基于Inventor 的大蒜根頸切割機有限元仿真設(shè)計

任曉智,李福敏,岑光杜,畢天滋,李有立,沙詩琴

(廣西大學 機械工程學院,南寧 530004 )

0 引言

我國的大蒜產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70%以上,行業(yè)發(fā)展良好,市場空間廣闊。大蒜收獲過程中,在挖掘、清土過后需要切除大蒜的蒜頸和根須,目前切去大蒜的根須和莖葉采用手工處理,主要用剪刀剪去或用刀割去,操作不安全,且效率低、強度大?，F(xiàn)在的市場上專門解決這個問題的農(nóng)業(yè)機械較少,急需一種安全、有效的大蒜根莖切割裝置來方便蒜農(nóng)們對大蒜收獲時的處理。

為了解決大蒜人工切根勞動強度大、效率低的問題,設(shè)計了一種大蒜根莖切除裝置,實現(xiàn)了自動化大蒜根莖切割機的物流傳輸功能和根莖切除功能。同時,利用Autodesk Inventor建立虛擬仿真模型,對設(shè)計方案進行了有限元仿真和分析,提前預測驗證大蒜根莖切割機機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)過程的可行性和其主要零部件材料是否滿足強度及剛度要求。另外,對大蒜絲根切除機進行實物樣機的試驗,獲得數(shù)據(jù),結(jié)果表明:該機在滿足農(nóng)業(yè)收獲需求的前提下實現(xiàn)了自動化大蒜根莖切除。

1 設(shè)計原理及機構(gòu)

1.1 設(shè)計原理

大蒜根莖切割機是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大蒜根須和蒜頸機械化切除的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備,總體運動主要包括刀具的上下往復切割運動、鏈條帶動的傳輸運動,以及連接二者的齒輪聯(lián)動機構(gòu)運動。本裝置各機構(gòu)配合實現(xiàn)了對大蒜根須和蒜頸的切除及大蒜的傳輸功能,如圖1所示。

1. 驅(qū)動電機 2.不完全齒輪 3.齒條 4.回位彈簧 5.單向齒輪 6.剪切支撐板 7.儲存筐 8.軸承座 9.鏈輪 10.鏈條 11.機架 12.刀片 13.刀具支撐架 14.滑塊 15.連桿 16.驅(qū)動盤圖1 大蒜根莖切割機的三維造型Fig.1 Three dimensional modeling of garlic rhizome cutting machine

1.2 刀具剪切機構(gòu)設(shè)計

在進行大蒜根莖切割機的設(shè)計時,設(shè)計了以對心曲柄滑塊機構(gòu)為關(guān)鍵部件的刀具切割機構(gòu),以實現(xiàn)刀具的上下往復運動。本裝置的刀具切割機構(gòu)如圖2所示。其中,刀具的剪切速度v1=75.36mm/s,此切削速度稍大于人工的瞬時切削速度,可以滿足大蒜切割過程的切口質(zhì)量,保證了切割的可行性。

1. 驅(qū)動電機 2.不完全齒輪 3.齒條 4.回位彈簧 5.單向齒輪 6.剪切支撐板 10.鏈條 12.刀片 13.刀具支撐架 14.滑塊 15.連桿 16.驅(qū)動盤圖2 刀具切割機構(gòu)三維模型圖Fig.2 Three dimensional model diagram of cutter cutting mechanism

1.3 傳輸機構(gòu)的設(shè)計

傳輸機構(gòu)的作用是將大蒜不斷地送入刀具切割機構(gòu)完成切割,需要保證運輸過程能為剪切支撐板提供足夠的剛性和穩(wěn)定性。傳輸機構(gòu)的傳輸動力來源于鏈輪和鏈條,鏈輪的分度圓直徑為61.79mm,齒數(shù)為10,兩鏈輪的中心距為380mm。剪切載運板的作用是運載大蒜與切割時起到支撐作用,每兩塊剪切載運板之間的間距為58mm。通過計算可知:單向齒輪每切換1個工位需要轉(zhuǎn)動的角度為107.61°,即

式中dx—剪切載運板的間距(mm);

d—鏈輪的分度圓直徑(mm);

δ—切換1次工位鏈輪需要轉(zhuǎn)動的角度(°)。

1.4 齒輪齒條聯(lián)動機構(gòu)的設(shè)計

采用不完全齒輪將電動機的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為間歇傳動,齒條的作用是將機架上部的電動機的動力傳到下部。采用單向轉(zhuǎn)動齒輪可以使齒條回位時不影響傳輸鏈的單向傳動。

式中φ1—不完全齒輪有效驅(qū)動角(°)。

單向齒輪的分度圓和不完全齒輪的分度圓直徑相同,所以單向齒輪的回轉(zhuǎn)角度為108°,此角度可以實現(xiàn)大蒜根莖切割機的齒輪齒條聯(lián)動機構(gòu)工位的準確切換。齒輪的主要參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of gears

表2 大蒜根莖切割機性能試驗結(jié)果Table 2 The performance test results of garlic rhizome cutting machine

2 大蒜根莖切割機及其部件的有限元分析

2.1 建立有限元模型

將Inventor建立的三維模型直接在Inventor中進行有限元分析,根據(jù)大蒜根莖切割機的工況需求,選擇材料為45鋼及灰口鑄鐵等。采用六面體網(wǎng)格劃分的方法,對大蒜根莖切割機整機進行網(wǎng)格劃分,通過Inventor網(wǎng)格劃分功能生成有限元模型。網(wǎng)格模型的元素總數(shù)為269 179,節(jié)點數(shù)為488 630,如圖3所示。

圖3 大蒜根莖切割機整機網(wǎng)格劃分模型Fig.3 The mesh generation model of garlic rhizome cutting machine

2.2 支撐機架的有限元應力分析

支撐機架決定了大蒜根莖切割機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)材料相關(guān)系數(shù),定義材料為灰口鑄鐵,材料的楊氏模量為90GPa,泊松比為0.3,密度為7 150kg/m3。根據(jù)電動機、驅(qū)動盤、連桿切割刀具、剪切載運板及鏈輪鏈條的重力分布,同時考慮剪切力對機架帶來的影響來定義載荷,載荷分布如圖4、圖5所示。同時,生成Mises等效應力云圖。觀察等效應力云圖可知:支撐機架的最大應力位置在下方支撐腳架的直角連接處,最大應力為3.041MPa,小于灰口鑄鐵的極限應力;位移最大量為0.065 91mm,小于灰口鐵的許用撓度,安全系數(shù)>15。由此可以保證使用的強度要求和安全性。

圖4 整體支撐機架等效應力云圖Fig.4 The mises equivalent stress cloud chart of garlic rhizome cutting machine frame

圖5 整體支撐機架機架位移云圖Fig.5 The displacement chart of integral support rack rack

2.3 對刀具切割機構(gòu)的有限元應力分析

刀具切割機構(gòu)的功能是切除大蒜的根須和蒜頸,其力學性能關(guān)系著大蒜根莖切割機的工作質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。因此,取電動機功率為250W,電動機經(jīng)過方形齒輪減速機減速過后的轉(zhuǎn)速為14r/min。假設(shè)連桿為理想二力桿、刀具切割過程近似為勻速,本文設(shè)大蒜前端根須部分的直徑為d1=25mm,后部蒜頸部分的直徑為12mm。根須部分的屈服極限為σs1=67kPa,蒜頸部分的屈服極限σs2=36kPa,通過以下計算可求得刀具所受到的剪切力,即

式中l(wèi)—連桿長度(mm);

R—驅(qū)動盤等效曲柄長度(mm);

α—驅(qū)動盤轉(zhuǎn)角(°);

β—連桿與等效曲柄夾角(°);

γ—連桿與切割刀具的壓力角(°);

T—電機轉(zhuǎn)矩(N·m);

F1—連桿受力(N);

F2—刀具切割力(N);

mX—刀具及切割部件質(zhì)量(kg)。

通過以上計算,可以求得切割時各零件的幾何關(guān)系,即α=120°,β=106°,γ=14°;并可以近似求得連桿所受載荷和刀具所受載荷,即F1=52.10N,F2=50.56N,電動機所提供的最大轉(zhuǎn)矩為81.85N·m。通過Inventor Professional 2016建立有限元網(wǎng)格模型,定義刀具為碳素合金鋼,驅(qū)動盤連桿等零件定義為45鋼。通過上述計算施加力和載荷,通過Inventor分析功能生成有限元應力云圖,如圖6、圖7所示。

圖6 刀具切割機構(gòu)形變位移云圖Fig.6 The deformation and displacement nephogram of cutter cutting mechanism

圖7 刀具切割機構(gòu)等效應力云圖Fig.7 The deformation and displacement nephogram of cutter cutting mechanism

通過刀具切割機構(gòu)的等效應力云圖可知:最大應力在剪切載運板與傳輸鏈之間的螺釘連接處,其值為14.49MPa,45鋼的許用應力為355MPa,滿足使用要求;最大位移量為0.009 319mm,小于剪切載運板的許用撓度0.54mm,滿足剛度的使用要求。

2.4 對齒輪聯(lián)動機構(gòu)的有限元分析

不完全齒輪驅(qū)動齒條產(chǎn)生的最大位移為dy=47.1mm,由于齒條向下運動會擠壓回升彈簧,所以齒條對齒輪的齒形的擠壓力的樹直分量即為彈簧由于彈性變形所產(chǎn)生的彈性力F彈,則

F彈=k·Δx=10.25N

在Inventor中建立模型,定義材料為結(jié)構(gòu)鋼,自動生成六面體網(wǎng)格,以齒輪孔內(nèi)壁為固定面形成約束,并施加在樹直方向的由彈簧產(chǎn)生的彈力載荷。由于齒輪所受載荷取決于彈簧受壓程度,所以取齒輪最后嚙合的一個齒所承受的載荷可看成受力面所承受載荷的最大值,建立工況模型并求解分析。

通過應力云圖和位移云圖(見圖8、圖9)可知:最大應力為0.781 3MPa,最大變形為1.2×10-7m。已知結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度為215～235MPa,屈服強度遠大于最大應力,結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m>1.2×10-7m,所以齒輪聯(lián)動機構(gòu)滿足彈性形變要求,并預留有一定的安全裕度。

圖8 齒輪聯(lián)動機構(gòu)等效應力云圖Fig.8 The equivalent force cloud chart of gear linkage mechanism

圖9 齒輪聯(lián)動機構(gòu)形變位移云圖Fig.9 The deformation displacement cloud chart of gear linkage mechanism

3 樣機試驗

對大蒜根莖切割機主要機構(gòu)進行了有限元分析,以此來優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)和各部分零件尺寸,從而保證最好的力學性能和安全性。制作出實物樣機并測試,實物樣機的工作效率為10～11顆/min,普通人工用剪刀切除根須和蒜頸的效率為3顆/min,大大減輕了勞動強度,實現(xiàn)了大蒜根莖切割的機械自動化,滿足了蒜農(nóng)對根須切除機器的需求。大蒜根莖切割機性能試驗指標如表2 所示。

4 結(jié)論

1)大蒜根莖切割機具有優(yōu)良的工作性能和安全性,工作效率約為人工的3.5倍,極大地降低了大蒜加工時的勞動強度。

2)設(shè)置了刀具切割機構(gòu)和傳輸機構(gòu)的聯(lián)動機構(gòu),并通過仿真及實物驗證其傳動的精準度,保證了兩者的配合精度,提高了自動化程度。

3)大蒜根莖切割機具有體積小、實用性高的特點,工作效率相對人工大大提高,滿足了大蒜收獲過程中對大蒜根須及蒜頸切除設(shè)備的需求。