凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)在水面垃圾清潔船中的應(yīng)用①②③

劉遲+蔣偉+白興龍+趙言+李金泉

摘 要：該文設(shè)計(jì)了水面清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了間歇翻轉(zhuǎn)的功能，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，達(dá)到了收集水面垃圾的目的。

關(guān)鍵詞：清潔船 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 翻斗機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0092-02

目前，隨著持續(xù)加速的城市化發(fā)展進(jìn)程，中國(guó)正面臨由此引發(fā)的各種水體污染。而與我們關(guān)系更近的城市和風(fēng)景區(qū)河道、湖泊污染更為嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查和分析，這些地區(qū)污染主要是水草及軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等水面垃圾[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一艘水面無(wú)人清潔船，該船可以收集水面垃圾和水草。該文主要介紹了清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，它通過(guò)翻斗的間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集水面垃圾的目的。該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 技術(shù)方案

如圖1，首先設(shè)計(jì)出了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪5上有凹槽8，搖桿6上有圓柱銷(xiāo)4，圓柱銷(xiāo)4可在凹槽8內(nèi)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)中，圖中3是連桿，桿2和翻斗1固定在一起。凸輪5和電機(jī)連在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)圓柱銷(xiāo)4帶動(dòng)搖桿6小角度（60 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于近休階段，近休止角為60 °，再通過(guò)連桿3，帶動(dòng)桿2大角度（120 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于遠(yuǎn)休階段，遠(yuǎn)休止角為80 °，進(jìn)而使翻斗1實(shí)現(xiàn)間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集垃圾的目的。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文在其推程和回程階段選用既無(wú)剛性沖擊又無(wú)柔性沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單位周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖如圖2所示。

推程階段：

遠(yuǎn)休止階段：

回程階段：

近休止階段：

2.2 凸輪理論廓線的求解

如圖3，考慮到清潔船的實(shí)際船體尺寸，空間布局，以及加工成本，該文取凸輪的基圓半徑?；谕馆啓C(jī)構(gòu)美觀方面的考慮，本文取搖桿的長(zhǎng)度（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到圓柱銷(xiāo)軸線間的距離），圖中搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心距凸輪的中心的距離。

當(dāng)搖桿相對(duì)于凸輪轉(zhuǎn)過(guò)δ角時(shí)，搖桿處于圖示AB位置，其角位移為，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，為搖桿的初始位置角，其值為：

為精確繪制出凸輪的理論廓線，該文采用MATLEB編程的辦法。在程序中首先對(duì)凸輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，把0～360 °的轉(zhuǎn)角分散成以5 °為公差的等差數(shù)列[2]，共計(jì)72個(gè)值，在MATLAB中以包含這72個(gè)元素的向量將其表示。將此向量帶入坐標(biāo)方程求解，得出72行2列的矩陣，即凸輪理論廓線的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)繪圖如圖4所示。

3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5，為使翻斗能夠充分完成收集垃圾的作用，該文取這樣三組對(duì)應(yīng)關(guān)系：0 °， °； °， °； °， °，取初始角： °。此外為讓連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，彼此不干涉，本文取搖桿長(zhǎng)（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離）DC=80 mm。由“按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)四桿

機(jī)構(gòu)”的方法[3]有：

這里：

；；

將數(shù)據(jù)帶入上述方程組，可得如下結(jié)果：

； ；

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模，動(dòng)畫(huà)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，實(shí)現(xiàn)了間歇反轉(zhuǎn)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓線和各桿長(zhǎng)度，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)演示，實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的間歇翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了收集垃圾的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉文.淺談水面垃圾清掃船[J].廣東造船，1998（4）.

[2] 朱衡君.MATLEB語(yǔ)言及實(shí)踐教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2005.endprint

摘 要：該文設(shè)計(jì)了水面清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了間歇翻轉(zhuǎn)的功能，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，達(dá)到了收集水面垃圾的目的。

關(guān)鍵詞：清潔船 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 翻斗機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0092-02

目前，隨著持續(xù)加速的城市化發(fā)展進(jìn)程，中國(guó)正面臨由此引發(fā)的各種水體污染。而與我們關(guān)系更近的城市和風(fēng)景區(qū)河道、湖泊污染更為嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查和分析，這些地區(qū)污染主要是水草及軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等水面垃圾[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一艘水面無(wú)人清潔船，該船可以收集水面垃圾和水草。該文主要介紹了清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，它通過(guò)翻斗的間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集水面垃圾的目的。該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 技術(shù)方案

如圖1，首先設(shè)計(jì)出了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪5上有凹槽8，搖桿6上有圓柱銷(xiāo)4，圓柱銷(xiāo)4可在凹槽8內(nèi)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)中，圖中3是連桿，桿2和翻斗1固定在一起。凸輪5和電機(jī)連在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)圓柱銷(xiāo)4帶動(dòng)搖桿6小角度（60 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于近休階段，近休止角為60 °，再通過(guò)連桿3，帶動(dòng)桿2大角度（120 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于遠(yuǎn)休階段，遠(yuǎn)休止角為80 °，進(jìn)而使翻斗1實(shí)現(xiàn)間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集垃圾的目的。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文在其推程和回程階段選用既無(wú)剛性沖擊又無(wú)柔性沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單位周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖如圖2所示。

推程階段：

遠(yuǎn)休止階段：

回程階段：

近休止階段：

2.2 凸輪理論廓線的求解

如圖3，考慮到清潔船的實(shí)際船體尺寸，空間布局，以及加工成本，該文取凸輪的基圓半徑?；谕馆啓C(jī)構(gòu)美觀方面的考慮，本文取搖桿的長(zhǎng)度（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到圓柱銷(xiāo)軸線間的距離），圖中搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心距凸輪的中心的距離。

當(dāng)搖桿相對(duì)于凸輪轉(zhuǎn)過(guò)δ角時(shí)，搖桿處于圖示AB位置，其角位移為，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，為搖桿的初始位置角，其值為：

為精確繪制出凸輪的理論廓線，該文采用MATLEB編程的辦法。在程序中首先對(duì)凸輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，把0～360 °的轉(zhuǎn)角分散成以5 °為公差的等差數(shù)列[2]，共計(jì)72個(gè)值，在MATLAB中以包含這72個(gè)元素的向量將其表示。將此向量帶入坐標(biāo)方程求解，得出72行2列的矩陣，即凸輪理論廓線的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)繪圖如圖4所示。

3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5，為使翻斗能夠充分完成收集垃圾的作用，該文取這樣三組對(duì)應(yīng)關(guān)系：0 °， °； °， °； °， °，取初始角： °。此外為讓連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，彼此不干涉，本文取搖桿長(zhǎng)（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離）DC=80 mm。由“按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)四桿

機(jī)構(gòu)”的方法[3]有：

這里：

；；

將數(shù)據(jù)帶入上述方程組，可得如下結(jié)果：

； ；

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模，動(dòng)畫(huà)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，實(shí)現(xiàn)了間歇反轉(zhuǎn)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓線和各桿長(zhǎng)度，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)演示，實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的間歇翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了收集垃圾的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉文.淺談水面垃圾清掃船[J].廣東造船，1998（4）.

[2] 朱衡君.MATLEB語(yǔ)言及實(shí)踐教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2005.endprint

摘 要：該文設(shè)計(jì)了水面清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了間歇翻轉(zhuǎn)的功能，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，達(dá)到了收集水面垃圾的目的。

關(guān)鍵詞：清潔船 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 翻斗機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0092-02

目前，隨著持續(xù)加速的城市化發(fā)展進(jìn)程，中國(guó)正面臨由此引發(fā)的各種水體污染。而與我們關(guān)系更近的城市和風(fēng)景區(qū)河道、湖泊污染更為嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查和分析，這些地區(qū)污染主要是水草及軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等水面垃圾[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一艘水面無(wú)人清潔船，該船可以收集水面垃圾和水草。該文主要介紹了清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，它通過(guò)翻斗的間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集水面垃圾的目的。該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 技術(shù)方案

如圖1，首先設(shè)計(jì)出了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪5上有凹槽8，搖桿6上有圓柱銷(xiāo)4，圓柱銷(xiāo)4可在凹槽8內(nèi)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)中，圖中3是連桿，桿2和翻斗1固定在一起。凸輪5和電機(jī)連在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)圓柱銷(xiāo)4帶動(dòng)搖桿6小角度（60 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于近休階段，近休止角為60 °，再通過(guò)連桿3，帶動(dòng)桿2大角度（120 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于遠(yuǎn)休階段，遠(yuǎn)休止角為80 °，進(jìn)而使翻斗1實(shí)現(xiàn)間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集垃圾的目的。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文在其推程和回程階段選用既無(wú)剛性沖擊又無(wú)柔性沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單位周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖如圖2所示。

推程階段：

遠(yuǎn)休止階段：

回程階段：

近休止階段：

2.2 凸輪理論廓線的求解

如圖3，考慮到清潔船的實(shí)際船體尺寸，空間布局，以及加工成本，該文取凸輪的基圓半徑。基于凸輪機(jī)構(gòu)美觀方面的考慮，本文取搖桿的長(zhǎng)度（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到圓柱銷(xiāo)軸線間的距離），圖中搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心距凸輪的中心的距離。

當(dāng)搖桿相對(duì)于凸輪轉(zhuǎn)過(guò)δ角時(shí)，搖桿處于圖示AB位置，其角位移為，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，為搖桿的初始位置角，其值為：

為精確繪制出凸輪的理論廓線，該文采用MATLEB編程的辦法。在程序中首先對(duì)凸輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，把0～360 °的轉(zhuǎn)角分散成以5 °為公差的等差數(shù)列[2]，共計(jì)72個(gè)值，在MATLAB中以包含這72個(gè)元素的向量將其表示。將此向量帶入坐標(biāo)方程求解，得出72行2列的矩陣，即凸輪理論廓線的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)繪圖如圖4所示。

3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5，為使翻斗能夠充分完成收集垃圾的作用，該文取這樣三組對(duì)應(yīng)關(guān)系：0 °， °； °， °； °， °，取初始角： °。此外為讓連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，彼此不干涉，本文取搖桿長(zhǎng)（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離）DC=80 mm。由“按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)四桿

機(jī)構(gòu)”的方法[3]有：

這里：

；；

將數(shù)據(jù)帶入上述方程組，可得如下結(jié)果：

； ；

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模，動(dòng)畫(huà)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，實(shí)現(xiàn)了間歇反轉(zhuǎn)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓線和各桿長(zhǎng)度，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)演示，實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的間歇翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了收集垃圾的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉文.淺談水面垃圾清掃船[J].廣東造船，1998（4）.

[2] 朱衡君.MATLEB語(yǔ)言及實(shí)踐教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2005.endprint