打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)的仿真和應(yīng)力分析

馬春曉，曲京博，黃亞楠，孫 勇

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，哈爾濱 150301)

0 引言

我國(guó)屬于農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源十分豐富，高效的秸稈撿拾打捆設(shè)備能有效提高我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[1]。秸稈主要來(lái)源于小麥、稻谷及玉米中，具有很高的利用價(jià)值。農(nóng)民就地焚燒秸稈帶來(lái)的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題也引起全社會(huì)的關(guān)注[2]，尤其在大中城市周圍和國(guó)家重點(diǎn)公路沿線，焚燒秸稈的現(xiàn)象愈演愈烈[3]。因此，農(nóng)作物秸稈規(guī)模化收集利用逐漸成為解決環(huán)境問題和可再生能源問題越來(lái)越重要的部分[4]。秸稈打捆機(jī)作為秸稈規(guī)?；占玫墓ぞ?，已被人們逐漸認(rèn)可和接受。本文對(duì)秸稈打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)的填料過(guò)程進(jìn)行了分析，并利用實(shí)體建模和虛擬仿真技術(shù)對(duì)打捆機(jī)的喂入過(guò)程進(jìn)行模擬仿真運(yùn)動(dòng)，以期提高設(shè)計(jì)效率，為打捆機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和可行的方法。

1 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

喂入機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程是：喂入撥叉在壓縮活塞回程時(shí)，輸送喂入秸稈至壓縮室喂入口，在壓縮活塞進(jìn)程至喂入口之前，喂入撥叉離開壓縮室。因此，在保證打捆機(jī)工作性能、滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、性能可靠的前提下，喂入機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足秸稈喂入充分、喂入秸稈量均勻充足、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)則穩(wěn)定、不與壓縮室內(nèi)部件產(chǎn)生干涉等要求。

2 喂入機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

喂入機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)秸稈的輸送喂入，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對(duì)喂入性能的影響具有重要作用。以曲柄l1的軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，X軸正向水平向右，Y軸正向豎直向上，建立平面直角坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.1 喂入機(jī)構(gòu)位置分析

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的矢量方程表達(dá)式為

(1)

將式(1)向X軸和Y軸投影，得到喂入機(jī)構(gòu)的位置方程式為

(2)

為避免喂入撥叉與壓縮室內(nèi)部件產(chǎn)生干涉，曲柄轉(zhuǎn)角φ1與喂入撥叉轉(zhuǎn)角θ1應(yīng)滿足的關(guān)系式為

(3)

其中，θ1為喂入撥叉轉(zhuǎn)角(°)；θ為連桿與喂入撥叉夾角(°)；le為喂入撥叉長(zhǎng)度(mm)；L為曲柄中心到壓縮室近端的水平距離(mm)；H為曲柄中心到壓縮室近端的豎直距離(mm)。

2.2 喂入機(jī)構(gòu)速度分析

將式(2)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，得到喂入機(jī)構(gòu)速度方程式為

(4)

其中，ω1為曲柄角速度(rad/s)；ω2為連桿角速度(rad/s)；ω3為搖桿角速度(rad/s)。

式(4)的矩陣形式為

(5)

2.3 喂入機(jī)構(gòu)加速度分析

將式(5)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，得到喂入機(jī)構(gòu)加速度方程式為

3 喂入機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模

喂入機(jī)構(gòu)箱體作為喂入機(jī)構(gòu)的連接定位和固定的基準(zhǔn)，搖桿繞搖桿軸擺動(dòng)，其位置關(guān)系直接影響喂入撥叉的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此其三維模型的建立要保證定位位置和其它連接位置的精準(zhǔn)度。喂入撥叉部件三維模型和二維工程圖如圖2所示，材質(zhì)為45鋼。喂入機(jī)構(gòu)箱體三維模型如圖3(a)所示，材質(zhì)為Q235鋼。喂入機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)秸稈的輸送喂入，其中喂入撥叉部件、曲柄、搖桿的尺寸和形狀直接決定喂入機(jī)構(gòu)的工作性能。曲柄三維模型如圖3(b)所示，材質(zhì)為45鋼。搖桿三維模型如圖3(c)所示，材質(zhì)為45鋼。

圖2 喂入叉二維工程圖和三維模型

圖3 喂入機(jī)構(gòu)箱體、喂入叉驅(qū)動(dòng)曲柄、喂入叉搖臂三維模型

將繪制完成的喂入機(jī)構(gòu)零部件按照相應(yīng)的位置和結(jié)構(gòu)關(guān)系，添加約束配合，進(jìn)行喂入機(jī)構(gòu)裝配體的三維建模，如圖4所示。通過(guò)裝配體干涉檢查，確定零部件之間不存在干涉現(xiàn)象，為下一步運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析做準(zhǔn)備。

圖4 裝配體圖

經(jīng)檢測(cè)裝配后的零件之間沒有干涉現(xiàn)象，可以進(jìn)行下一步的分析及軌跡分析。

4 喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

4.1 SolidWorks機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真方法

利用SolidWorks Motion插件對(duì)喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，避免了使用不同分析軟件在導(dǎo)入過(guò)程中出現(xiàn)的格式轉(zhuǎn)換和特征混亂等問題。具體操作過(guò)程包括：

1)啟動(dòng)SolidWorks軟件，打開三維實(shí)體模型。

2)打開工具菜單欄中的插件選項(xiàng)，確認(rèn)勾選激活SolidWorks Motion插件。

3)生成新運(yùn)動(dòng)算例，并添加驅(qū)動(dòng)。

4)完成運(yùn)動(dòng)模擬仿真，生成并分析結(jié)果。

4.2 喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)設(shè)置

啟動(dòng)SolidWorks 2016軟件，打開喂入機(jī)構(gòu)裝配體三維實(shí)體模型，新建分析類型為“Motion分析”的運(yùn)動(dòng)算例。Motion運(yùn)動(dòng)仿真管理器自動(dòng)將裝配過(guò)程中添加的配合作為新建運(yùn)動(dòng)算例的約束。重點(diǎn)分析喂入撥叉端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，固定喂入機(jī)構(gòu)箱體，其余零部件均為運(yùn)動(dòng)件。在喂入機(jī)構(gòu)曲柄位置添加“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”，方向?yàn)槟鏁r(shí)針，速度類型為等速，大小為100r/min。

運(yùn)行仿真模擬前，要對(duì)運(yùn)動(dòng)算例屬性進(jìn)行設(shè)定，仿真模擬時(shí)長(zhǎng)5 s，時(shí)間間隔為0.25 s，每秒幀數(shù)為500，精確度為0.000 1。

4.3 喂入機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)與分析

完成運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)的設(shè)置后，進(jìn)入結(jié)果與圖解分析窗口。在結(jié)果的復(fù)選框中選擇跟蹤路徑，以喂入撥叉端點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，完成選擇后再次播放模擬仿真，將生成該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路線軌跡如圖5所示。

圖5(a)為喂入撥叉端點(diǎn)進(jìn)程最高點(diǎn)，即喂入撥叉進(jìn)入壓縮室的最高喂入高度；
圖5(b)為喂入撥叉從壓縮室喂入口向喂入起始位置的回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程；
圖5(c)為喂入撥叉喂入起始位置，即喂入撥叉將撿拾機(jī)構(gòu)所拾取的秸稈輸送喂入至壓縮室；圖5(d)為喂入撥叉喂入進(jìn)程，即喂入撥叉持續(xù)把秸稈輸送喂入至壓縮室。

圖5 喂入叉運(yùn)動(dòng)路線軌跡

根據(jù)喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，工作轉(zhuǎn)速為100r/min，計(jì)算出喂入撥叉角速度和運(yùn)動(dòng)周期為

其中，ω為角速度(deg/s)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

根據(jù)計(jì)算，可以得出喂入叉角速度為600°/s。

再次進(jìn)入結(jié)果與圖解分析窗口，在結(jié)果的復(fù)選框中選擇線性速度，以喂入撥叉端點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，完成選擇后再次播放模擬仿真，將生成該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度曲線，如圖6所示。

圖6 喂入叉尖端的速度測(cè)量

由1個(gè)周期內(nèi)喂入撥叉的運(yùn)動(dòng)速度曲線分析可知，喂入撥叉端點(diǎn)速度曲線存在4個(gè)極值位置，如圖7所示。

圖7 喂入機(jī)構(gòu)的極值點(diǎn)

為進(jìn)一步了解喂入機(jī)構(gòu)的的工作情況，還可以對(duì)喂入機(jī)構(gòu)的加速度及角速度進(jìn)行曲線繪制，分別如圖8和圖9所示。

圖8 喂入叉曲線加速度圖

圖9 喂入叉尖端角速度圖

結(jié)合圖7對(duì)喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真可分析如下：

1)由點(diǎn)2至點(diǎn)1復(fù)合線性速度逐漸增大，水平方向和豎直方向線性速度均為先增大后減小，并伴隨著方向的改變。點(diǎn)1的復(fù)合線性速度達(dá)到最大值，即喂入撥叉喂入進(jìn)程的速度極值。

2)由點(diǎn)1至點(diǎn)4復(fù)合線性速度逐漸減小，點(diǎn)4為喂入撥叉進(jìn)程速度最小值，即喂入撥叉至喂入最高點(diǎn)，將秸稈喂入至壓縮室內(nèi)。

3)由點(diǎn)4至點(diǎn)3復(fù)合線性速度快速增大，點(diǎn)3為喂入撥叉回程速度最大值，即喂入撥叉完成喂入動(dòng)作后快速離開壓縮室，向喂入起始點(diǎn)回退。

4)由點(diǎn)3至點(diǎn)2復(fù)合線性速度逐漸減小，點(diǎn)2為喂入撥叉回程速度最小值(即喂入起始位置)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)喂入秸稈。

5 喂入機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析

5.1 喂入叉的應(yīng)力分析

啟動(dòng)SolidWorks 2016軟件，打開喂入撥叉部件三維實(shí)體模型，新建分析類型為“靜應(yīng)力分析”的新算例。本章重點(diǎn)分析喂入撥叉端點(diǎn)的受力情況，在喂入撥叉軸套的內(nèi)表面位置添加固定夾具。

喂入撥叉每次喂入秸稈質(zhì)量約為3kg。根據(jù)撥叉喂入方向上橫截面積計(jì)算，在喂入撥叉上表面施加75N/m2的壓力，同時(shí)在連桿銷孔處施加100N/m2的壓力。

Simulation有限元管理器自動(dòng)將裝配過(guò)程中添加的材料屬性作為新建算例專題的材料。以軟件默認(rèn)網(wǎng)格密度對(duì)喂入撥叉部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

運(yùn)行此算例對(duì)喂入撥叉部件進(jìn)行有限元分析求解，生成喂入撥叉部件的應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離連桿的喂入撥叉的根部，大小為1.963×104N/m2；最大應(yīng)變同樣出現(xiàn)在該位置，數(shù)值為7.222×10-8；最大位移變形出現(xiàn)在該喂入撥叉的端點(diǎn)位置，變形量為8.65×10-5mm。

5.2 喂入叉的應(yīng)力分析

啟動(dòng)SolidWorks 2016軟件，打開搖桿三維實(shí)體模型，新建分析類型為“靜應(yīng)力分析”的新算例。在搖桿一端軸孔內(nèi)表面位置添加固定夾具，在搖桿另一端上表面施加200 N/m2的壓力，Simulation有限元管理器自動(dòng)將三維建模過(guò)程中添加的材料屬性作為新建算例專題的材料。以軟件默認(rèn)網(wǎng)格密度對(duì)搖桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)行此算例對(duì)搖桿進(jìn)行有限元分析求解。最大應(yīng)力出現(xiàn)在搖桿與連桿連接處的注油孔位置，大小為8.924×102N/m2；最大應(yīng)變同樣出現(xiàn)在該位置，數(shù)值為3.361×10-9；最大位移變形出現(xiàn)在搖桿與連桿連接位置，變形量為4.679×10-6mm。

通過(guò)喂入機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的有限元分析可知：優(yōu)化設(shè)計(jì)的喂入機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，喂入撥叉無(wú)明顯不可逆變形，可靠性高，設(shè)計(jì)后的喂入機(jī)構(gòu)如圖10所示。

圖10 喂入叉實(shí)物圖

6 結(jié)論

1) 采取公式闡述數(shù)值分析過(guò)程，按照推到的方程式得出軌跡曲線，代入數(shù)值并利用SolidWorks Motion插件繪制喂入撥叉端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，通過(guò)對(duì)喂入撥叉端點(diǎn)線性速度的分析，得出喂入撥叉速度曲線存在4個(gè)極值位置并進(jìn)行分析。為了詳細(xì)研究喂入機(jī)構(gòu)的作業(yè)情況，繪制了喂入撥叉端點(diǎn)角速度和加速度曲線。

2) 利用SolidWorks Simulation插件對(duì)喂入撥叉組件和搖桿進(jìn)行有限元分析，研究喂入機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化情況，為提高喂入機(jī)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性提供了依據(jù)。