偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器設(shè)計及仿真分析*

方 玲

(蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

1 偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器設(shè)計參數(shù)計算

偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器主要適用于青飼聯(lián)合收獲機，該裝置具有很強的撿拾能力，且占用空間小、輸送能力強、工作可靠，有效防止飼草堵塞割臺，最大程度上避免停機維護。

偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器每轉(zhuǎn)過一周移動距離S稱為螺距，其中，葉片各點螺距相同，而螺旋升角不同，螺旋角最小處在外徑，為αR；當(dāng)裝置以角速度 繞軸Z旋轉(zhuǎn)時，位于滾筒上半徑為r的o點處的物料，其運動軌跡是與螺旋面相互滑移運動和沿Z軸方向運動的結(jié)合，該點運動速度分解如圖1所示。

圖1 偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器運動示意圖

根據(jù)所適用的青飼聯(lián)合收獲機收獲參數(shù)，確定偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器的外徑為300 mm，螺距為450 mm，滾筒幅寬為1 960 mm。計算撥指機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，其中撥指的長度L和偏心距e由式(1)確定[3]：

L=r+e+Lmin

e=(Lmax-Lmin)/2

(1)

式中：e為偏心距，mm；Lmax為撥指伸出滾筒的最大伸出長度，mm；Lmin為相對方向的最小伸出長度，mm；r為推運器滾筒的半徑，mm。

通過查閱相關(guān)設(shè)計手冊和資料，為保證偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器轉(zhuǎn)動流暢，避免物料堵塞，取 為15 mm， 為150 mm，其中r為150 mm，則e為68 mm，為方便加工制造，取整后L為230 mm。伸縮指軸向間距為300 mm，實現(xiàn)偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器轉(zhuǎn)至后上方時，伸縮指向筒內(nèi)收縮；轉(zhuǎn)至前下方時，伸縮指伸出筒外。

2 偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 滾筒螺旋部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器應(yīng)用于喂入口不在機架中心位置處的青飼聯(lián)合收獲機，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮螺旋輸送器轉(zhuǎn)動，可使物料運動到末端時恰好輸送至喂入裝置入口處。因此，以喂入口的中心線為中心設(shè)置螺旋，且中心線兩側(cè)螺旋輸送方向相反。當(dāng)飼草接觸偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器，螺旋順著收獲機前進方向向前旋轉(zhuǎn)，為防止飼料在螺旋筒表面堆積，在以喂入口中心線為起始位置，左右分別設(shè)置導(dǎo)料板，同理，為了使物料流暢進入后續(xù)的喂入裝置，在螺旋出料口設(shè)置導(dǎo)料板。偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器螺旋部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 螺旋部分結(jié)構(gòu)示意圖1.左側(cè)螺旋 2.滾筒 3.右側(cè)螺旋 4.起始處導(dǎo)料板 5.截止處導(dǎo)料板

2.2 偏心伸縮指滾筒式撿拾部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

偏心伸縮指滾筒式撿拾結(jié)構(gòu)其工作原理為，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動時，帶動滾筒內(nèi)偏心安裝的偏心指轉(zhuǎn)動，由于偏心軸線與滾筒軸心線安裝位置的存在水平間距，導(dǎo)致偏心指的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生了沿滾筒軸線垂直方向上偏心指在滾筒外殼的伸縮運動。伸縮指在滾筒分布位置的確定方面，需要考慮滾筒上螺旋輸送葉片的分布位置，且由于該型青飼聯(lián)合收獲機喂入口不在機架中心位置，則應(yīng)當(dāng)綜合考慮螺旋輸送葉片在滾筒上的安裝位置。根據(jù)圖2所示的螺旋部分結(jié)構(gòu)示意圖，同時為防止物料在切碎裝置入口處堵塞，該位置處滾筒上伸縮指布置應(yīng)當(dāng)多于其他部位，以滾筒表面為基準，伸縮指的運動垂直于滾筒表面切線方向。

通過建立模糊數(shù)學(xué)模型將濃香型白酒窖泥質(zhì)量影響因素定性定量化，可以降低窖泥質(zhì)量評估的主觀性，并且為白酒企業(yè)窖泥質(zhì)量的改良和提高提供理論依據(jù)。結(jié)合實際應(yīng)用情況，我們會對窖泥質(zhì)量評估體系繼續(xù)深入研究，以對窖泥質(zhì)量評估體系進行更科學(xué)的修正完善。

整個偏心伸縮指的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，偏心伸縮指通過其根部車螺紋的方式安裝在伸縮指安裝座上；伸縮指安裝座采用螺栓連接的方式固定在伸縮指旋轉(zhuǎn)套上；伸縮指旋轉(zhuǎn)套通過螺栓固定在偏心軸上?？紤]到該滾筒的長徑比較大，且在工作過程中受到物料的作用力，為保證設(shè)計的可靠性，在滾筒中間設(shè)置兩塊支撐板，增加結(jié)構(gòu)強。偏心伸縮指滾筒式撿拾部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 偏心伸縮指滾筒式撿拾部分結(jié)構(gòu)示意圖1.滾筒 2.螺栓 3.偏心連接板 4.防磨套 5.偏心調(diào)節(jié)軸 6.伸縮指定位套 7.伸縮指旋轉(zhuǎn)套 8.伸縮指安裝座 9.軸承座 10.支撐板 11.伸縮指 12.滾筒傳動軸

如圖3所示，滾筒左側(cè)擋板與傳動軸連接，內(nèi)部通過安裝在滾筒擋板的軸承座配合軸承，與偏心軸連接，右側(cè)則為偏心調(diào)節(jié)軸通過軸承直接穿過右擋板的方式連接，對內(nèi)部的偏心伸縮指起到支撐的作用。具體連接方式如圖4所示。

圖4 偏心軸支撐結(jié)構(gòu)

當(dāng)滾筒傳動軸輸入動力轉(zhuǎn)動時，由于滾筒殼體與動力軸固定，滾筒殼體同步轉(zhuǎn)動，伸縮指在滾筒的作用下跟隨轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致滾筒外殼與伸縮指伸縮運動時產(chǎn)生會單側(cè)摩擦。為了延長工作壽命，減少機構(gòu)摩擦造成的能量消耗，考慮在滾筒外殼伸縮指運動的位置安裝防磨套來減小摩擦力，此防磨套通過螺栓安裝在滾筒外殼上。根據(jù)主要設(shè)計參數(shù)計算結(jié)果，以及確定的布置方式，采用三維建模軟件進行數(shù)字模型建模，偏心伸縮指滾筒式撿拾部分結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示。

圖5 偏心伸縮指滾筒式撿拾部分結(jié)構(gòu)三維模型

2.3 滾筒螺旋與偏心伸縮指滾筒式撿拾部分組合設(shè)計

綜合考慮該裝置實際的工作環(huán)境，結(jié)合滾筒表面螺旋的排布和偏心伸縮指滾筒式撿拾部分的結(jié)構(gòu)尺寸，明確裝配位置關(guān)系，在滾筒表面開孔，并安裝防磨套。所設(shè)計的偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器三維結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器三維結(jié)構(gòu)模型

3 偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器結(jié)構(gòu)及運動學(xué)仿真分析

3.1 計算模型處理及網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)計的偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器三維模型，為便于仿真軟件計算分析，對模型中對計算結(jié)果影響微小的模型特征進行簡化，以便于減小計算機資源開銷。對該裝置的三維模型進行處理后得到的計算模型如圖7所示。

圖7 計算模型

對處理后獲得的計算模型進行網(wǎng)格劃分[4]，由于本研究涉及的仿真分析為力學(xué)和運動學(xué)計算，因此采用適合機械分析的有限元法網(wǎng)格劃分形式對計算模型進行離散，共有節(jié)點數(shù)446 422個，網(wǎng)格數(shù)量為200 535。偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器各計算部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器各計算部分網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件及求解方法選擇

偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器計算考慮的主要邊界條件為計算載荷、轉(zhuǎn)動部分的接觸約束、運動參數(shù)[5]。其中，該裝置設(shè)計轉(zhuǎn)速為85 r/min，換算為角速度取整為9 rad/s；在設(shè)計工況下，該收獲機的喂入量為4 kg/s，換算到物料堆積在滾筒上的質(zhì)量為16 kg，即為物料對缸筒的作用力。由于該裝置的運動過程為伸縮指在滾筒的作用下跟隨轉(zhuǎn)動，在進行運動仿真時，將各個伸縮指與防磨套之間的接觸設(shè)為滑動摩擦，各個軸承滾珠與內(nèi)外圈的結(jié)接觸也設(shè)置為滑動摩擦。在強度、剛度計算時采用靜力學(xué)計算方法，對于運動參數(shù)計算，采用動力學(xué)計算方法。計算模型邊界條件和載荷分布如圖9所示。

圖9 計算模型邊界條件和載荷分布圖

3.3 計算結(jié)果與分析

通過對偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器強度剛度計算，獲得了計算模型應(yīng)力及應(yīng)變云圖，如圖10所示。

圖10 強度剛度計算結(jié)果

從圖10可以看出，偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器在設(shè)計工況下，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在起支撐作用的軸處，此力為該裝置的重力和堆積在滾筒上物料共同作用的結(jié)果，滾筒表面應(yīng)力較大值出現(xiàn)在滾筒中心，應(yīng)力的最大值為37.96 MPa；由于傳動軸在轉(zhuǎn)動是，驅(qū)動整個機構(gòu)運動，產(chǎn)生扭矩，應(yīng)變的最大值出現(xiàn)在傳動軸與滾筒左側(cè)固定板的區(qū)域，應(yīng)變的最大值為6.52 mm。裝置整體采用Q235制造，材料的屈服應(yīng)力是235 MPa，而計算獲得所受應(yīng)力值遠小于材料的許用應(yīng)力，且應(yīng)變值較小，據(jù)此可以判斷該偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器設(shè)計符合剛度、強度要求。

對偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器運動學(xué)仿真計算，獲得速度和加速度云圖，如圖11所示。

圖11 運動學(xué)仿真計算結(jié)果

由圖11可知，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器速度分布隨著軸向半徑的增加，速度和加速度均增大，兩者最大值出現(xiàn)在螺旋的最外延處，通過計算獲得速度的最大值為4.07 m/s，滾筒轉(zhuǎn)動提速階段加速度的最大值為0.22 m/s2。

4 結(jié) 語

以青飼聯(lián)合收獲機適用的偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器為研究對象，從結(jié)構(gòu)參數(shù)計算、滾筒螺旋部分結(jié)構(gòu)設(shè)計、偏心伸縮指滾筒式撿拾部分結(jié)構(gòu)設(shè)計、偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器組合設(shè)計，完成了整個裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及三維建模；采用仿真分析的方法，計算了設(shè)計工況下，該裝置關(guān)鍵運動參數(shù)，并對結(jié)構(gòu)的強度和剛度進行了校核。結(jié)果表明：設(shè)計工況條件下，速度的最大值為4.07 m/s，滾筒轉(zhuǎn)動提速階段加速度的最大值為0.22 m/s2；偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器應(yīng)力的最大值為37.96 MPa，應(yīng)變的最大值為6.52 mm，應(yīng)變值較小且應(yīng)力值遠小于材料的許用應(yīng)力。綜上所述，該設(shè)計符合實際需求。

偏心伸縮指滾筒式撿拾螺旋輸送器通過將偏心伸縮指和螺旋輸送器相結(jié)合，很好的解決了傳統(tǒng)輸送機構(gòu)在青飼聯(lián)合收獲機應(yīng)用中存在工作效率低、結(jié)構(gòu)空間占用大、維護成本高的問題。采用理論計算配合三維建模，輔助仿真分析的方法，為該類設(shè)備的設(shè)計提供了新的方法，在提高設(shè)計成功率的同時，極大的縮短設(shè)計周期。