基于UG對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真

王 勇，葉自旺，蘆 迪，董 振，馬彥杰

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

基于UG對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真

王 勇，葉自旺，蘆 迪，董 振，馬彥杰

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

目前，木薯的拔起工作大部分仍然采用手工方法進(jìn)行，雖有大型的木薯采收裝置，但不太適合于廣東、廣西、貴州等地區(qū)的丘陵地帶，且大型設(shè)備的投入成本高，在農(nóng)村地區(qū)的產(chǎn)品推廣存在著很大的阻力。為了解決農(nóng)民收獲木薯過程中手工收獲速度慢、容易傷手等問題，提出了一種臥式杠桿木薯拔起裝置的機(jī)械，并在此之前申請(qǐng)了國家發(fā)明專利。運(yùn)用UG對(duì)該機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)木薯拔起的機(jī)械化夾持與拔起，以降低木薯拔起的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能夠提高木薯采收效率、木薯種植業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品化水平，滿足木薯產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)需求。

木薯拔起裝置；運(yùn)動(dòng)仿真；UG

0 引言

木薯是一種用作飼料和提取淀粉的原材料，提取產(chǎn)物廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)及非食品工業(yè)，需求極大，但是目前木薯的拔起工作主要依靠手工，且木薯主要種植在山地等地，土地緊實(shí)，不易拔起，單純依靠手工拔起勞動(dòng)強(qiáng)度大，采收效率低，純手工的木薯采收難以滿足日益增長(zhǎng)的木薯需求。

為了解決純手工的木薯采收勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，提出了一種臥式杠桿木薯拔起裝置。為應(yīng)對(duì)在實(shí)際拔起過程中木薯稈的夾持及方向問題，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行了較好的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了木薯夾持工作的自鎖功能及拔起的多自由度，并為需要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，確定該機(jī)械的可行性設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際中對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來優(yōu)化該裝置的結(jié)構(gòu)及零部件的尺寸，保證臥式杠桿木薯拔起裝置的拔起力和采收率，在滿足社會(huì)需求的情況下，實(shí)現(xiàn)木薯拔起的機(jī)械化夾持與拔起。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臥式杠桿木薯拔起裝置主要由3部分組成，分別為雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機(jī)構(gòu)及多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)。其中，雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)能夠利用外嚙合齒輪轉(zhuǎn)向相反的原理實(shí)現(xiàn)裝置的夾持工作；蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒆饔迷诎咽稚系牧νㄟ^蝸輪蝸桿帶動(dòng)雙齒輪的夾持工作，同時(shí)還能夠利用其自身具有的自鎖功能，使得夾持機(jī)構(gòu)能夠緊緊地夾持住木薯?xiàng)U；多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)則處于裝置的底部，用于實(shí)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中需要在水平和垂直方向上的調(diào)整。運(yùn)用三維造型軟件UG對(duì)其進(jìn)行三維造型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.把手 2.蝸桿 3.右軸承座 4.轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 5.支撐板 6.彈簧 7.彈簧連接桿 8.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 9.導(dǎo)槽 10.支架 11.后輪 12.前輪 13.軸承 14.從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 15.齒輪固定板 16.右夾持手柄 17.從動(dòng)齒 18.左夾持手柄 19.主動(dòng)齒 20.主動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸 21.蝸輪 22.左軸承座圖1 臥式杠桿木薯拔起裝置的三維造型Fig.1 The three-dimensional model of the horizontal lever cassava pull up device

1.2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

1.2.1 雙齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于需要保持兩夾持手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，其傳動(dòng)比應(yīng)該要滿足以下要求，即

式中z1—主動(dòng)齒的齒數(shù)；

z2—從動(dòng)齒的齒數(shù)；

i12—主動(dòng)齒對(duì)從動(dòng)齒的傳動(dòng)比。

經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算后，最終確定了該雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 雙齒輪的主要參數(shù)

1.2.2 蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到蝸輪蝸桿在實(shí)際工作中傳動(dòng)平穩(wěn)性及蝸輪滾刀切制蝸輪時(shí)產(chǎn)生根切與干涉的問題，將蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)成如表2所示的參數(shù)。

表2 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)

其中，傳動(dòng)比的計(jì)算如下，即

式中z3—蝸桿的頭數(shù)；

z4—蝸輪的齒數(shù)；

i34—蝸桿對(duì)蝸輪的傳動(dòng)比。

1.2.3 關(guān)鍵部分的傳動(dòng)比計(jì)算

在上面對(duì)雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)及蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)參數(shù)中得到了雙齒輪、蝸輪及蝸桿的齒數(shù)(頭數(shù))的具體數(shù)據(jù)，由此可得到運(yùn)動(dòng)的輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速比。由于蝸輪與從動(dòng)齒連接在同一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，則其公式為

式中z3—蝸桿的頭數(shù)；

z4—蝸輪的齒數(shù)；

i34—蝸桿對(duì)蝸輪的傳動(dòng)比；

i31—蝸桿對(duì)主動(dòng)齒的傳動(dòng)比。

1.3 臥式杠桿木薯拔起裝置的工作原理分析

臥式杠桿木薯拔起裝置是一種能夠?qū)崿F(xiàn)木薯拔起的機(jī)械化夾持與拔起的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，其整體運(yùn)動(dòng)是靠人力推動(dòng)把手使得該裝置向前運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙齒輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該裝置的夾持運(yùn)動(dòng)。通過以轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸心為支點(diǎn)，作用在把手上的力為主動(dòng)力，作用在夾持手柄上的力為阻力，實(shí)現(xiàn)裝置的拔起功能。

在雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)中，用右轉(zhuǎn)動(dòng)夾持手柄調(diào)節(jié)螺栓和左轉(zhuǎn)動(dòng)夾持手柄調(diào)節(jié)螺栓，使得右夾持手柄和左夾持手柄分別與從動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸和主動(dòng)齒轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接在一起，使得夾持手柄隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；利用外嚙合齒輪的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的特點(diǎn)，當(dāng)主動(dòng)齒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左夾持手柄和右夾持手柄會(huì)靠近，從而進(jìn)行木薯?xiàng)U的夾持工作。

在蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機(jī)構(gòu)中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙齒輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該裝置的夾持運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，利用蝸輪蝸桿的自鎖原理，可以將木薯?xiàng)U緊緊地夾持住，方便木薯的拔起工作。此外，通過往下壓把手，以轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸心為支點(diǎn)，作用在把手上的力為動(dòng)力，作用在夾持手柄上的力為阻力，形成一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)木薯的拔起工作。

在多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用，可以實(shí)現(xiàn)鉛直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)木薯的拔起運(yùn)動(dòng)；通過導(dǎo)槽輪在左導(dǎo)槽和右導(dǎo)槽的滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的作用，實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而在夾緊木薯?xiàng)U的情況下，左右擺動(dòng)把手，使得木薯?xiàng)U的根部松動(dòng)，便于進(jìn)行拔起工作。此外，還能夠利用彈簧的彈性作用實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)復(fù)位功能。該裝置的多自由度設(shè)計(jì)能夠滿足絕大部分的社會(huì)的生產(chǎn)需要，具有很好的應(yīng)用前景。

2 對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的動(dòng)態(tài)仿真

在UG中做好三維造型后直接在UG中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，其目的在于驗(yàn)證機(jī)械的可運(yùn)行性及是否存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的零件干涉問題。模擬該裝置在實(shí)際使用過程中的運(yùn)動(dòng)情況，從而優(yōu)化臥式杠桿木薯拔起裝置的結(jié)構(gòu)。圖2中，對(duì)裝置的整體進(jìn)行了仿真約束，主要對(duì)其在實(shí)際工作中所具有的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，真實(shí)再現(xiàn)了臥式杠桿木薯拔起裝置的工作環(huán)境。整體仿真約束如圖2所示。

圖2 臥式杠桿木薯拔起裝置仿真約束圖Fig.2 The graph of the horizontal lever cassava pull up device simulation

2.1 主要工作部位的動(dòng)態(tài)仿真

蝸輪蝸桿及雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持部分是裝置的重要組成部分。蝸輪蝸桿的自鎖作用能夠使得裝置緊緊地夾緊木薯?xiàng)U，方便木薯的夾持和拔起工作；而雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持部分則利用外嚙合傳動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，實(shí)現(xiàn)夾持手柄的夾持作用。在圖2中對(duì)裝置的整體進(jìn)行了仿真約束，著重對(duì)該裝置的蝸輪蝸桿及雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持部分進(jìn)行分析，以此得到了臥式杠桿木薯拔起裝置的夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)范圍，如圖3所示。

圖3 雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度范圍圖Fig.3 The figure of rotation angle range in the Pairs of gear drive clamping cassava pull up

對(duì)夾持手柄進(jìn)行安全計(jì)算以及夾持手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)干涉的分析，其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為

φ=254.6°-201.2°=53.4°

式中φ—單個(gè)夾持手柄的旋轉(zhuǎn)角度。

2.2 裝置的整體動(dòng)態(tài)仿真

對(duì)裝置的主要零部件分析之后，著重對(duì)裝置的整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。本文從兩個(gè)方面對(duì)裝置的整體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，一是水平方向上的動(dòng)態(tài)仿真；二是在鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)仿真。

2.2.1 裝置的水平方向上的動(dòng)態(tài)仿真

水平方向上，對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置進(jìn)行微調(diào)及左右擺動(dòng)把手，能夠搖動(dòng)木薯?xiàng)U根部，使得木薯稈根部松動(dòng)，有利于提高臥式杠桿木薯拔起裝置的整體適用性及滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求；水平方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要是由于軸承座圈的作用，通過人對(duì)把手施加力矩，從而使得臥式杠桿木薯拔起裝置能夠在水平方向上進(jìn)行調(diào)整及實(shí)現(xiàn)木薯稈根部松動(dòng)。在水平方向上，考慮到臥式杠桿木薯拔起裝置的干涉及人對(duì)把手的擺動(dòng)范圍，經(jīng)過UG的運(yùn)動(dòng)仿真后，得出的臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉(zhuǎn)范圍，如圖4所示。

圖4 臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉(zhuǎn)范圍圖Fig.4 The rotation range graph of the horizontal lever cassava pull up device in the horizontal direction

圖4中,由于只模擬了1/2的旋轉(zhuǎn)范圍，則由圖4可以得到臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉(zhuǎn)范圍為

θ=2×(30°-0°)=60°

其中，θ為臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉(zhuǎn)范圍。

2.2.2 裝置的鉛直方向上的動(dòng)態(tài)仿真

在鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)是裝置的主運(yùn)動(dòng)，起到裝置的調(diào)整與拔起作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到夾持手柄在鉛直方向上的旋轉(zhuǎn)范圍及整體裝置的強(qiáng)度問題。在多自由度木薯拔起機(jī)構(gòu)中，通過往下壓把手，以轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸心為支點(diǎn)，作用在把手上的力為動(dòng)力，夾持手柄上的力為阻力，形成一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)木薯的拔起工作。在充分利用杠桿原理的同時(shí)，還應(yīng)盡量使得裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理，符合實(shí)際的生產(chǎn)要求。利用UG對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)仿真的旋轉(zhuǎn)范圍，如圖5所示。

圖5 臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的旋轉(zhuǎn)范圍圖Fig.5 The rotation range graph of the horizontal lever cassava pull up device in the vertical direction

圖5中，標(biāo)出的兩個(gè)極點(diǎn)的角度范圍即是臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)仿真的旋轉(zhuǎn)范圍，其值為

φ=196.7°-132.8°=63.9°

其中，φ為臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)仿真的旋轉(zhuǎn)范圍。

3 對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的仿真結(jié)果分析

在仿真運(yùn)動(dòng)的過程中，充分考慮了零件干涉以及實(shí)際工況會(huì)出現(xiàn)的各種問題，由此得出了的雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度范圍圖(見圖3)，可從中得出雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～53.4°。此處的最大值為夾持手柄為極限位置，但在實(shí)際的工作中極少情況會(huì)用到那么大的夾持角度。若以最大角度，由于運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，此時(shí)需要旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的圈數(shù)為

那么，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)在0～4.15圈之間。在實(shí)際的測(cè)試中，由于需要的雙齒輪驅(qū)動(dòng)夾持木薯拔起機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度范圍很小(20°左右)，那么此時(shí)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為

式中r，—實(shí)際需要的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；

φ，—實(shí)際測(cè)量中單個(gè)夾持手柄的旋轉(zhuǎn)范角度。

4 對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置的實(shí)驗(yàn)及分析

經(jīng)過對(duì)木薯生活環(huán)境及生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行研究，不斷優(yōu)化產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)，確定各零件的具體數(shù)值及裝配工藝，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和采收效率測(cè)試，以保證臥式杠桿木薯拔起裝置的采收效率明顯高于人工采收且能夠最大限度減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)臥式杠桿木薯拔起裝置進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，可得到該裝置采收的速度為10～15s/棵木薯，采收木薯的速度比純手工采收快將近兩倍，且臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好、夾持力度大，對(duì)木薯的夾持及拔起有很好的適應(yīng)性。其實(shí)物圖如圖6、圖7所示。

圖6 臥式杠桿木薯拔起裝置整體實(shí)物圖Fig.6 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the overall physical diagram

圖7 臥式杠桿木薯拔起裝置部分實(shí)物圖Fig.7 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the portion physical diagram

5 結(jié)論

經(jīng)過仿真及對(duì)裝置的實(shí)地測(cè)試可知:臥式杠桿木薯拔起裝置具有良好的工作可靠性和適應(yīng)性，其實(shí)際工作效率10～15s/棵木薯，是純手工采收的將近兩倍。同時(shí)，臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好，夾持力度大，對(duì)木薯的夾持及拔起有很好的適應(yīng)性，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工的優(yōu)勢(shì)，可滿足社會(huì)生產(chǎn)需要，極具發(fā)展前景。

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Based on the UG for the Horizontal Lever Cassava Pull up Device Design and Movement Simulation

Wang Yong, Ye Ziwang, Lu Di, Dong Zhen, Ma Yanjie

(College of Mechanical Engineering , Guangxi University , Nanning 530004 , China )

Currently, cassava pull up the bulk of the work is still using the manual method, although there is a large cassava harvesting device, but these large equipment is not suitable for the foothills of the Guangdong , Guangxi , Guizhou and other regions, and large equipment investment cost is high, the product promotion in rural areas there are a lot of resistance. In order to solve the farmers harvest cassava manual harvesting in the process of slow speed, easy to hurting hands, etc., this paper puts forward a horizontal lever cassava pull up device of machinery, and before applying for the national invention patent, this paper will use UG to the mechanical design and simulation movement, realizes the mechanization of cassava pull up clamping and pull up and reduce the labor intensity of cassava pull up, at the same time also can improve the efficiency of cassava harvest, improve the economic benefits of cassava crop production and the production level, meet the growth needs of cassava.

cassava pull up device; motion simulation; UG

2016-12-05

地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目(51465005)

王 勇(1972-)，男，湖南安化人，講師，碩士，(E-mail)wangy72@gxu.edu.cn。

董 振(1981-)，男，安徽宿州人，工程師，(E-mail)cybhdz508@163.com。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0014-05