采棉機發(fā)動機罩網(wǎng)自動清理裝置設(shè)計與分析

吳天松，胡 蓉，趙慶展，王永爍

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.兵團工業(yè)技術(shù)研究院，新疆 石河子 832000)

0 引言

作為以棉花種植為主的農(nóng)業(yè)大省，為了提升棉花收獲的總體經(jīng)濟效益，新疆不斷增加機采棉引進及推廣應(yīng)用，使農(nóng)機化水平獲得進一步提升[1]。新疆地處干旱區(qū)域，晝夜溫差較大，氣候較為干熱，采棉機工作環(huán)境復(fù)雜[2]。采棉機工作時，周圍會產(chǎn)生棉絮、砂粒、灰塵等雜質(zhì)，且由于采棉機發(fā)動機渦輪在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生負(fù)壓，對發(fā)動機渦輪周圍的棉絮等雜質(zhì)產(chǎn)生吸力，因此采棉機發(fā)動機外側(cè)裝有防護罩網(wǎng)，防止雜質(zhì)進入機箱內(nèi)造成發(fā)動機故障[3]。一旦防護罩網(wǎng)上網(wǎng)孔被雜質(zhì)堵塞，不能及時清理，發(fā)動機產(chǎn)生熱量不能及時散發(fā)出去，發(fā)動機渦輪產(chǎn)生的負(fù)壓也會急劇變化，發(fā)動機進氣受阻，溫度迅速上升，就會造成發(fā)動機故障[4]。清掃機在國外使用較早，發(fā)展也很迅速，用途較為廣泛，技術(shù)上基本趨于成熟。M.Abdel Wahab等[5]根據(jù)實際有過被擠壓的垃圾難以被清理的現(xiàn)象，分析了盤刷刷毛與垃圾顆粒接觸的原理和能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得刷毛與垃圾顆粒的最佳接觸形式。Vanegas Useche，L.V等[6]創(chuàng)建了清掃車盤刷的物理模型，將刷毛依照分析懸臂梁形式進行建模。郭梟等[7]結(jié)合自動除塵系統(tǒng)工作狀態(tài)中相應(yīng)遮擋對其光伏元件輸出影響和達(dá)到的除塵效果做了研究，提出導(dǎo)光伏元件自動除塵系統(tǒng)運行啟動時刻與持續(xù)時間的設(shè)置,進而獲得了良好的除塵效果。根據(jù)實地調(diào)研統(tǒng)計，采棉機在采收0.4～0.533hm2地時，采棉機駕駛員或其工作人員就會用清掃工具來清掃粘附在防護罩網(wǎng)上的雜質(zhì)，不僅耗費人力，且清掃頻率只是人為預(yù)估，并不能保證防護罩網(wǎng)上的雜質(zhì)得到及時清理。為此，針對采棉機工作的實際需求，設(shè)計出了一種采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)自動清理裝置，旨在降低了采棉機工作人員的勞動強度，避免了人工清掃的不確定性，從而降低采棉機發(fā)動機的故障率，為采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)自動清理裝置后期進一步研發(fā)提供支持。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計方案與工作原理

1.1.1 設(shè)計方案

采棉機防護罩網(wǎng)自動清理裝置用于清掃采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)上的雜質(zhì)，主要包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計兩部分[8]， 如圖1所示。該自動清理裝置主要由電機、滑軌 、刷滾軸、絲杠、聯(lián)軸器、PLC控制盒，以及用于與連接固定的螺栓、支撐座、軸承座等組成，可以對采棉機防護罩網(wǎng)進行往復(fù)清掃，清掃頻率和時間可以根據(jù)具體環(huán)境設(shè)定。

1.1.2 工作原理

工作時，相應(yīng)傳感器實時監(jiān)測網(wǎng)孔上雜質(zhì)的吸附情況，當(dāng)防護罩網(wǎng)上的雜質(zhì)吸附量達(dá)到預(yù)定的警戒值時，傳感器將感應(yīng)到的物理量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號給控制核心；控制核心發(fā)出指令控制電機A和電機B轉(zhuǎn)動，電機A轉(zhuǎn)動驅(qū)動刷滾軸轉(zhuǎn)動，刷滾軸上的刷毛清掃防護罩網(wǎng)上粘附的雜質(zhì)，電機B正轉(zhuǎn)，驅(qū)動絲杠桿正向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動螺母沿驅(qū)動桿自前而后運動,則刷滾軸開始自前而后清掃采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)的表面；當(dāng)刷滾軸到達(dá)最后端后，PLC控制盒控制其電路使電機反轉(zhuǎn)；驅(qū)動螺紋驅(qū)動桿反向轉(zhuǎn)動,驅(qū)動螺母沿驅(qū)動桿自后而前運動,則刷滾軸開始自后而前再次清掃采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)的表面；當(dāng)刷滾軸到達(dá)最前端之后，觸發(fā)電路行程開關(guān)，切斷電機反轉(zhuǎn)回路，電機轉(zhuǎn)動停止，1個清掃周期完成。

1.軸承座 2.螺栓B 3.電機A 4.聯(lián)軸器 5.刷輥軸 6.滑塊 7.支撐座 8.螺栓A 9.試驗臺板 10.滑軌 11.固定導(dǎo)向桿 12.刷滾軸軸承套 13.刷毛 14.電機B 15.電機B支撐座 16.移動絲杠 17.絲杠螺母 18.試驗臺支架 19.采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng) 20.雜質(zhì)收集槽 21.PLC控制箱圖1 采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)自動清理裝置的結(jié)構(gòu)軸測圖

1.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

1.2.1 刷輥軸的設(shè)計

目前使用的刷輥類型多種多樣，常用刷絲直徑約0.05～2mm，刷體最小直徑為25mm，刷體最長 5.5m[9]。設(shè)計的采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)清理裝置，要邊清掃邊運動，考慮到刷桿的強度，選用圓柱實心毛刷輥;又由于為所洗物材質(zhì)為碳鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)動機防護罩網(wǎng)，所以刷毛用尼龍610，刷輥用 45鋼。使用尼龍材質(zhì)刷毛清掃發(fā)動機外側(cè)的防護罩網(wǎng)進行清掃，不僅要求減少被清掃物的損傷，而且要求刷絲要有良好的彈性和一定的抗壓性。所選尼龍610刷絲不僅彈性好，而且抗磨損性能和抗壓性能良好。毛刷輥如圖 2所示。

1.2.2 滾動軸承的設(shè)計

本裝置根據(jù)設(shè)計要求選擇深溝球軸承，其軸承座如圖3所示。圖3中，止推環(huán)用來固定軸承；圓槽的作用是密封，選用O形封圈。本設(shè)計使用深溝球軸承，選用滾動軸承座，并用1個止推環(huán)來固定軸承[10]。

圖2 清掃刷輥

圖3 滾動軸承座

1.2.3 運動導(dǎo)軌的設(shè)計

選用的滑軌為直線運動滾動導(dǎo)軌，主要由滑塊、滾珠、端蓋、導(dǎo)軌和回流模組組成，如圖4所示。其特點是滑塊和導(dǎo)軌之間用滾珠作為動力傳輸，可無限做摩擦較小的循環(huán)滾動，而且把滑塊緊緊固定在導(dǎo)軌上，可以使清掃裝置中的電機A沿導(dǎo)軌做高精度及高速的直線運動。

圖 4 直線運動滾動導(dǎo)軌示意圖

1)基本靜額定負(fù)荷。當(dāng)直線導(dǎo)軌處于靜止?fàn)顟B(tài)時，如果受到大的沖擊載荷，其珠道或者滾動體可能發(fā)生嚴(yán)重變形，影響導(dǎo)軌正常使用，因此要按靜額定負(fù)荷對導(dǎo)軌來選型?；眷o額定負(fù)荷為

C0≥FS·P0

(1)

式中C0—額定靜負(fù)荷(kgf)；

P0—單個滑塊上的靜負(fù)荷或沖擊負(fù)荷(kgf)；

FS—負(fù)荷安全系數(shù),大小按表1選擇。

表1 靜載荷安全系數(shù)

2)基本動額定負(fù)荷。當(dāng)直線導(dǎo)軌處于工作狀態(tài)時，如果其滾珠或珠道面承受了變力的作用發(fā)生了損傷，那么要按動額定負(fù)荷對導(dǎo)軌來選型[11]。

直線運動滾動導(dǎo)軌受到的載荷為p，其工作總行走距離L與其基本動額定負(fù)荷C的關(guān)系為

(2)

式中L—總行走距離(壽命)(km)；

C—基本動額定負(fù)載荷(kgf)；

P—導(dǎo)軌受到的載荷(kgf)。

因為實際的工作情形或許同實驗條件有一定的差別，如其工作載荷會因?qū)嶋H狀況改變等因素，所以把式(2)修改成

(3)

式中L—總行走距離(壽命)(km)；

C—基本動額定負(fù)載荷(kgf)；

fh—硬度系數(shù)；

ft—溫度系數(shù)；

fc—接觸系數(shù)；

fw—負(fù)荷系數(shù)；

PC—計算負(fù)荷(kgf)。

在設(shè)計時，壽命用時間來表示。設(shè)滾動導(dǎo)軌進行往復(fù)運動的行程為ls(m),每分鐘的往復(fù)行程數(shù)為n1,工作總行走距離L(km)和時間壽命Lh(h)二者的關(guān)系表示為

(4)

2 清掃刷輥的模態(tài)分析

模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)或機械零件的振動特性(即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型)，避免與其他工作部件發(fā)生共振。刷輥作為清理裝置的重要部件，如果電機、清理裝置等各部件的振型頻率與刷輥的頻率相同，刷輥較容易發(fā)生共振，因此要對刷輥進行合理的模態(tài)分析。

2.1 模型的導(dǎo)入與材料屬性的定義

將SolidWorks建立的刷輥模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，并設(shè)置模型的單位為mm[12]。為了便于計算，需要對有限元的模型給與簡化，如圖5所示。由于主要是分析刷輥軸的特性，所以本模型將刷輥上的刷毛簡化掉，將軸承座及軸套用圓柱面約束進行了替代。根據(jù)相關(guān)計算及實際需求，刷輥材質(zhì)采用Q235A較為合適。

圖5 清掃刷輥

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，建立正確合理的網(wǎng)格模型對計算結(jié)果的精度影響較大，所以網(wǎng)格劃分需要合適的方法[13]。刷輥模型采用的是四面體網(wǎng)格劃分，使用的是patch conforming算法。網(wǎng)格劃分完成后共有55 857個節(jié)點和30 855個單元，如圖6所示。

圖6 刷輥網(wǎng)格劃分

2.3 約束的設(shè)置與求解

根據(jù)刷輥實際工作狀態(tài)，在刷輥模型兩端施加固定約束，位移邊界條件是在軸承座及軸套位置施加圓柱面約束，約束軸向和徑向的自由度，放開切向自由度。

圖7 前6階模態(tài)振型云圖

階數(shù)頻率/Hz階數(shù)頻率/Hz120.377220.544321.470421.491542.004655.134

2.4 約束模態(tài)結(jié)果分析

隨著模態(tài)順序的增加，清潔刷輥的變形程度先減小后增大。由表2中的刷輥的前6個模態(tài)頻率的數(shù)據(jù)可以看出：刷輥的第1和第2、第3和第4階的頻率是相似的，它們兩兩之間的振型變化也較為接近；前2階的變形主要是某一端的彎曲變形，3階和4階主要變形發(fā)生在整個刷輥彎曲變形，第5階時出現(xiàn)了大的圓周變形，第6階時振動幅度最為明顯，變形情況最為嚴(yán)重。

由于刷輥設(shè)計的工作轉(zhuǎn)速在240/min以下，屬于低速范圍，轉(zhuǎn)速對刷輥軸固有頻率基本沒有影響，因此旋轉(zhuǎn)速度對刷輥臨界速度的影響可以忽略。根據(jù)刷輥模態(tài)分析得到的固有頻率，由式(5)計算刷輥的臨界轉(zhuǎn)速，即

n=60f

(5)

式中n—臨界轉(zhuǎn)速(r/min)；

f—固有頻率(Hz)。

刷輥軸模態(tài)第1階臨界轉(zhuǎn)速n1=60×20.377=1 222.62r/min,該計算轉(zhuǎn)速大于刷輥的最高工作轉(zhuǎn)速240r/min；而前6階固有頻率在20.377～55.134之間，固有頻率較高，其固有頻率沒有與清理裝置其他零部件接近或耦合的頻率。這表明，說明該主軸設(shè)計是合理的，能有效地避開共振區(qū)，刷輥不會發(fā)生共振[14]。

3 吸附雜質(zhì)和刷輥刷毛特性分析

3.1 吸附雜質(zhì)的物理特性

根據(jù)在石河子農(nóng)八師136團采棉機工作現(xiàn)場實地跟蹤調(diào)研，采棉機發(fā)動機外側(cè)的防護罩網(wǎng)表面吸附的雜質(zhì)主要有灰塵、棉絮、砂粒等，物理性質(zhì)各不相同[15]。為了保證清掃裝置設(shè)計的準(zhǔn)確性，需要對輕掃雜質(zhì)的物理特性進行分析。本文主要針對雜質(zhì)中顆粒物的特性進行分析。

1)顆粒密度。表觀密度是指材料質(zhì)量與表觀體積的比值，由于顆粒之間有空隙存在，因此影響雜質(zhì)收集槽的設(shè)計。真密度指的是單位體積的顆粒質(zhì)量，這影響到刷輥速度的確定。兩個密度之間的關(guān)系可用公式表述為

ρε=(1-ε)ρ

(6)

式中ρε—顆粒的表觀密度(kg/m3)；

農(nóng)業(yè)機械的保養(yǎng)要按照“防重于治、養(yǎng)重于修”的原則，切實執(zhí)行技術(shù)保養(yǎng)規(guī)程，動力機械要按主燃油消耗量確定保養(yǎng)周期，按時、按號、按項、按技術(shù)要求進行保養(yǎng)，達(dá)到技術(shù)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，確保機具處于完好的技術(shù)狀態(tài)。

ε—空隙率；

ρ—顆粒的真密度(kg/m3)。

表3為常見顆粒物的表觀密度和真密度。

表3 常見顆粒物的表觀密度和真密度

2)顆粒粒徑。顆粒粒徑是顆粒物的基本特性之一，其體積是判斷顆粒物粗細(xì)的指標(biāo)，而體積的大小歸根結(jié)底為粒徑的分析。由于道路上的顆粒物形狀均不規(guī)則，所以分析粒徑時應(yīng)做出適當(dāng)轉(zhuǎn)化，在清掃裝置的研究中主要轉(zhuǎn)換方法為當(dāng)量粒徑。當(dāng)量粒徑采用等體積法(利用光散射法測定)，將不規(guī)則顆粒物轉(zhuǎn)化為體積相等的球體，該球體的直徑即為當(dāng)量粒徑。當(dāng)量粒徑的計算公式為

(7)

式中V—顆粒的實際體積(m3)；

d—當(dāng)量粒徑(m)。

3)顆粒球形度。研究垃圾顆粒物運動等情況時，都是把顆粒物假設(shè)成圓球體來進行研究，而實際上它們都是不規(guī)則的顆粒狀，因此會導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在一定誤差，會對刷輥的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定有一定影響[16]。所以，引用球形度來作為矯正系數(shù)，表示顆粒與球體的接近程度。它們之間的關(guān)系可用公式表述為

κ=A/Ac

(8)

式中κ—顆粒球形度；

A—顆粒表面積(m2)；

AC—當(dāng)量球體表面積(m2)。

常見顆粒物的球形度如表4所示。

表4 常見顆粒物的球形度

根據(jù)以上顆粒物理特性及主要顆粒物占的百分比，為了使本研究更具有準(zhǔn)確性，選擇顆粒物中所占百分比較高的砂粒為分析對象。

3.2 刷輥刷毛的力學(xué)特性

刷毛的分布類型與所清掃的對象密切相關(guān)，因本文對象是砂粒顆粒物，所以刷輥類型選擇清掃效果較好的圓柱形刷輥[17]。其刷毛沿圓柱體上分段密集分布，可使垃圾顆粒物在被刷毛分散彈起時又有種向刷輥中心聚攏的趨勢，避免了二次揚塵，從而達(dá)到較好的清掃效果。圓柱體分段分布刷輥的清掃作業(yè)是刷毛與砂粒顆粒的非線性接觸問題，刷毛的彎曲變形產(chǎn)生在橫向截面XY平面和縱向截面YZ平面。圖8為刷毛與砂粒顆粒橫向截面內(nèi)的接觸示意圖。其中，砂粒的法向接觸力Fn和切向摩擦力Fτ使刷毛產(chǎn)生彎矩M,γ為刷絲與垂直方向的夾角，R為刷輥半徑。由于刷絲為尼龍塑料，剛度小、彈性變形量大，當(dāng)刷絲與砂粒剛發(fā)生點接觸時，兩者仍處于靜平衡狀態(tài)，接觸點的彎矩為零。隨著刷輥的轉(zhuǎn)動，刷絲與砂粒間開始相互運動，兩者間的接觸點與其產(chǎn)生的彎矩零點也隨之變化。

圖 8 刷毛與砂粒橫向截面接觸

圖9為刷毛在縱向截面的受力分析。為充分研究砂粒在縱向截面內(nèi)的受力，將刷毛作用力F分解為縱向力FY和橫向力FZ。FY將砂粒拋入刷輥使之繞刷輥做圓周運動，F(xiàn)Z將砂粒沿刷輥軸心線方向中心靠攏。當(dāng)φ=0時,FZ=0，F(xiàn)Z則將砂粒只能垂直于刷輥做圓周運動，無法橫向運動；當(dāng)φ增大時，橫向力FZ隨之增大，但橫向力FZ過大會導(dǎo)致刷輥轉(zhuǎn)動橫向滑移速度增大，加快刷毛的磨損。

圖9 刷毛在縱向截面的受力分析

4 試驗驗證

為檢驗該采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)自動清理裝置清掃效果，特在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師136團和新疆新建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程開發(fā)有限公司機庫進行試驗對比。圖10為兵團農(nóng)八師136團調(diào)研圖，圖11為自動清理裝置試驗臺，圖12為人工掃把清掃罩網(wǎng)和清理裝置清掃刷輥清掃效果對比情況。

圖 10 兵團農(nóng)八師136團調(diào)研現(xiàn)場

圖11 清理裝置試驗臺

圖12 人工清掃和清理裝置清掃刷輥清掃罩網(wǎng)對比圖

試驗選用的采棉機型號為迪爾9970，是新疆目前應(yīng)用較為廣泛的一種機型。其發(fā)動機防護罩網(wǎng)平面形狀為長方形，長104.2cm,寬51.5cm。罩網(wǎng)上均勻分布許多小孔，罩網(wǎng)厚度3.44cm。隨后，選同一個型號采棉機罩網(wǎng)，分別多次進行人工罩網(wǎng)清理，把清理裝置清掃刷輥的清理效果和清理效率進行對比。試驗完成之后 ，收集試驗區(qū)域掉落在地上的雜質(zhì)、罩網(wǎng)上未清理掉的雜質(zhì)并稱重，根據(jù)式(9)測得清理裝置的清掃率，即

(9)

式中S—清理裝置刷輥工作過程中的清掃率(%)；

m1—試驗區(qū)域內(nèi)掉落在地上雜質(zhì)的質(zhì)量(kg)；

m2—罩網(wǎng)上未清理掉的雜質(zhì)質(zhì)量(kg)。

試驗結(jié)果如表5所示。

表5 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

1)設(shè)計了一種采棉機發(fā)動機防護罩網(wǎng)自動清理裝置，可實現(xiàn)發(fā)動機防護罩網(wǎng)粘附雜質(zhì)的自動清理作業(yè)，從而減小采棉機發(fā)動機故障率。

2)在SolidWorks軟件中創(chuàng)建清理裝置的三維模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中對其刷輥進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)刷輥不會發(fā)生共振，滿足使用要求。探討分析了刷輥刷毛的清掃性能，主要包括垃圾顆粒的物理特性和刷毛的力學(xué)特性分析。

3)為檢驗清理裝置清掃率等性能，對清理裝置清掃刷輥清掃率和人工的清掃率進行試驗對比分析，結(jié)果表明：人工清掃雜質(zhì)清掃率在80%～85%之間，而清理裝置刷輥工作過程中雜質(zhì)清掃率大于 90% ，裝置在工作過程中可靠性高，各項性能均滿足要求[18]。