粉塵采樣器自動(dòng)換膜裝置的設(shè)計(jì)與仿真

李任江，黃留山

LI Ren-jiang, HUANG Liu-shan

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

在日常生產(chǎn)中，粉塵含量較高的場(chǎng)所主要有電廠(chǎng)和煤礦。粉塵不僅對(duì)安全生產(chǎn)造成危險(xiǎn)，也嚴(yán)重影響了工人的健康安全，因此需要使用粉塵采樣器時(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)空氣中粉塵濃度的含量。

普通的粉塵采樣器的濾膜需要人工手動(dòng)來(lái)更換和稱(chēng)重，在這個(gè)過(guò)程中由于人為因素的影響會(huì)造成濾膜上粉塵的丟失，從而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)換膜裝置，實(shí)現(xiàn)了濾膜更換的無(wú)人化，使粉塵采樣器能在單片機(jī)的控制下進(jìn)行采樣和換膜，使得計(jì)算結(jié)果更加精確也使粉塵采樣器能在無(wú)人的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

1 粉塵采樣器的工作原理

粉塵采樣器主要由采樣頭、抽氣泵、流量傳感器、單片機(jī)、顯示器、控制鍵盤(pán)、電源等構(gòu)成。工作時(shí)在單片機(jī)控制下，自動(dòng)換膜裝置將濾膜組件送到工作位置，此時(shí)抽氣泵開(kāi)始工作，按事先設(shè)定采樣時(shí)間、流量、采樣個(gè)數(shù)等參數(shù)并按恒定流量采樣。采樣完畢后，又自動(dòng)將已采樣的濾膜送出稱(chēng)重，同時(shí)將新的濾膜組件送到工作位置開(kāi)始重新采樣。

2 自動(dòng)換膜裝置

本文的自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)包括濾膜組件的下料機(jī)構(gòu)、傳送及送料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)及彈出機(jī)構(gòu)。

2.1 濾膜組件的下料機(jī)構(gòu)

下料機(jī)構(gòu)(如圖1所示)由濾膜筒、轉(zhuǎn)盤(pán)組成。轉(zhuǎn)盤(pán)表面有2個(gè)成直線(xiàn)排布的凹槽，每個(gè)凹槽的寬度能容納一個(gè)濾膜組件。工作前在濾膜筒中放入5個(gè)濾膜組件，濾膜筒的下端與轉(zhuǎn)盤(pán)的上表面相互接觸。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，濾膜筒中的濾膜組件依次落入轉(zhuǎn)盤(pán)中的凹槽中，并由傳送帶將濾膜組件送至工作導(dǎo)軌中，完成濾膜組件的依次下料。

圖1 粉塵采樣器的濾膜下料機(jī)構(gòu)

2.2 濾膜的傳送及送料機(jī)構(gòu)

傳送及送料機(jī)構(gòu)由傳送帶、工作導(dǎo)軌、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將工作導(dǎo)軌上的濾膜組件送至粉塵采樣器的采樣工位上，此時(shí)滑塊位于最大行程的2/3處。這時(shí)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，由夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)濾膜組件進(jìn)行夾緊，開(kāi)始采樣。采樣結(jié)束后，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，滑塊運(yùn)動(dòng)至最大工作行程處將濾膜組件推出，進(jìn)行濾膜的稱(chēng)重，完成一個(gè)周期的采樣工作。

2.3 濾膜組件的夾緊及彈出機(jī)構(gòu)

夾緊及彈出機(jī)構(gòu)分別由凸輪機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)構(gòu)成。工作時(shí)濾膜組件與粉塵采樣器中的采樣頭接口進(jìn)行配合。采樣前凸輪機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)將濾膜組件下壓與接口形成密封配合，此時(shí)的配合位置位于工作導(dǎo)軌下8mm處。由于在采樣頭接口內(nèi)安裝了彈簧，因此濾膜組件與接口的配合形成了浮動(dòng)式配合，此時(shí)由于凸輪機(jī)構(gòu)的壓力作用，采樣器接口內(nèi)的彈簧處于壓縮狀態(tài)。采樣結(jié)束后，凸輪機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)，這時(shí)濾膜組件在彈簧的作用下向上運(yùn)動(dòng)8mm，重新回到導(dǎo)軌平面，由送料機(jī)構(gòu)將濾膜組件送出，完成采樣。自動(dòng)換膜裝置的夾緊機(jī)構(gòu)如圖2所示。

3 ADAMS仿真

3.1 濾膜送料機(jī)構(gòu)計(jì)算及仿真

自動(dòng)換膜裝置的送料機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。設(shè)曲柄長(zhǎng)度為l1，連桿長(zhǎng)度為l2，則由公式：

圖2 濾膜組件的送料及夾緊機(jī)構(gòu)

滑塊行程h 由以下公式計(jì)算：

式 中，a=l2/l1。若偏距e=0，則θ=0,K=1,h=2l1；若e≠0，則θ＞0,K＞1,h略大于2l1。

最大壓力角 αmax發(fā)生在曲柄銷(xiāo)A離滑塊3的導(dǎo)路最遠(yuǎn)的位置，按此有：

式中：

因?yàn)榍瑝K中包含了移動(dòng)副，所以曲柄滑塊的需用壓力角[α]應(yīng)比曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的要小。通常取[α]為40o左右。

本裝置中滑塊行程h=105mm，給定行程速度變化系數(shù)K=1.15，需用壓力角[α ]=40°，代入上式得：

得出θ=12.558°。

取傳動(dòng)角γmin=60°，γmin是表征機(jī)構(gòu)傳力性能的重要指標(biāo)，其值越大越好。最小的傳動(dòng)角發(fā)生在曲柄與導(dǎo)路垂直的2個(gè)可能位置上，一般取γmin≥35°-45°。

初始參數(shù)為：滑塊行程h=105mm，行程速比系數(shù)K=1.15，極位夾角θ=12.558°，最小傳動(dòng)角γmin=60°。

則得：曲柄 l1=50.386mm，連桿l2=143.959mm，偏距e=21.594mm。

在ADAMS中建立的模型如圖3所示。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型及約束

單擊主工具箱上的仿真按鈕，分別輸入驅(qū)動(dòng)函數(shù)為60d*time；120d*time；360d*time，進(jìn)行仿真。仿真的結(jié)果如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)為360d*time支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力圖

圖5 驅(qū)動(dòng)為360d*time連桿與滑塊移動(dòng)副受力圖、位移圖、速度圖及加速度圖

圖6 驅(qū)動(dòng)為120d*time支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力圖

圖7 驅(qū)動(dòng)為120d*time連桿與滑塊移動(dòng)副受力圖、位移圖、速度圖及加速度圖

圖8 驅(qū)動(dòng)為60d*time支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力圖

圖9 驅(qū)動(dòng)為60d*time連桿與滑塊移動(dòng)副受力圖、位移圖、速度圖及加速度圖

從圖8可以看出，支架與曲柄、曲柄與連桿、連桿與滑塊等處的鉸鏈約束受力均勻，支架與曲柄處的受力在0.3823N至0.3858N之間變化，近乎于恒力；其余兩處的受力在0.208N至0.21N之間變化，也近乎于恒力。在時(shí)間為10s、步長(zhǎng)為200的仿真中未出現(xiàn)受力突變的情況，完成一個(gè)周期動(dòng)作的時(shí)間大約為2s。

從圖可以看出，滑塊的受力、速度和加速度沒(méi)有突變的情況，滑塊的速度和加速度的變化范圍不大，滑塊的位移運(yùn)動(dòng)比較流暢。滑塊的位移為105mm，符合設(shè)計(jì)之初的值。其中推程為70mm，回程為35mm。

通過(guò)以上的仿真結(jié)果，可以看出選擇驅(qū)動(dòng)函數(shù)為60d*time時(shí)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)受力均勻，運(yùn)動(dòng)平緩，符合設(shè)計(jì)的要求。

3.2 濾膜夾緊機(jī)構(gòu)計(jì)算及仿真

自動(dòng)換膜裝置的夾緊機(jī)構(gòu)由凸輪機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)本文高速輕載的工作情況，選擇凸輪的形狀為對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤(pán)狀凸輪。對(duì)推桿的要求為：行程h=40mm，推程運(yùn)動(dòng)角為，遠(yuǎn)休止角δ2=60°，回程運(yùn)動(dòng)角δ3=90°，近休止角為δ4=90°，選擇推桿的推程運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。利用ADAMS中的凸輪函數(shù)的升程表來(lái)生成凸輪的輪廓曲線(xiàn)。在Function Builder中的Define a runtime Function欄中輸入如下語(yǔ)句:“IF(time-4/12:20*(1-cos(1.5*360d*time)),40,IF(time-6/12:40,40,I F(time-10/12:40*(2.75-3*time+1/(2*pi)*sin(3*2*pi*time-3.5*pi)),0,IF(time-2:0，0，0))))”，則在ADAMS中建立的凸輪模型如圖10所示，添加的約束如表2所示。

圖10 凸輪機(jī)構(gòu)的模型及約束

表2 凸輪機(jī)構(gòu)添加的約束

單擊主工具箱中的仿真按鈕，進(jìn)行一次時(shí)間為3s，步長(zhǎng)為300的仿真。仿真的結(jié)果如圖11所示。

圖11 滾子從動(dòng)件的位移、速度圖及凸輪受力圖

從上圖可以看出滾子從動(dòng)件的位移在0～40mm之間進(jìn)行變化，變化的曲線(xiàn)滿(mǎn)足升程和回程為余弦和正弦加速度規(guī)律。滾子從動(dòng)件的速度和凸輪受力圖總體上變化均勻，沒(méi)有大的突變，說(shuō)明凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)總體上滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的要求。

4 自動(dòng)控制

粉塵采樣器采用MSP430 16位單片機(jī)進(jìn)行控制。MP430單片機(jī)具有超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、高性能模擬技術(shù)、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。粉塵采樣器的自動(dòng)換膜裝置共采用4個(gè)電機(jī)，分別為轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)1、傳送帶電機(jī)2、曲柄滑塊電機(jī)3、凸輪機(jī)構(gòu)電機(jī)4。采用1-5個(gè)工位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換膜，分別為：工位1——轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，濾膜組件自動(dòng)下料；工位2——傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將濾膜組件運(yùn)送至導(dǎo)軌；工位3——曲柄滑塊將濾膜組件推入工作位置；工位4——凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將濾膜組件壓緊；工位5——曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將完成采樣的濾膜組件推出。工作順序圖如圖12所示。

圖12 自動(dòng)換膜裝置工作順序圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)換膜裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠，與設(shè)計(jì)較符合。通過(guò)該裝置可以實(shí)現(xiàn)粉塵采樣器采樣的自動(dòng)化和準(zhǔn)確性，有效解決了粉塵采樣器工作時(shí)存在的手動(dòng)換膜所帶來(lái)的測(cè)量不準(zhǔn)、不能在無(wú)人情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。

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