籽瓜挖瓤機槽輪機構(gòu)的有限元模態(tài)分析*

丁賽飛，熊世磊，王啟慧，許家源，黃曉鵬

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

籽瓜，即“籽用西瓜”的簡稱，籽瓜具有入心脾胃，肉有降心脾胃熱，止消渴的作用，該功效已被眾多消費者所認(rèn)同，主要種植于我國西北地區(qū)的旱沙田[1-3]。傳統(tǒng)上的籽瓜主要用于破碎后取籽，大部分成份被浪費[4-6]。因此，籽瓜的綜合加工利用是一個值得解決的問題，這個問題的解決也必將改善生態(tài)環(huán)境。近幾年，籽瓜清洗、分級、去除等綜合加工工序也日漸成熟，挖瓤工序在綜合加工工藝中是一個重要環(huán)節(jié)，而籽瓜挖瓤機的研究卻少之又少，大部分現(xiàn)有的挖瓤機體積都比較笨拙，潤滑及維修都不方便[7]。因此為了滿足生產(chǎn)加工的需要，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計一種新型挖瓤機已經(jīng)勢在必行。為了設(shè)計合理的籽瓜挖瓤機，必須要對其核心部件進(jìn)行深入研究。筆者基于ANSYS19.0軟件，對課題組自主研發(fā)的籽瓜挖瓤機插瓜轉(zhuǎn)位裝置中的槽輪機構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，探究其振動特性，為整機的優(yōu)化和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

籽瓜挖瓤機的整機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要包括上瓜輸送裝置、插瓜架轉(zhuǎn)位裝置、挖瓤裝置、以及傳動機構(gòu)四部分組成。其中上瓜輸送裝置是由擺桿、盤形凸輪、托架等機構(gòu)組成；插瓜架轉(zhuǎn)位裝置是由插瓜架、槽輪等機構(gòu)組成；挖瓤裝置是由挖刀架、挖刀等機構(gòu)組成。各個運動裝置與執(zhí)行機構(gòu)之間必須按照對應(yīng)的時序要求協(xié)調(diào)配合，才能完成挖瓤任務(wù)。

圖1 籽瓜挖瓤機整機結(jié)構(gòu)圖1.擺桿 2.機架 3.盤形凸輪 4.帶輪1 5.帶輪2 6.帶輪3 7.兩圓銷-四槽輪1 8.插瓜架 9.挖刀 10.挖刀架 11.凸緣聯(lián)軸器 12.電動機1 13.齒輪1 14.平底式盤形凸輪 15.齒形帶 16.帶輪4 17.齒輪2 18.帶輪5 19.帶輪6 20.電動機2 21.帶輪7 22.齒輪3 23.撥盤 24.兩圓銷-四槽輪2 25.帶輪8 26.切刀 27.托架

1.2 工作原理

從圖1可以看出，籽瓜挖瓤機在正常工作時，籽瓜先由上瓜輸送裝置輸送至固定位置，完成送瓜至固定位置后，經(jīng)固定在機架上切刀將籽瓜切為兩半。與此同時，槽輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動，插瓜架帶動兩個半瓜轉(zhuǎn)動至上方豎直位置，保持一段時間的靜止。隨后，挖瓤架開始向下運動，挖瓤刀在傳動機構(gòu)的作用下高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)凸輪14轉(zhuǎn)過回程角時，刀架向下移動，實現(xiàn)同步挖瓤；當(dāng)凸輪14轉(zhuǎn)過近停程角時，挖瓤刀靜止在最低點，此時是為了保證較好的挖瓤率。隨后，挖瓤架上升，槽輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動，同時將瓜皮和瓜瓤送入分離導(dǎo)軌，完成挖瓤工作。

2 槽輪機構(gòu)的有限元模態(tài)分析

2.1 槽輪機構(gòu)的有限元模型的建立

先利用Solidworks2018軟件對籽瓜挖瓤機進(jìn)行整機三維建模，隨后提取槽輪機構(gòu)的進(jìn)行分析。為了簡化分析與計算，對槽輪機構(gòu)做出如下假設(shè)：槽輪機構(gòu)的材料為各向同性且密度均勻分布，槽輪機構(gòu)的材料為Q215-A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，其材料屬性參數(shù)如表1所列。

表1 Q215-A碳素結(jié)構(gòu)鋼的材料特性參數(shù)

將在Solidworks2018軟件中建立的槽輪機構(gòu)三維建模另存為.x_t格式文件，并導(dǎo)入至ANSYS19.0軟件中。由于物體的振動頻率與物質(zhì)自身屬性有關(guān)，與外界的載荷并無多大關(guān)系。故在ANSYS19.0軟件中，選擇自由模態(tài)分析模塊，然后開始對槽輪機構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)為20 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果為14 242個網(wǎng)格節(jié)點，6 890個網(wǎng)格。具體劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 槽輪機構(gòu)的有限元模型

2.2 槽輪機構(gòu)的模態(tài)分析

通過自由模態(tài)分析，得到了該槽輪機構(gòu)的固有頻率、振型云圖、以及所對應(yīng)的最大振幅。取非0的前6階振型進(jìn)行分析。具體的前6階振型特征如表2所列，固有頻率及振幅變化趨勢如圖3所示，前6階振型云圖如圖4所示。

圖3 固有頻率及振幅變化趨勢

圖4 槽輪機構(gòu)前6階振型云圖

表2 槽輪機構(gòu)前6階的模態(tài)頻率及振型特征

從表2中可以看出，該槽輪機構(gòu)的主要振型是彎曲、擺動和扭轉(zhuǎn)。前6階頻率中最大為1 515.7 Hz，最小為422.16 Hz。頻率隨階數(shù)的增加而增加，這表現(xiàn)出符合模態(tài)分析無阻尼振動的隨機性[8]。

從圖3中可以看出，該槽輪機構(gòu)的前6階固有頻率先緩緩增加，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，最后快速上升。其所對應(yīng)的最大振幅先上升再緩慢降低，變化趨勢近似為二次多項式分布。

從圖4中可以看出，該槽輪機構(gòu)的1階模態(tài)的振型主要是槽輪機構(gòu)左右部分沿X軸前后擺動，最大變形量為13.8 mm；2階模態(tài)振型是機槽輪機構(gòu)對角部分沿Y軸方向左右扭轉(zhuǎn)擺動，最大變形量是19.926 mm；3階模態(tài)振型是槽輪機構(gòu)對角部分沿X軸方向前后彎曲擺動，最大變形量是23.738 mm；4階、5階振型變化基本相似，主要是槽輪機構(gòu)對角部分沿Y軸方向左右扭轉(zhuǎn)振動，最大變形量分別是26.398 mm和26.198 mm；6階模態(tài)振型是槽輪機構(gòu)對角部分和中心槽，分別沿Y軸和X軸左右扭轉(zhuǎn)擺動和前后彎曲擺動，最大變形量是22.516 mm。

由于該機構(gòu)的前6階固有頻率相對較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于籽瓜挖瓤機運動部件的激振頻率，故不會引起共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

(1) 通過有限元模態(tài)分析可得，隨著階數(shù)的增加，該槽輪機構(gòu)的振型變化趨勢為由槽輪機構(gòu)左右部分的前后擺動轉(zhuǎn)變?yōu)椴圯啓C構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)擺動和彎曲擺動。且該槽輪機構(gòu)在第4階振型特征為對角部分沿Y軸方向左右扭轉(zhuǎn)振動，最大變形量分別是26.398 mm。

(2) 該槽輪機構(gòu)的前6階固有頻率先緩緩增加，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，最后快速上升。其所對應(yīng)的最大振幅先上升再緩慢降低，變化趨勢近似為二次多項式分布。

(3) 該槽輪機構(gòu)的前6階固有頻率相對較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于籽瓜挖瓤機運動部件的激振頻率，故不會引起共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。