基于Pro/Mechanica的軌道式割膠機(jī)設(shè)計(jì)及分析

（海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228）

0 引言

橡膠樹是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，從中獲取的膠乳由于其具有較好的防水性、可塑性和絕緣性，可加工成多種產(chǎn)品，如粘合劑、膠乳制品和薄膜等[1]。經(jīng)適當(dāng)處理后，可獲得良好的密封及防震效果，從而廣泛應(yīng)用在民用設(shè)備、軍事器械上，甚至用到衛(wèi)星、飛船及火箭等高精度尖端設(shè)備中。市場(chǎng)對(duì)天然橡膠的巨大需求，使得如何高效從橡膠樹上獲取膠乳變的尤為重要。

割膠機(jī)械是獲得天然橡膠的關(guān)鍵因素，直接決定橡膠產(chǎn)量、割膠效率、作業(yè)強(qiáng)度以及對(duì)樹的傷害程度[2～6]。目前割膠機(jī)械分為三類，第一類為傳統(tǒng)優(yōu)化推式手動(dòng)割膠刀，它在傳統(tǒng)膠刀基礎(chǔ)上添加監(jiān)測(cè)和控制割膠深度的裝置[3]、添加照明裝置以備夜間作業(yè)或?qū)⒌额^設(shè)計(jì)為可更換式的[4,5]，但此種割膠刀依然需要專業(yè)膠工操作進(jìn)行，未解決浪費(fèi)人力及費(fèi)時(shí)等問題；第二類為電動(dòng)割膠刀[6～9]，此類割膠機(jī)械實(shí)現(xiàn)了從人力到電力的革新，增加了限位機(jī)構(gòu)、使用電力驅(qū)動(dòng)，提高割膠效率，但由于仍需要人工操作，未實(shí)現(xiàn)割膠機(jī)械自動(dòng)化；第三類為自動(dòng)割膠機(jī)[10,11]，此類割膠工具可將機(jī)器固定在樹上進(jìn)行自動(dòng)控制割膠，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)深度限位、仿形及自動(dòng)循軌等功能，目前此類割膠工具的研究雖有一定進(jìn)展，但仍存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜、故障頻發(fā)和成本較高等問題，導(dǎo)致市場(chǎng)應(yīng)用程度較低。本研究則是對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)割膠機(jī)進(jìn)行優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，對(duì)于割膠軌跡、深度和表面仿形等影響割膠效果的因素均能實(shí)現(xiàn)很好的控制，本分析可為智能自動(dòng)割膠機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了方法和依據(jù)。

1 割膠機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

軌道式割膠機(jī)主要由執(zhí)行刀具、載行緊固架和縱向行程機(jī)構(gòu)三部分組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行刀具的設(shè)計(jì)使得該部分能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)循軌以及對(duì)割膠深度和角度的控制，從而自動(dòng)完成割膠過程；載行緊固架用于支撐執(zhí)行刀具的割膠運(yùn)動(dòng)以及使整機(jī)固定在膠樹上；縱向行程機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在每次割膠完成后讓刀頭相對(duì)于割線向下（或向上）移動(dòng)指定高度，為下次割膠做準(zhǔn)備。

圖1 軌道式割膠機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

通過載行緊固架中的可拼接式軌道及夾緊裝置的作用，將機(jī)器固定在橡膠樹的相應(yīng)開割位置，調(diào)節(jié)刀頭角度后開始自動(dòng)化割膠過程，割膠機(jī)工作的控制線路如圖2所示。

圖2 控制線路圖

由圖2可知，當(dāng)SB1閉合，啟動(dòng)執(zhí)行刀具中的電機(jī)M1帶動(dòng)行星外齒輪繞載行緊固架上的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循軌正行程割膠。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到行程開關(guān)SQ1位置時(shí)（即已完成割膠的位置），SQ1的斷開使得與其相對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn)閉合進(jìn)而開始回到原來的初始割膠位置，簡(jiǎn)稱回位，回位完成后將觸發(fā)行程開關(guān)SQ2，與其相對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn)閉合，M2電機(jī)使得裝置開始進(jìn)行升降操作（其中SB2的開閉決定升降模式），完成一周期的割膠過程，即通過對(duì)于SB1按鍵的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了割膠自動(dòng)化的控制，SB2按鍵則用于設(shè)置縱向行程機(jī)構(gòu)的工作模式（從下往上割時(shí)需要關(guān)閉SB2，反之則需打開SB2）。其中熔斷器FU起到短路保護(hù)，熱繼電器FR起到過載保護(hù)，以免特殊情況發(fā)生。

1.3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

載行緊固架由可拼接式軌道、夾緊裝置和兩個(gè)行程開關(guān)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。行程開關(guān)SQ1完成了從割膠開始到回位的切換，行程開關(guān)SQ2實(shí)現(xiàn)了割膠完成后刀具的下移，為下次割膠工作做準(zhǔn)備。

圖3 載行緊固架

執(zhí)行刀具由刀頭、滾輪、行星外齒輪、旋轉(zhuǎn)裝置和相應(yīng)機(jī)體組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。割膠刀頭設(shè)計(jì)成V型結(jié)構(gòu)，刀頭和滾輪之間的徑向（刀頭到軌道圓心的方向）可調(diào)距離即為限位深度值。由于正行程割膠時(shí)，電機(jī)會(huì)保持刀具機(jī)體內(nèi)部的彈簧處于向外伸趨勢(shì)，使得滾輪在樹皮表面的滾動(dòng)的同時(shí)保持上述限位深度值，即達(dá)到了仿形的效果，實(shí)現(xiàn)刀頭隨樹皮表面起伏而調(diào)整彈簧的徑向伸出長度，保證割膠深度的一致性。而旋轉(zhuǎn)裝置則是用于調(diào)節(jié)刀頭和水平面的角度，從而減少傷樹程度，實(shí)現(xiàn)增加橡膠產(chǎn)量；在反行程回位時(shí)，電機(jī)不驅(qū)動(dòng)彈簧外伸，彈簧處于原長狀態(tài)，即收刀回位。下側(cè)的行星外齒輪將與載行緊固架中軌道內(nèi)齒輪配合，讓執(zhí)行刀具能夠在軌道上移動(dòng)，完成弧線割膠工作。

圖4 執(zhí)行刀具

縱向行程機(jī)構(gòu)包括滑塊、絲杠和機(jī)架組成?；瑝K用于連接并帶動(dòng)載行緊固架，絲杠與滑塊通過電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)，互相配合實(shí)現(xiàn)縱向的精確移動(dòng)，升降的距離由時(shí)間繼電器KT決定，結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中絲杠轉(zhuǎn)速、設(shè)定時(shí)間與升降距離成正相關(guān)關(guān)系：

其中，X為升降距離，n為絲杠轉(zhuǎn)速，t為時(shí)間繼電器所設(shè)定的時(shí)間，a為絲杠轉(zhuǎn)一圈滑塊移動(dòng)的距離。

圖5 縱向行程機(jī)構(gòu)

2 整機(jī)模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析設(shè)定

割膠機(jī)工作時(shí)，振動(dòng)是影響整機(jī)穩(wěn)定性主要因素，決定能否順利完成割膠作業(yè)，模態(tài)分析是研究動(dòng)力學(xué)的分析方法，所謂模態(tài)是指機(jī)械內(nèi)部的固有振動(dòng)特性，包括阻尼比、模態(tài)振型以及固有頻率，主要用來確定裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其看作一個(gè)N個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，即：

上式中各符號(hào)為該系統(tǒng)的：[K]為剛度矩陣；[M]為質(zhì)量矩陣；[f]為阻尼矩陣；[F]為受到的外載荷矩陣；x為位移矢量；t為時(shí)間。由于通常假設(shè)為不添加外載荷條件下的自由振動(dòng)，即[F(t)]=0，[f]=0；可將原式化簡(jiǎn)為：

由此分析理論可知，N自由度的振動(dòng)是由許多簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的加和形成的，即x(t)可以表示為：

式中{xm}為振幅，ωn為振動(dòng)頻率，Φ為相位角?？汕蟮茫?/p>

將式(4)、式(5)代入式(3)中得：

由于系統(tǒng)振幅{xm}≠0，則（[M]-ω2n[K]）有非零解，便可以求出第m階系統(tǒng)的固有頻率及對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。運(yùn)用Pro/E建立分析模型，對(duì)不影響模態(tài)分析的幾何元素進(jìn)行簡(jiǎn)化。利用無縫集成在Pro/E軟件中的Pro/Mechanica模塊，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析。材料設(shè)定：刀頭選用12Cr13，其他部件選用45號(hào)鋼。添加位移約束至相應(yīng)的模型位置，由于模態(tài)分析是分析系統(tǒng)的自振特性，與外界荷載無關(guān)，因此不需要對(duì)模型施加荷載。利用AutoGEM設(shè)置參照并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定最大元素尺寸為50mm后，對(duì)模型的模擬診斷共計(jì)創(chuàng)建了27101個(gè)元素和8361個(gè)節(jié)點(diǎn)，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 模態(tài)分析AutoGEM設(shè)定參數(shù)

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

利用Mechanica分析并研究整機(jī)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，采用收斂中的單通道自適應(yīng)方法獲取系統(tǒng)的模態(tài)振型及其頻率，各階固有頻率如圖6所示，所對(duì)應(yīng)的振型如圖7所示。由于低階模態(tài)振型對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)特性有較大影響，所以提取前6階即可判斷是否滿足要求，由圖6的信息可知模態(tài)頻率和階次成正相關(guān)關(guān)系，前6階的模態(tài)頻率在40～400Hz的范圍內(nèi)，其中最小的是第1階固有頻率（41.36Hz）；為保證電機(jī)振動(dòng)頻率低于整個(gè)機(jī)構(gòu)的最小固有頻率，達(dá)到防止電機(jī)與整個(gè)機(jī)構(gòu)發(fā)生共振的作用，所以裝置中應(yīng)選取低于1階固有頻率的電機(jī)，便可避免機(jī)體由于共振造成的破壞；由圖7中仿真分析結(jié)果可知，1階振型主要為機(jī)體下側(cè)的繞x軸的擺動(dòng)，越靠下側(cè)振動(dòng)幅度越大；2階振型表現(xiàn)為沿x軸的彎曲振動(dòng)，機(jī)體中下部分形變量較大；3、6階振型的主振部位為兩側(cè)縱向行程機(jī)構(gòu)繞y軸的交錯(cuò)彎曲振動(dòng)，3階為右側(cè)彎曲較為嚴(yán)重，而6階為左側(cè)較為嚴(yán)重；4、5階振型的主振部位為右行程結(jié)構(gòu)的下側(cè)部分，其中4階表現(xiàn)為沿x軸的搖擺振動(dòng)，而5階則是繞y軸的彎曲振動(dòng)，通過各階振型云圖可知，機(jī)體的薄弱部分為縱向行程結(jié)構(gòu)的下側(cè)，在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中需要適當(dāng)?shù)募庸蹋蕴岣咴O(shè)備的穩(wěn)定及安全性。

圖6 模態(tài)頻率變化圖

圖7 割膠機(jī)的第1～6階模態(tài)振型

3 關(guān)鍵部件穩(wěn)態(tài)受力分析

3.1 割膠刀頭的分析

割膠刀頭性能決定了整個(gè)割膠機(jī)切割能力，為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，減少運(yùn)算量，只對(duì)刀頭部件進(jìn)行有限元分析。首先創(chuàng)建有限元模型，然后利用無縫集成在Pro/E軟件中的Mechanica模塊，對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)受力分析。由于割膠刀頭在作業(yè)過程中會(huì)承受較大的沖擊和振動(dòng)，選取強(qiáng)度和韌性較高的不銹鋼材料12Cr13，并設(shè)置詳細(xì)材料參數(shù)，如表2所示。利用AutoGEM設(shè)置參照、最大元素尺寸為1mm后，對(duì)模型ANSYS的模擬診斷總共總共創(chuàng)建了7916個(gè)元素和2125個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表2 割膠刀頭材料參數(shù)

對(duì)刀頭施加保持深度的固定邊界條件，在割膠接觸側(cè)添加1KN均布載荷，對(duì)整體添加9.8m2/s的重力場(chǎng)，利用Mechanica模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)受力分析計(jì)算，得到割膠刀頭的mises應(yīng)力和位移的仿真分析結(jié)果，如圖8所示。由圖8(a)可知應(yīng)力極值危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在V型刀頭的外緣邊上，其中σmax=269.9MPa，由于合金刀具鋼12Cr13屬于高強(qiáng)度鋼材，屈服極限較高，且沒有明顯的屈服階段，則將產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力做為條件屈服極限，查表可知12Cr13的σ0.2=345MPa，即σmax＜σ0.2，模型的最大應(yīng)力值小于條件屈服極限值，故刀頭的模型設(shè)計(jì)滿足實(shí)際情況的使用要求，選材料為12Cr13較為合理；由圖8(b)所示，刀頭發(fā)生位移的極值在10～4mm的數(shù)量級(jí)，已可忽略不計(jì)，這是由于采用V型的刀頭結(jié)構(gòu)可以增大切割時(shí)散熱面積，并對(duì)已切割橡膠樹皮進(jìn)行導(dǎo)流，有效減小割膠阻力，防止刀頭發(fā)生破壞。

圖8 刀頭穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果

3.2 載行緊固架的分析

載行緊固架不僅要承載刀具的重量，還需要其軌道內(nèi)齒條與行星輪作用，從而帶動(dòng)執(zhí)行刀具作業(yè)；由于整個(gè)割膠機(jī)作業(yè)效果取決于刀具的穩(wěn)定性，而刀具的穩(wěn)定又是由載行緊固架決定的，所以對(duì)其進(jìn)行受力分析，探究結(jié)構(gòu)形式與選材是否滿足工作要求。創(chuàng)建分析模型，賦予材料參數(shù)，由于此部件上表面受到周期性壓力，需要有高的疲勞強(qiáng)度、耐磨性，選取平均含Si量0.2%、平均含Mn量0.65%的45號(hào)鋼，設(shè)置詳細(xì)材料參數(shù)，如表3所示。設(shè)置參照屬性，定義最大元素尺寸為20mm，劃分模型為11480個(gè)元素和3389個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表3 載行緊固架材料參數(shù)

對(duì)載行緊固架的兩側(cè)端面添加固定邊界條件；并對(duì)作業(yè)區(qū)域施加某一時(shí)刻的工作載荷，其中包括緊固架與執(zhí)行刀具接觸部分上表面受到的1MPa壓力，以及軌道內(nèi)圓弧面受到的反向作用壓力1MPa；分析得到模型的mises應(yīng)力和位移的云圖，如圖9所示。由圖9(a)可知，模型應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在執(zhí)行刀具下側(cè)并靠近內(nèi)軌道齒條處，其中σmax=12.38MPa，查表可知45號(hào)鋼的σs=355MPa，σmax＜＜σs即模型最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，可知載行緊固架的模型設(shè)計(jì)滿足割膠工況要求。由圖9(b)可知，模型位移形變的最大值出現(xiàn)在緊固架外環(huán)表面與執(zhí)行刀具的接觸處，Xmax=0.0128mm，由于目前割膠作業(yè)要求的縱向厚度為1.8～2.2mm[12]，可知最大位移與實(shí)際割膠縱向厚度相差百倍級(jí)別，載行緊固架的變形不會(huì)影響到割膠效果，所以緊固架結(jié)構(gòu)形式也滿足支撐與保持割膠縱向厚度的要求。綜合上述應(yīng)力和位移兩方面的分析，載行緊固架的結(jié)構(gòu)滿足割膠工作要求，選材料為45號(hào)較為合理。

圖9 載行緊固架穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）軌道式割膠機(jī)在功能方面不僅實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)按鍵控制整個(gè)自動(dòng)化割膠過程，而且通過機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)影響橡膠產(chǎn)量因素的控制，包括由滾輪和刀具組成限位裝置，實(shí)現(xiàn)刀頭在樹表面仿形割膠，并可保持割膠深度一致；執(zhí)行刀具上的旋轉(zhuǎn)裝置用于調(diào)整割膠角度。

2）對(duì)整機(jī)的模態(tài)分析得到了第1階的固有頻率為41.36Hz，裝置中的電機(jī)參數(shù)選取低于1階固有頻率的，便可避免機(jī)體的破壞，從而提高設(shè)備的穩(wěn)定及安全性；從模態(tài)振型中可知機(jī)體的薄弱部分為縱向行程結(jié)構(gòu)的下側(cè)，在后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中需要適當(dāng)?shù)募庸獭?/p>

3）載行緊固架選用45號(hào)鋼、刀頭選用12Cr13，并通過Pro/Mechanica對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵部件模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)受力分析，得到模型受力最大值均小于對(duì)應(yīng)的許用值，產(chǎn)生的位移變形量均不影響正常作業(yè)，進(jìn)一步證明了本割膠機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。