送繭之前不能消耗掉存放的煮熟繭,舊繭會有可能被碼垛在新繭下面,導致舊繭待繅時間延長,不利于熱繭熱繅。而送繭小車的使用可以代替6名送繭工,實現了煮熟繭的自動化輸送和即送即用,提高了生產效率。

圖9 人工送繭Fig.9 Manual cocoon feeding

4 虛擬樣機設計

4.1 建模分析

由前述分析,為了驗證設計凸輪間歇機構的可行性,本文在三維設計軟件NX環境下建立凸輪間歇機構的虛擬化樣機,如圖10所示。為了使凸輪間歇翻斗機構能夠正常工作,各零部件之間需要滿足一定的裝配關系。

圖10 基于NX的翻斗輸送機構虛擬樣機Fig.10 Virtual prototype of bucket-tipping conveying mechanism based on NX

凸輪及齒輪主要通過軸孔連接,其中主動齒輪齒數z1=58,從動齒輪齒數z2=70。傳動比為i=70/58,齒輪之間通過齒輪副配合,凸輪與滾子之間通過3D接觸建立聯系,繭斗擺桿組合件、凸輪及齒輪與繭斗軸利用同軸約束定位。在NX裝配環境中對零部件進行搭建得到如圖10的料斗輸送機構虛擬樣機。

在NX運動學仿真環境下對機構進行仿真,機構運行狀態良好。

4.2 繭斗軸扭轉強度分析

在翻斗機構工作過程中,繭斗軸受到的扭矩最大,為驗證繭斗軸設計合理性,對其進行有限元分析,模擬其真實工作過程中的受力情況和截面切應力情況。根據3.2中繭斗軸結構參數,利用Ansys分析軟件進行實際工況模擬。分析具體步驟為:

a)首先將要分析的部件模型導入Ansys-Workbench靜力學分析模塊;

b)第二步為模型賦予材料屬性;

c)對模型進行網格劃分,網格有四面體、六面體、金字塔等不同類型,本文采用六面體網格進行劃分,網格劃分越精細,結構越精確,需要分析計算的信息量越大,在劃分網格時根據實際需要和計算機性能選擇合適的精度即可[11];

d)對目標結構添加約束和載荷條件,即模擬結構的支撐和受力情況;

e)選擇需要分析的結果類型并進行計算。

經過以上分析得到結構變形圖和應力分布圖,分析結構及結果見圖11、圖12。

圖12 基于AnsysWorkbench的繭斗軸應變Fig.12 Strain diagram of cocoon shaft based on AnsysWorkbench

如圖11、圖12,繭斗軸在工作過程中,所受最大切應力為3.8973 MPa,與3.2中理論計算結果3.8300 MPa接近,且最大形變為0.0033 mm,在合理范圍內,故繭斗軸強度在安全范圍內[12]。

5 結 語

本文設計了翻斗式固液混合物料輸送裝置的翻斗裝置,利用減速電機驅動,傳動齒輪傳遞扭矩至止鎖凸輪,間歇機構中從動齒輪上的撥銷在止鎖凸輪解鎖繭斗擺桿后撥動翻斗槽輪實現了繭斗的翻斗卸料和復位功能,同時鎖定機構保證了翻斗機構在運行過程中的穩定性和安全性。本裝置實現了送繭小車輸送物料時的自動卸料及料斗復位功能,替代了人工搬運的傳統模式、降低了勞動強度、提高了輸送速度。經過理論計算確定凸輪的廓線和繭斗軸的結構尺寸,通過理論計算和基于Ansys-Workbench對繭斗軸進行強度校核。在NX軟件運動學仿真環境下對翻斗裝置進行仿真,實現了繭斗的翻轉倒繭及復位功能。本研究為繅絲企業提供了新的煮熟繭輸送方式,提高了生產效率。