蘆葦高立式沙障成束裝置孔隙率控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗

張洚宇， 葛 云， 鄭一江， 余鵬飛

(1. 石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000； 2. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院, 北京 100083)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，道路建設(shè)與防護(hù)一直以來是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重中之重，沙區(qū)道路一直以來飽受風(fēng)沙威脅，現(xiàn)南疆塔里木盆地南緣在建的和若鐵路正面臨著嚴(yán)重的風(fēng)沙困擾.目前，沙區(qū)道路的阻沙主要采用高立式沙障和草方格結(jié)合的方式，研究[1]表明，蘆葦高立式沙障第1年阻沙率達(dá)80%，到第5年仍有60%，是一種有效且經(jīng)濟(jì)實(shí)用、無污染的阻沙護(hù)路設(shè)施.蘆葦高立式沙障要求具有一定的疏透性才能既起到阻沙作用，又保持足夠長的阻沙壽命.高立式沙障疏透性是用孔隙率(柵欄孔隙面積與柵欄總面積之比)來評價和設(shè)計的，現(xiàn)階段蘆葦高立式沙障的制作全部依靠人工操作，孔隙率也由人工控制完成，費(fèi)力耗時，成本高昂，急需機(jī)械化代替.

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對鋼筋、鋼管等物料的機(jī)械化捆扎已有相關(guān)研究，如日本公司美克司株式會社研究設(shè)計了手持式建筑鋼筋施工捆扎機(jī)械[2]，解決了十字交叉狀剛性物料的捆扎問題；美國的SIGNODE公司研究了鋼管捆扎機(jī)械[3]，便于解決鋼管的運(yùn)輸和存放；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)韓魯佳團(tuán)隊[4]研究了D型打結(jié)器結(jié)構(gòu)的分析與參數(shù)優(yōu)化，用于秸稈等打包的捆扎;文獻(xiàn)[5]研制了粽子捆扎裝置，提高了粽子捆扎的機(jī)械化效率.綜上可知，現(xiàn)有捆扎機(jī)械主要解決了特定物料的機(jī)械化捆扎，但研究成果主要集中在如何提高打結(jié)器的打結(jié)效果和長時間運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的研究，關(guān)于打結(jié)之后物料和物料之間關(guān)系的研究相對較少，文中設(shè)計的蘆葦高立式沙障要求先對松散蘆葦捆扎成小束，再將蘆葦束連接成滿足一定孔隙率要求的高立式沙障，而現(xiàn)有機(jī)械不能直接應(yīng)用于蘆葦高立式沙障成束及孔隙率控制.因此文中提出一種既能實(shí)現(xiàn)蘆葦機(jī)械化成束，又能保證孔隙率要求的“推送-打結(jié)”裝置，可顯著提高滿足孔隙率要求的蘆葦高立式沙障制作效率，為風(fēng)沙區(qū)機(jī)械阻沙的規(guī)?；l(fā)展提供參考.

1 蘆葦高立式沙障結(jié)構(gòu)參數(shù)與分析

蘆葦高立式沙障是有效的阻沙結(jié)構(gòu)之一，編排在鐵路等重要的基建周邊，如圖1所示，用來降低沙礫遷移帶來的負(fù)面影響.

研究[1]表明，具有一定孔隙率的蘆葦高立式沙障防沙效果十分理想，孔隙率過低，風(fēng)沙吹到沙障導(dǎo)致風(fēng)停沙落，沙礫全部堆積在沙障底部，導(dǎo)致沙障使用年限大幅降低，孔隙率過大又不能有效降低風(fēng)速，致使沙障功能喪失，因此適當(dāng)?shù)目紫堵蕦μJ葦高立式沙障至關(guān)重要.

目前的蘆葦高立式沙障的制作分3步： ① 將散亂的蘆葦用鐵絲捆扎成束； ② 在需求地布置較粗的鐵絲為沙障骨架； ③ 由人工把蘆葦束按照所要求的孔隙間距排列編織到鐵絲骨架上，形成高立式沙障.

圖1 蘆葦高立式沙障結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)蘆葦高立式沙障孔隙率要求，對孔隙率推送機(jī)構(gòu)功能分析如下： ① 推送機(jī)構(gòu)的行程要滿足孔隙率間距的要求，因為鐵絲回彈影響，每次推程距離稍大于a+b，a為高立式蘆葦沙障孔隙間距，b為高立式蘆葦沙障單束蘆葦?shù)闹睆剑?② 采用緩?fù)品桨?，降低蘆葦擠傷率； ③ 推送機(jī)構(gòu)具有急回特性，節(jié)約時間.

本項目采用凸輪推桿機(jī)構(gòu)作為孔隙率推送機(jī)構(gòu)核心執(zhí)行部件.研究的目標(biāo)為孔隙率在50%左右的高立式沙障，蘆葦束直徑在(35±5)mm.

2 主體結(jié)構(gòu)與孔隙率控制原理

2.1 主體結(jié)構(gòu)

裝置主要由推送弧片、凸輪、推桿、擰絲虎口、擋鐵組成，如圖2所示.

圖2 孔隙率控制機(jī)構(gòu)示意圖

蘆葦高立式沙障制作機(jī)械采用一邊打結(jié)捆扎，一邊控制兩捆蘆葦束之間的孔隙間距的工作方式，形成喂入—推送—捆扎—喂入的工作循環(huán)，最后實(shí)現(xiàn)連續(xù)的具有固定間距孔隙的蘆葦束沙障的制作.孔隙率作為蘆葦高立式沙障的關(guān)鍵參數(shù)，孔隙間距推送機(jī)構(gòu)是沙障制作機(jī)械的核心部件之一.

2.2 孔隙率控制原理

擰絲虎口中間穿有鐵絲，分別從上下穿出與虎口共同形成一個圓環(huán)，擰絲虎口按一定間距穿插排列在推送弧片中間，機(jī)具運(yùn)行時，蘆葦從一端穿進(jìn)擰絲虎口中，凸輪驅(qū)動推送弧片作用于蘆葦束，間接把擰絲虎口里的鐵絲強(qiáng)制拉出，隨后擰絲虎口旋轉(zhuǎn)擰絲打結(jié)，完成孔隙推送和打結(jié)，如圖3所示，圖中實(shí)線為機(jī)構(gòu)運(yùn)動位置，虛線為前一刻運(yùn)動位置.

圖3 孔隙率控制機(jī)構(gòu)示意圖

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1 孔隙推送弧片的設(shè)計

孔隙推送弧片有著孔隙間距推送和對蘆葦束引導(dǎo)聚攏的雙重作用，如圖4所示.在推送之前，蘆葦束要先喂入到推送弧片內(nèi)，推送弧片是由漏斗形弧片按一定間距排列而成，在弧片之間裝有擰絲虎口，由于弧片的漏斗形收口設(shè)計，可以保證易松散的蘆葦束在送入過程中不會穿插到鐵絲外面，保證了蘆葦束送入的效率與質(zhì)量.推送弧片尾部呈直筒圓柱形，以增大推送弧片與蘆葦束之間的接觸面積，減少推送過程對蘆葦?shù)膿p傷.

圖4 孔隙率推送弧片設(shè)計參數(shù)

3.2 蘆葦束推送受力分析與緩?fù)仆馆喌脑O(shè)計

3.2.1蘆葦束推送受力分析

機(jī)構(gòu)在推送蘆葦束形成孔隙率過程中主要受兩個方向的力，如圖5所示，一個是推送弧片推送蘆葦束的推力F，另一個力P為蘆葦束將虎口中鐵絲拉拽出來，在這兩個力的共同作用下可以使松散的蘆葦束變的密實(shí)，但如果力過大又會把蘆葦壓斷，P為固定值，即鐵絲從彎折虎口被拉出的摩擦力，所以力F的大小決定了蘆葦束被推送時的受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)蘆葦束既要被順利推送至指定位置，又不能把蘆葦折斷，力F的大小主要取決于動力凸輪的輪廓線形狀和角速度.

圖5 推送過程蘆葦束受力示意圖

3.2.2緩?fù)萍被赝馆啓C(jī)構(gòu)的設(shè)計

凸輪工作過程如圖6所示.① 近休止階段(AB段)：凸輪進(jìn)入近休止階段，推桿各部分位于初始位置，為蘆葦束推送做準(zhǔn)備.② 推程階段(BC段)：推程前半段應(yīng)滿足加速度為0的變加速加速運(yùn)動狀態(tài)，推程后半程采用加速度減小的加速運(yùn)動，目的是減小推片對蘆葦?shù)膿p傷.③ 遠(yuǎn)休止階段(CD段)：推桿進(jìn)入凸輪的遠(yuǎn)休止階段，保持推桿固定的姿態(tài)不變動，避免因彈性變化，導(dǎo)致孔隙間距回彈.④ 回程階段(DA段)： 推桿的復(fù)位階段，推桿達(dá)到最大行程之后需要恢復(fù)原來的狀態(tài)，為了減小推程階段對蘆葦束受力突變過大，本階段的回復(fù)需要盡可能的快速，增大推程階段降低加速度.

圖6 凸輪各工作段

3.2.3凸輪輪廓線的確定

由偏置凸輪的輪廓曲線形狀主要取決于從動件的運(yùn)動規(guī)律，因此選取合適的從動件運(yùn)動規(guī)律是設(shè)計出合理的凸輪輪廓曲線的關(guān)鍵[8].本設(shè)計的蘆葦高立式沙障成束裝置孔隙率控制機(jī)構(gòu)為低速輕載，直動滾子從動件偏置盤形凸輪理論輪廓線的直角坐標(biāo)方程[9]為

(1)

直動滾子從動件偏置盤形凸輪實(shí)際輪廓線的直角坐標(biāo)方程[10]為

(2)

式中：

(3)

已知凸輪基圓半徑r0=30 mm，直動滾子從動件半徑Rt=10mm，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過310°時，從動件以等加速等減速規(guī)律上升70 mm，當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過5°到315°時，從動件靜止不動，凸輪再轉(zhuǎn)過40°到355°時，從動件以余弦加速度規(guī)律下降并回到最低位置，凸輪再轉(zhuǎn)過5°時，凸輪靜止不動.

3.2.4凸輪的建模與仿真

Matlab是Mathworks公司開發(fā)的一款工程計算軟件，以矩陣計算為基礎(chǔ)，把計算、繪圖、仿真等功能融合在一起[11].利用公式(1)-(3)結(jié)合Matlab編程繪制了盤形凸輪的理論輪廓線與實(shí)際輪廓線，如圖7所示，圖中最外側(cè)虛線為該凸輪理論輪廓線，內(nèi)測為凸輪實(shí)際輪廓線.

圖7 Matlab所得凸輪輪廓線

使用MatLab軟件編程得到的凸輪輪廓曲線，同時也得到了凸輪輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成格式為.txt文件，運(yùn)用SolidWorks中“插入”—“曲線”—“通過xyz點(diǎn)的曲線”命令繪制凸輪輪廓線并得到實(shí)體[12-13]，如圖8所示.

圖8 凸輪圖

將所建蘆葦束孔隙率控制機(jī)構(gòu)三維模型保存為.txt文件并導(dǎo)入Adams中，添加各實(shí)體零件的約束定義，對蘆葦高立式沙障成束裝置孔隙率控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真試驗[14]，從而驗證所設(shè)計凸輪的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)孔隙控制的準(zhǔn)確性，如圖9所示.

圖9 Adams建模

在樣機(jī)仿真中可測得推送弧片中心點(diǎn)的推程距離變化規(guī)律，得到推程距離變化規(guī)律仿真數(shù)據(jù)曲線圖[15]，如圖10所示，由圖可知，凸輪的推程工作段占整個周期的85%，最大推程為35 mm，由此可知，虛擬樣機(jī)在試驗中推送弧片推程距離與理論設(shè)計基本吻合，并能準(zhǔn)確地達(dá)到所設(shè)計的蘆葦束推送距離.證明了理論分析的正確性，確保物理樣機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性.

圖10 推送弧片中心點(diǎn)的運(yùn)動仿真結(jié)果

3.3 孔隙推桿的設(shè)計

為使推送弧片按預(yù)定的軌跡運(yùn)動，采用定點(diǎn)搖擺式推桿機(jī)構(gòu)，與凸輪推程一起決定蘆葦束推送間隙，文中采用等臂杠桿機(jī)構(gòu)作為凸輪的推桿，如圖11所示，抬臂一端安裝凸輪滾子，推臂一端安裝推送弧片，推桿與推送弧片之間采用長孔裝配，可實(shí)現(xiàn)推送弧片的上下微調(diào)控制推送間距.由于凸輪回程階段時間較短，為避免沖擊對凸輪的損傷，在凸輪近休止等高處設(shè)置回程擋鐵，延長凸輪使用壽命.

圖11 空隙推桿機(jī)構(gòu)示意圖

4 孔隙率推送機(jī)構(gòu)試驗

為了驗證孔隙率控制機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果，制造出蘆葦高立式沙障的物理樣機(jī)，如圖12所示，對設(shè)計的孔隙控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能性和穩(wěn)定性試驗.試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的孔隙控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn).

圖12 樣機(jī)測試與試驗

為了進(jìn)一步驗證孔隙率控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動的準(zhǔn)確性，從而有效實(shí)現(xiàn)蘆葦高立式沙障機(jī)械化制作，以南疆博斯騰湖蘆葦為試驗樣品進(jìn)行孔隙率控制試驗，在石河子大學(xué)校工廠液壓實(shí)驗室進(jìn)行試驗，試驗時，孔隙率推送凸輪轉(zhuǎn)速為0.5 rad·s-1，每次喂入蘆葦束直徑在30～40 mm，本次試驗共試驗30束蘆葦，分成3組進(jìn)行裝置穩(wěn)定性試驗檢測，結(jié)果如表1所示.

表1 蘆葦高立式孔隙率試驗數(shù)據(jù)表

由表1試驗結(jié)果表明，蘆葦束外觀完好無損傷，由標(biāo)準(zhǔn)差值可得出，本裝置運(yùn)行偏差保持在一定的可接受范圍之內(nèi)，所得出的孔隙率的偏差率保持在1%左右，符合設(shè)計要求.

5 結(jié) 論

1) 設(shè)計了蘆葦高立式沙障機(jī)械孔隙率推送機(jī)構(gòu)，通過利用緩?fù)萍被赝馆喭茥U機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了蘆葦束孔隙間距推送的目標(biāo)，提高了蘆葦高立式沙障的制作效率.

2) 利用Adams對虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真，并制造該結(jié)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行蘆葦束空隙推送試驗.仿真和試驗結(jié)果表明：孔隙率控制機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)蘆葦束緩?fù)瞥碳被爻烫匦裕扑瓦^程對蘆葦無明顯擠傷，每組所得出孔隙率在50%左右，偏差率在1%左右，達(dá)到預(yù)定設(shè)計，滿足使用要求.