煙機推手機構的動力學建模及仿真

摘要：目的：為滿足某推煙包裝機工藝設計要求，傳送速度達到1000包/min。方法：對原推煙機構（以下稱為推煙機構Ⅰ型）進行機構拆解，并建立其動力學模型，同時對其進行動態(tài)分析。結果：通過分析不同速度下推手機構的位移、速度、加速度的運動曲線圖，獲得推手F處X，Y兩個方向的速度分量V61和V62，為使機構平穩(wěn)運行，必須優(yōu)化設計，使得推手在該點處的加速度為0。

關鍵詞：推手機構;動力性模型;動態(tài)分析

0 ?引言

煙草包裝機（Ⅰ型）是目前國際煙草企業(yè)廣泛運用的主流包裝機，為上個世紀從國外引入的產(chǎn)品。由凸輪連桿機構、四桿機構、曲柄連桿機構、五桿機構構成的推手機構是本文中研究的重點。

1 ?推手機構的結構及原理

煙草高速包裝機（Ⅰ型）是由煙庫、煙支輸送導軌、鋁箔紙系統(tǒng)和卷筒供給系統(tǒng)、鋁箔煙包折疊推手、商標煙包輸送導軌、第一干燥輪、煙包輸送輪和第二干燥輪等組成。各機構進行彈性連接并平穩(wěn)運行，每分鐘可傳送600-1000包香煙，工作狀況良好。

2 ?對推手機構進行動力學建模

本文采用凱恩動力學方程對推手機構進行動力學建模，凱恩動力學方程具體描述見王紅英的《平面五桿機構運動學和動力學特性分析》參考文獻，文獻詳細給出了凱恩動力學建模的概念和表達式，參考文獻建立本文中推手機構的動力學模型，文中分別建立了曲柄滑塊機構的動力學模型，四桿機構和五桿機構的動力學模型。

2.1 曲柄滑塊機構動力學模型建立

對曲柄滑塊機構進行建模，如圖1所示。

受力分析：

對滑塊加作用力分析，可列方程式：

2.2 四桿機構的動力學模型建立

四桿機構其受力分析圖如圖2所示。對搖桿4加作用力分析，其方程式為：

聯(lián)立式（4）～式（6），可求解出各未知力。

2.3 ?五桿機構的動力學模型建立

建立平面五桿機構的受力分析簡圖，采用如上相似的方法可得出：

在推手機構運動的過程中，我們要盡可能的減少推手處F點的速度，即減少推手F點X，Y兩個方向的分量速度v61和v62的數(shù)值。

3 ?計算實例

本文參照之前對推手機構的研究方法，在凸輪機構處填加動力源，根據(jù)之前的研究經(jīng)驗，推手每分鐘傳送600包香煙的速度比較緩慢，推手的運動比較平穩(wěn)，其噪聲和振動對推手機構的影響較小，因次，在本文中直接對每分鐘傳送800包和1000包香煙進行研究，即設置主軸每分鐘轉動400轉和500轉，點擊運行。分別獲得推手每分鐘傳送400包和500包香煙的位移、速度、加速度的運動曲線圖。（圖3）

推手推煙過程主要由6個階段組成，包括取煙、送煙、推煙、回轉、避讓及回程。在取煙過程中，煙支在傳送帶的作用下從煙庫中取出，為了減少煙支在此過程過程中受到的損傷，煙支與傳送帶之間的最佳角度應為90度。推煙階段，是一個合成運動，包括煙支的自身運動及推手對煙支的推送運動。在推煙機構傳送過程中，為了防止推煙運動過程中損壞己傳送的煙支，推手需先朝后上方運行一段距離。

分析加速度的變化情況，每分鐘傳送1000包香煙時其加速度突變更大，且加速度運動呈不規(guī)律分布。表示在推手F點處慣性力突變大，振動大。因此參考前面的動力學模型建立，我們需要找到平衡點——速度最大點。

在推煙進程中，為保證煙支完好無損，我們就得較低推手接近煙支時的速度，即對應前面的推導，我們要盡量減小推手F點X，Y兩個方向的分量速度v61和v62，這就需要我們借助數(shù)學編程對推手機構進行優(yōu)化設計。

4 ?結論

推煙包裝機推手機構是凸輪和連桿機構組合而成的復雜凸輪連桿的機構，文章采用單自由度的方法對推手機構進行動力學模型建立，最終獲得推手F點X，Y兩個方向的目標值v61和v62的數(shù)學表達式，我們可借助軟件編程獲得相關的計算量，同時可滿足工程實際需求，用數(shù)值計算法進行推手處位移、速度、曲線的分析，可以獲得推手處姿態(tài)的運行曲線圖，為下一階段進行新型機構的設計奠定了理論基礎。

參考文獻：

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作者簡介：田曉鴻（1984-），女，陜西榆林人，碩士，講師，西安航空職業(yè)技術學院，主要研究方向為包裝機械、新能源汽車技術。