送繭小車翻斗裝置的設(shè)計(jì)與仿真

婁 浩,呂汪洋,陳文興,江文斌,

(浙江理工大學(xué),a.紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院);b.紡織纖維材料與加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)

煮熟繭輸送是制絲生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié),是連接制絲生產(chǎn)中煮繭和繅絲兩道工序的中間過(guò)程,對(duì)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(dāng)膨潤(rùn)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(yùn)送至繅絲機(jī)車頭的過(guò)程中存在著諸多影響煮熟繭及生絲質(zhì)量的因素,尤其傳統(tǒng)的送繭方式,如人工送繭,存在待繅時(shí)間長(zhǎng)、繭子間相互擠壓破壞繭層、繭層冷漬過(guò)度導(dǎo)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(dǎo)致煮熟繭翻滾以及繭層與管道內(nèi)壁摩擦[3-4],這些因素會(huì)嚴(yán)重影響生絲質(zhì)量和企業(yè)效益。例如日本繅絲企業(yè)利用傳動(dòng)鏈搭載串聯(lián)式繭斗輸送煮熟繭[5],但該輸送方式只能將煮繭機(jī)中輸出的煮熟繭平均分配給各組繅絲機(jī),無(wú)法適應(yīng)不同繅絲機(jī)生產(chǎn)量的差異。

隨著科技進(jìn)步,中國(guó)工業(yè)化水平不斷提高,為促進(jìn)繭絲綢行業(yè)的發(fā)展,提高生絲生產(chǎn)的自動(dòng)化程度,需要對(duì)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí),以解決繭絲綢行業(yè)面臨的難題。目前亟待解決的是煮熟繭輸送問(wèn)題,對(duì)于一般的輸送方式如帶式輸送、鏈?zhǔn)捷斔?、機(jī)器人搬運(yùn)等較多應(yīng)用于固體物料,而對(duì)于煮熟繭的輸送,需要將煮熟繭和一定溫度的繭湯同時(shí)運(yùn)輸。

為了解決上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)并搭建了一種自動(dòng)化輸送系統(tǒng),針對(duì)輸送載體(送繭小車)的繭斗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。煮熟繭的輸送需要完成接繭(煮熟繭由煮繭機(jī)出繭口輸出進(jìn)入送繭小車?yán)O斗)、送繭(由摩擦輪沿軌道輸送)、倒繭(繭斗翻轉(zhuǎn)使繭水混合物通過(guò)管道進(jìn)入繅絲機(jī)待繅槽)和繭斗復(fù)位等一系列過(guò)程。繭斗翻轉(zhuǎn)通過(guò)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu),齒輪減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)齒輪與電機(jī)軸固定聯(lián)結(jié),從動(dòng)齒輪與繭斗軸空套聯(lián)結(jié),從動(dòng)齒輪和與繭斗軸固定聯(lián)結(jié)的止鎖凸輪形成間歇機(jī)構(gòu),通過(guò)傳感器和單片機(jī)發(fā)出信號(hào)控制減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)繭斗翻轉(zhuǎn)倒繭和復(fù)位動(dòng)作。

1 翻斗機(jī)構(gòu)及其原理

翻斗裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示,翻斗機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、鎖定機(jī)構(gòu)、翻斗槽輪和繭斗組成,減速電機(jī)3為繭斗1翻轉(zhuǎn)提供動(dòng)力,繭斗翻轉(zhuǎn)和復(fù)位過(guò)程為:小車PLC系統(tǒng)接收到崗位要繭信號(hào),減速電機(jī)3啟動(dòng),通過(guò)主動(dòng)齒輪7驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪6,與從動(dòng)齒輪6固定連接的止鎖凸輪4和撥銷隨從動(dòng)齒輪6轉(zhuǎn)動(dòng)角度α(倒繭角度),從動(dòng)齒輪6和止鎖凸輪4與繭斗軸2均為空套連接,所以此過(guò)程繭斗軸靜止,止鎖凸輪4推程轉(zhuǎn)動(dòng),推動(dòng)滑動(dòng)鎖扣9解除對(duì)繭斗擺桿8的鎖定狀態(tài),同時(shí)撥銷撥動(dòng)翻斗槽輪5,使翻斗槽輪5和與其固定連接的繭斗軸2轉(zhuǎn)動(dòng),從而使與繭斗軸2固定連接的繭斗1發(fā)生翻轉(zhuǎn)完成倒繭動(dòng)作。完成倒繭動(dòng)作后,減速電機(jī)3根據(jù)PLC指令進(jìn)行反轉(zhuǎn),通過(guò)主動(dòng)齒輪7驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪6反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)角度β(復(fù)位角)后,撥銷撥動(dòng)翻斗槽輪5反轉(zhuǎn),繭斗軸2隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)繭斗1完成復(fù)位動(dòng)作,同時(shí)止鎖凸輪4回程轉(zhuǎn)動(dòng),滑動(dòng)鎖扣9在彈簧作用下復(fù)位并鎖定繭斗擺桿8,使繭斗1鎖定,至此完成一次倒繭動(dòng)作。

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

2 繭斗整體設(shè)計(jì)

2.1 翻斗槽輪設(shè)計(jì)

繭斗的翻轉(zhuǎn)和復(fù)位通過(guò)繭斗軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),且繭斗倒繭和復(fù)位動(dòng)作按照固定的軌跡和行程進(jìn)行,如圖2所示,繭斗前下部通過(guò)繭斗限位柱起限位緩沖作用,繭斗后方通過(guò)繭斗后限位塊限定初始位置。送繭小車工作時(shí),繭斗循環(huán)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、復(fù)位動(dòng)作,可以通過(guò)設(shè)計(jì)間歇機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繭斗的翻轉(zhuǎn)和復(fù)位動(dòng)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(dòng)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(shí)從繭斗初始狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至繭斗極限位置需轉(zhuǎn)動(dòng)角度為β,此過(guò)程需要通過(guò)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使繭斗轉(zhuǎn)動(dòng)角度β完成倒繭動(dòng)作。考慮到繭斗滿載時(shí)繭水混合物的重量及其產(chǎn)生的沖擊力可能會(huì)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及減速電機(jī)產(chǎn)生柔性沖擊[6]。為防止繭斗在翻轉(zhuǎn)倒繭時(shí)繭水混合物的重力對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大載荷、繭斗翻轉(zhuǎn)受限等問(wèn)題,利于繭水混合物完全脫離繭斗,當(dāng)翻斗槽輪被撥銷推動(dòng)后,撥銷將不再限制繭斗轉(zhuǎn)動(dòng),繭斗在重力作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn),更有利于繭水混合物落下。還有一個(gè)原因是為了讓處于鎖定狀態(tài)的繭斗先解鎖,解鎖后繭斗才能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。具體原理將會(huì)在下一節(jié)詳細(xì)分析。

翻斗槽輪設(shè)計(jì)為圖2(b)所示結(jié)構(gòu),翻斗槽輪設(shè)計(jì)了角度為α弧形槽口,用以繭斗翻轉(zhuǎn)和復(fù)位時(shí)撥銷的緩沖作用。對(duì)于翻斗槽輪結(jié)構(gòu),撥銷轉(zhuǎn)動(dòng)角度需大于α′(α<α′<α+β)以推動(dòng)翻斗槽輪從而驅(qū)動(dòng)繭斗,繭斗翻轉(zhuǎn)后停滯時(shí)間t,然后撥銷反轉(zhuǎn),即繭斗復(fù)位過(guò)程,復(fù)位過(guò)程與翻轉(zhuǎn)過(guò)程相似,撥銷反轉(zhuǎn)角度α′撥動(dòng)翻斗槽輪反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)繭斗復(fù)位。

2.2 止鎖凸輪設(shè)計(jì)

繭斗在初始位置時(shí),機(jī)構(gòu)送繭時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)使繭斗產(chǎn)生一定的抖動(dòng)和慣性等影響,使繭斗繞繭斗軸發(fā)生一定幅度擺動(dòng)甚至在任意位置發(fā)生繭斗翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象使繭水混合物在非倒繭位置灑落,為避免這一現(xiàn)象發(fā)生,設(shè)計(jì)了繭斗鎖定機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)需要在倒繭時(shí)解鎖,其他狀態(tài)處于鎖定狀態(tài)。

如圖3(a),繭斗處于初始鎖定狀態(tài),繭斗擺桿上的止鎖銷被卡在滑動(dòng)鎖扣的鎖槽內(nèi),繭斗被鎖定。第一階段,系統(tǒng)接收倒繭指令倒繭時(shí),止鎖凸輪先隨從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),這一階段對(duì)于翻斗槽輪是空行程,但對(duì)于止鎖凸輪是解鎖行程,如圖3(b),轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中止鎖凸輪處于推程階段,滑動(dòng)鎖扣在凸輪推動(dòng)下左移解鎖,圖3(b)中雙點(diǎn)畫線所示位置;第二階段,止鎖凸輪仍然處于解鎖狀態(tài),從動(dòng)齒輪撥銷撥動(dòng)翻斗槽輪使繭斗翻轉(zhuǎn)倒繭;第三階段,當(dāng)繭斗完成翻轉(zhuǎn)倒繭動(dòng)作后,系統(tǒng)控制繭斗復(fù)位,此時(shí)減速電機(jī)反轉(zhuǎn),這一階段減速電機(jī)先做空行程運(yùn)動(dòng),當(dāng)撥銷隨從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)至翻斗槽輪槽口端部時(shí),撥銷撥動(dòng)翻斗槽輪進(jìn)行反轉(zhuǎn),使繭斗完成復(fù)位運(yùn)動(dòng),止鎖銷隨繭斗擺桿運(yùn)動(dòng)至滑動(dòng)鎖扣的鎖槽內(nèi),同時(shí)止鎖凸輪回程運(yùn)動(dòng),滑動(dòng)鎖扣復(fù)位將止鎖銷卡在鎖槽內(nèi)鎖定繭斗,至此完成一次送繭、倒繭動(dòng)作。

1.繭斗;2.滑動(dòng)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(shè)計(jì)止鎖凸輪。止鎖銷直徑為d,則滑動(dòng)鎖扣行程L≥d時(shí),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(guò)程分析,在第一階段,止鎖凸輪隨從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α,此過(guò)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(zhuǎn)倒繭過(guò)程,本階段滑動(dòng)鎖扣仍處于解鎖狀態(tài),且此階段止鎖凸輪隨從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度β,同時(shí)滑動(dòng)鎖扣保持解鎖狀態(tài)不變,因此,止鎖凸輪此階段應(yīng)處于遠(yuǎn)休止角,直到第三階段完成倒繭后繭斗復(fù)位。

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

如圖4(a)為滑動(dòng)鎖扣位移線圖,有效位移為S1—S2—S3段,由于繭斗工作時(shí)隨繭斗軸周期性擺動(dòng),S3—S2—S1為繭斗復(fù)位過(guò)程,為了減小壓力角和避免剛性沖擊,對(duì)圖4(a)中位移曲線做如圖4(b)所示優(yōu)化。

圖4 止鎖凸輪轉(zhuǎn)角與滑動(dòng)鎖扣位移線Fig.4 Locking camangle and locking plate displacement diagram

凸輪與從動(dòng)件的裝配需要考慮偏心距以減小從動(dòng)件工作過(guò)程的最大壓力角,改善機(jī)構(gòu)傳力性能。偏心距e不宜過(guò)大,一般近似取為:

(1)

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

根據(jù)式(1)選擇偏心距為e=13 mm。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)止鎖凸輪機(jī)構(gòu)受力不大,且要求機(jī)構(gòu)緊湊,應(yīng)選取較小的基圓半徑。從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α需滿足:

(2)

對(duì)于移動(dòng)從動(dòng)件,許用壓力角[α]=30°～38°,取α=[α],應(yīng)使:

(3)

根據(jù)式(3),選取凸輪基圓半徑rb=25 mm。

根據(jù)圖4(b)中滑動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖5所示對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

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(jī)構(gòu)中對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及受力有重要影響[7],凸輪壓力角一般不能超出極限數(shù)值,當(dāng)壓力角過(guò)大或過(guò)小時(shí)都會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。本設(shè)計(jì)中止鎖凸輪工作過(guò)程中各點(diǎn)壓力角的變化情況如圖6中曲線所示。根據(jù)機(jī)構(gòu)各零部件的強(qiáng)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(dòng)從動(dòng)件為[α]=30°～38°,擺動(dòng)從動(dòng)件為[α]=40°～45°[8]。本文中從動(dòng)件滑動(dòng)鎖扣為直動(dòng)從動(dòng)件,許用壓力角區(qū)為[α]=30°～38°[9]。結(jié)合圖6,止鎖凸輪和滾子之間的壓力角在合理范圍內(nèi),具有良好的傳力特性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)程

送繭小車實(shí)際工況的工藝過(guò)程如圖7所示。當(dāng)送繭小車啟動(dòng)后,空載的送繭小車進(jìn)入繭站等待加繭,如圖7(a)所示;煮熟繭由煮繭機(jī)出繭口輸出加入送繭小車?yán)O斗中,同時(shí)出水口向繭斗內(nèi)加水,如圖7(b)所示;加繭后滿載的送繭小車出站沿軌道運(yùn)行輸送煮熟繭,如圖7(c)所示;當(dāng)收到繅絲機(jī)崗位要繭信號(hào)后,送繭小車停車、繭斗翻轉(zhuǎn)將繭水混合物倒入崗位接繭斗通過(guò)管道進(jìn)入繅絲機(jī),如圖7(d)所示,至此該送繭小車完成一次送繭任務(wù),繭斗復(fù)位后送繭小車?yán)^續(xù)運(yùn)行,返回至繭站進(jìn)行下一次送繭任務(wù)。

本文設(shè)計(jì)內(nèi)容為繅絲企業(yè)煮熟繭輸送提供了新的方式,實(shí)現(xiàn)了倒繭過(guò)程的自動(dòng)化,提高了企業(yè)生產(chǎn)效率,為繭絲綢行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新提供了解決方案。

圖7 翻斗裝置工藝過(guò)程Fig.7 Process of the bucket-tipping device

3 機(jī)構(gòu)分析與實(shí)驗(yàn)

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(shí)繭斗重心在倒繭過(guò)程中的變化情況。倒繭過(guò)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(shí)重心變化范圍。繭斗在初始狀態(tài),重心位于繭斗軸左側(cè),此時(shí)繭斗有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì),圖8中繭斗后限位塊提供支承,繭斗保持為穩(wěn)定態(tài)。倒繭時(shí),減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使繭斗翻轉(zhuǎn),則在倒繭過(guò)程中繭斗軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和減速電機(jī)均受到負(fù)載作用,且繭斗在翻轉(zhuǎn)過(guò)程其轉(zhuǎn)速受減速電機(jī)控制,不利于繭水混合物完全落下。

1.從動(dòng)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(jī)受負(fù)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(jī)構(gòu),在后段行程利用繭斗自身重力使其翻轉(zhuǎn)。當(dāng)繭斗在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)時(shí),繭斗重心隨轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化,當(dāng)繭斗翻轉(zhuǎn)到一定角度時(shí),繭斗內(nèi)物料倒出,隨著繭斗翻轉(zhuǎn)和物料倒出,繭斗重心發(fā)生變化。如圖8,當(dāng)撥銷隨從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)到撥銷極限位置7時(shí),繭斗被撥動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度θ(θ>θ1)后,繭斗重心運(yùn)動(dòng)至繭斗軸右側(cè),此時(shí)從動(dòng)齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng),撥銷對(duì)翻轉(zhuǎn)槽輪不再施加載荷,繭斗受重力作用翻轉(zhuǎn),在重力作用下繭斗重心快速變換,繭斗加速旋轉(zhuǎn),有利于物料全部倒出。繭斗翻轉(zhuǎn)到繭斗翻轉(zhuǎn)限位柱處被截停,隨后電機(jī)反轉(zhuǎn),將繭斗復(fù)位。

但在前θ1行程范圍內(nèi),繭斗軸仍需為繭斗翻轉(zhuǎn)提供足夠的扭矩使繭斗克服重力作用發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),此過(guò)程繭斗軸需要承受一定的剪切應(yīng)力同時(shí)發(fā)生彈性變形,在下節(jié)對(duì)其結(jié)構(gòu)和扭矩進(jìn)行分析。

3.2 繭斗軸設(shè)計(jì)分析

軸的設(shè)計(jì)和其他零件相似,包括結(jié)構(gòu)和工作能力兩方面內(nèi)容,軸的設(shè)計(jì)不合理,會(huì)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(qiáng)度、剛度、震動(dòng)穩(wěn)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(dòng)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(nèi)徑d=16 mm,長(zhǎng)度L=500 mm的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)主要分析3.1所述繭斗軸在繭斗翻轉(zhuǎn)受扭矩作用時(shí)的載荷情況。按照軸的扭矩校核軸的強(qiáng)度,軸的扭矩強(qiáng)度條件為:

(4)

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

選取[τT]為30 MPa,減速電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)重力為120N計(jì)算出繭斗在初始位置對(duì)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(shù)WT為(m=d1/d):

(6)

由式(4)計(jì)算繭斗軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(zhuǎn)切應(yīng)力為3.8300 MPa,在許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力范圍內(nèi),所以繭斗軸結(jié)構(gòu)安全合理。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

以中試企業(yè)為例,本文設(shè)計(jì)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(tǒng)的調(diào)控下為6組自動(dòng)繅絲機(jī)輸送煮熟繭,具體裝置數(shù)量可根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模配置。生產(chǎn)過(guò)程中,每輛送繭小車搭載翻斗裝置在控制系統(tǒng)的調(diào)控下循環(huán)進(jìn)行2.4節(jié)中所述送繭過(guò)程。為驗(yàn)證該裝置與繅絲機(jī)生產(chǎn)情況的適應(yīng)性,在企業(yè)進(jìn)行了中試試驗(yàn),運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 送繭裝置中試數(shù)據(jù)Tab.1 Pilot data of the cocoon feeding device %

送繭小車根據(jù)設(shè)定權(quán)值為各繅絲機(jī)崗位送繭,表2中數(shù)據(jù)為分3個(gè)工作日統(tǒng)計(jì)的送繭數(shù)據(jù),輸送誤差最大值為1.31%,在允許范圍內(nèi),可見(jiàn)送繭小車對(duì)于不同生產(chǎn)速度繅絲機(jī)的送繭量均衡性較好。

中試企業(yè)人工送繭兩班需要6名送繭工,送繭工利用繭車和繭桶運(yùn)送煮熟繭,將煮熟繭運(yùn)送至繅絲機(jī)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(jī)在下一次送繭之前不能消耗掉存放的煮熟繭,舊繭會(huì)有可能被碼垛在新繭下面,導(dǎo)致舊繭待繅時(shí)間延長(zhǎng),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(shí)現(xiàn)了煮熟繭的自動(dòng)化輸送和即送即用,提高了生產(chǎn)效率。

圖9 人工送繭Fig.9 Manual cocoon feeding

4 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 建模分析

由前述分析,為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)凸輪間歇機(jī)構(gòu)的可行性,本文在三維設(shè)計(jì)軟件NX環(huán)境下建立凸輪間歇機(jī)構(gòu)的虛擬化樣機(jī),如圖10所示。為了使凸輪間歇翻斗機(jī)構(gòu)能夠正常工作,各零部件之間需要滿足一定的裝配關(guān)系。

圖10 基于NX的翻斗輸送機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)Fig.10 Virtual prototype of bucket-tipping conveying mechanism based on NX

凸輪及齒輪主要通過(guò)軸孔連接,其中主動(dòng)齒輪齒數(shù)z1=58,從動(dòng)齒輪齒數(shù)z2=70。傳動(dòng)比為i=70/58,齒輪之間通過(guò)齒輪副配合,凸輪與滾子之間通過(guò)3D接觸建立聯(lián)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(huán)境中對(duì)零部件進(jìn)行搭建得到如圖10的料斗輸送機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)。

在NX運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真環(huán)境下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真,機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)良好。

4.2 繭斗軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析

在翻斗機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中,繭斗軸受到的扭矩最大,為驗(yàn)證繭斗軸設(shè)計(jì)合理性,對(duì)其進(jìn)行有限元分析,模擬其真實(shí)工作過(guò)程中的受力情況和截面切應(yīng)力情況。根據(jù)3.2中繭斗軸結(jié)構(gòu)參數(shù),利用Ansys分析軟件進(jìn)行實(shí)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(dǎo)入Ansys-Workbench靜力學(xué)分析模塊;

b)第二步為模型賦予材料屬性;

c)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格有四面體、六面體、金字塔等不同類型,本文采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格劃分越精細(xì),結(jié)構(gòu)越精確,需要分析計(jì)算的信息量越大,在劃分網(wǎng)格時(shí)根據(jù)實(shí)際需要和計(jì)算機(jī)性能選擇合適的精度即可[11];

d)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)添加約束和載荷條件,即模擬結(jié)構(gòu)的支撐和受力情況;

e)選擇需要分析的結(jié)果類型并進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)以上分析得到結(jié)構(gòu)變形圖和應(yīng)力分布圖,分析結(jié)構(gòu)及結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。

圖12 基于AnsysWorkbench的繭斗軸應(yīng)變Fig.12 Strain diagram of cocoon shaft based on AnsysWorkbench

如圖11、圖12,繭斗軸在工作過(guò)程中,所受最大切應(yīng)力為3.8973 MPa,與3.2中理論計(jì)算結(jié)果3.8300 MPa接近,且最大形變?yōu)?.0033 mm,在合理范圍內(nèi),故繭斗軸強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)[12]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)齒輪傳遞扭矩至止鎖凸輪,間歇機(jī)構(gòu)中從動(dòng)齒輪上的撥銷在止鎖凸輪解鎖繭斗擺桿后撥動(dòng)翻斗槽輪實(shí)現(xiàn)了繭斗的翻斗卸料和復(fù)位功能,同時(shí)鎖定機(jī)構(gòu)保證了翻斗機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。本裝置實(shí)現(xiàn)了送繭小車輸送物料時(shí)的自動(dòng)卸料及料斗復(fù)位功能,替代了人工搬運(yùn)的傳統(tǒng)模式、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了輸送速度。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定凸輪的廓線和繭斗軸的結(jié)構(gòu)尺寸,通過(guò)理論計(jì)算和基于Ansys-Workbench對(duì)繭斗軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。在NX軟件運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真環(huán)境下對(duì)翻斗裝置進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)了繭斗的翻轉(zhuǎn)倒繭及復(fù)位功能。本研究為繅絲企業(yè)提供了新的煮熟繭輸送方式,提高了生產(chǎn)效率。