偏擺式天然橡膠割膠裝置轉(zhuǎn)子振動特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

摘要：

偏擺式天然橡膠割膠裝置的激振動力是由轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下形成的沖擊載荷所產(chǎn)生，從而造成切割刀頭內(nèi)部出現(xiàn)受迫振動，引起構(gòu)件間發(fā)生疲勞磨損。通過理論計算構(gòu)建偏心轉(zhuǎn)子的運動方程與模型參數(shù)，利用CAE軟件對傳動結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真模擬，分析驅(qū)動叉與刀座連接處出現(xiàn)磨損的原因，構(gòu)建傳動結(jié)構(gòu)FEM模型，對比優(yōu)化前后的傳動結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、疲勞壽命強度等狀態(tài)特征。試驗表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子自有轉(zhuǎn)速大于7000r/min時，運動軌跡開始失穩(wěn)不再重合，轉(zhuǎn)子—驅(qū)動叉間的沖擊載荷也隨轉(zhuǎn)速提升而增大，導(dǎo)致驅(qū)動叉與刀座連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；通過改變驅(qū)動叉內(nèi)壁與偏心轉(zhuǎn)子的接觸結(jié)構(gòu)，可有效應(yīng)對沖擊載荷對傳動結(jié)構(gòu)的影響，通過數(shù)值分析，傳動結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力可降低25.8%。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子—驅(qū)動叉的接觸方式由平面接觸改為曲面接觸后，能夠有效降低傳動結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生及保障結(jié)構(gòu)的疲勞壽命強度，同時，適當(dāng)降低偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，可減緩沖擊載荷對傳動結(jié)構(gòu)的影響。

關(guān)鍵詞：偏心轉(zhuǎn)子；天然橡膠；切割刀頭；振動；運動軌跡

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0025-08

收稿日期：2023年8月11日" 修回日期：2023年9月19日*

基金項目：海南省自然科學(xué)基金項目資助（521QN0937， 323MS074）；海南省科技專項資助（ZDYF2021GXJS009）

第一作者：鄧祥豐，男，1995年生，?？谌?，碩士，助理研究員；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail： 928010405@qq.com

通訊作者：肖蘇偉，男，1987年生，南京人，碩士，副研究員；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail： 80096501@qq.com

Vibration characteristics analysis and structural optimization design of

rotor in natural rubber cutting device with pendulum

Deng Xiangfeng1， 2， Chen Warong1， 2， Wu Sihao1， 2， Su Xin1， 2， Fan Bo1， 2， Xiao Suwei1， 2

（1. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571101， China; 2. Mechanical

Sub-center of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center， Haikou， 571101， China）

Abstract：

The excitation force of the natural rubber cutting device is generated by the impact load formed by the high-speed rotation of the rotor， resulting in forced vibrations inside the cutting head and fatigue wear among the components. A motion equation and model parameters for the eccentric rotor are developed through theoretical calculations， and the transmission structure model is simulated by CAE software. The causes of wear at the connection between the drive fork and the cutter seat are analyzed， and the FEM model of the transmission structure is constructed to compare the stress distribution， fatigue life strength and other characteristics of the transmission structure before and after optimization. The test shows that when the rotor speed exceeds 7000 r/min， its motion trajectory becomes unstable and no longer coincides， and the impact load between the rotor and the drive fork increases with the increase of the speed， which leads to the stress concentration at the connection between the drive fork and the tool holder. By modifying the contact structure between the inner wall of the drive fork and the eccentric rotor， the impact of the impact load on the drive structure can be effectively dealt with. Through numerical analysis， the maximum stress of the whole structure can be reduced by 25.8%. The results show that the changing from planar contact to curved contact can effectively reduce the stress generation in the transmission structure and ensure its fatigue life strength. Also， appropriately reducing the rotor speed can mitigate the adverse effects of impact loads.

Keywords：

eccentric rotor; natural rubber; cutting head; vibration; motion trajectory

0 引言

天然橡膠是我國重要的戰(zhàn)略資源［1］，全國種植面積超1130khm2［2］，天然橡膠從業(yè)人員超過100萬［3］。隨著便攜式電動割膠刀的研制與推廣，一定程度上降低了技術(shù)難度，提高了作業(yè)效率，緩解棄管棄割膠園對割膠作業(yè)生產(chǎn)帶來的負(fù)面影響［4］，但長期的使用和惡劣的作業(yè)環(huán)境，容易造成機身主體的內(nèi)部零件磨損從而產(chǎn)生振動。目前，對于便攜式電動割膠裝置的振動研究較少，可參考與借鑒其他同類型的手傳振動工具研究方法，如李文擴(kuò)等［5］通過推導(dǎo)由靜、動偏心引起的諧波力，研究了振動和噪聲對轉(zhuǎn)子偏心的影響，采用傅立葉變換（FFT）計算出不同偏心距的模態(tài)階數(shù)。孟飛等［6］利用拉格朗日方程構(gòu)建多自由度的滾筒洗衣機懸掛系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過理論分析以及ADAMS仿真模擬，逆向驗證理論方法的可靠性，明確在最大振動響應(yīng)下，需要選取的偏心質(zhì)量位置與轉(zhuǎn)速區(qū)間，為后續(xù)系統(tǒng)減振研究的可行性提供方向。夏緒輝等［7］利用FEM軟件建立連鑄機的有限元模型，對偏心軸進(jìn)行模態(tài)分析，求解并提取前6階固有頻率和振型，觀察和分析偏心軸在不同模態(tài)下的斷裂形式。減振手段主要有兩種方法，第一種是針對產(chǎn)生激振力的源頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過振動耦合等方式降低振動；第二種是在激振力傳遞的路徑上，對伴隨產(chǎn)生的振動進(jìn)行隔振設(shè)計［8］。

通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著電機轉(zhuǎn)速提升，偏心轉(zhuǎn)子對傳動構(gòu)件的沖擊載荷和慣性力明顯增大，導(dǎo)致作業(yè)穩(wěn)定性下降。本文以偏擺式電動割膠裝置為研究對象，對割膠裝置偏心轉(zhuǎn)子的自有運動及與驅(qū)動叉內(nèi)壁的接觸過程展開理論分析，明晰載荷作用的位置、振動產(chǎn)生的機制與應(yīng)力分布的情況，通過赫茲接觸理論對偏心轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉內(nèi)壁的接觸形式進(jìn)行分析；通過仿真試驗，對傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為偏擺式割膠裝置的整體設(shè)計、部件優(yōu)化及穩(wěn)定性作業(yè)提供理論參考依據(jù)。

1 工作原理與振動機理分析

割膠裝置的激振機構(gòu)由無刷電機、偏心軸、偏心轉(zhuǎn)子、驅(qū)動叉等部件組成，以電源為動力驅(qū)動激振機構(gòu)從而實現(xiàn)割膠裝置運動。偏心轉(zhuǎn)子以過盈配合的方式安裝在偏心軸的軸肩上，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，通過偏心軸的聯(lián)帶作用，偏心轉(zhuǎn)子對Y型驅(qū)動叉施加一個繞軸向運動的慣性偏心力，促使兩者之間相互接觸對刀座形成以恒定線速度v的擺動軌跡，這種設(shè)計形式能夠?qū)崿F(xiàn)切割裝置傳動結(jié)構(gòu)緊湊、動力傳輸穩(wěn)定高效的目的，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過對出現(xiàn)失效的割膠裝置樣品檢測分析發(fā)現(xiàn)，切割刀頭的松動是由驅(qū)動叉長期承受偏心轉(zhuǎn)子的沖擊載荷所造成，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷與工作狀態(tài)失穩(wěn)，在高速且連續(xù)的往復(fù)偏擺運動下，隨著時間的推移將會累積形成應(yīng)力集中，在驅(qū)動叉與支承刀座軸心連接處造成受力磨損。

如圖2所示，當(dāng)驅(qū)動叉與刀座的中心定位銷孔相對位置發(fā)生偏離時，表明兩個構(gòu)件之間發(fā)生相互磨損，導(dǎo)致配合間隙尺寸出現(xiàn)變化。轉(zhuǎn)子外部產(chǎn)生劃痕后，旋轉(zhuǎn)時可能出現(xiàn)振動，噪聲等現(xiàn)象，影響轉(zhuǎn)子正常運行，甚至成為發(fā)生早期疲勞破壞的原因，如果對轉(zhuǎn)子的載荷持續(xù)施加，劃痕將繼續(xù)向整個轉(zhuǎn)子面擴(kuò)散，使外表面曲率發(fā)生變化，從而降低轉(zhuǎn)子的作業(yè)性能。

2 傳動結(jié)構(gòu)運動過程分析與沖擊載荷產(chǎn)生機制

2.1 橡膠樹皮表層切割力學(xué)特性

通常情況，樹皮的整體皮層厚度在7mm以上，組織結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次為粗皮、砂皮外層、砂皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮，其中水囊皮為存儲膠乳的部位，厚度為0.5～1mm。在割膠作業(yè)的生產(chǎn)要求中，應(yīng)合理控制割膠深度，避免割穿水囊皮影響橡膠樹的產(chǎn)膠經(jīng)濟(jì)價值與樹皮生長形態(tài)，橡膠樹具體的皮層結(jié)構(gòu)及割膠作業(yè)過程如圖3所示。

橡膠樹樣品來自海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場基地，隨機選取50株橡膠樹進(jìn)行樹皮切割力數(shù)據(jù)測量，按照割齡（即以橡膠樹開始割膠的時間計算）劃分4組，每組選取10株進(jìn)行測試。測量儀器為高精度數(shù)顯推拉力計（精度為0.01N），測量結(jié)果如表1所示。從表1可知，在切割刀片進(jìn)行割膠作業(yè)時，隨著橡膠樹割齡的變化，樹干徑圍也隨之增大，同時，所需的切割力也不同；選取表1中切割力的最大平均值70N作為數(shù)值模擬的施加載荷。

2.2 偏心轉(zhuǎn)子運動方程構(gòu)建

通過建立割膠裝置的傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型（圖4）［9］，從而解析偏心轉(zhuǎn)子在運動時的規(guī)律特征。設(shè)偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為J、質(zhì)量為m、偏心半徑為r′，轉(zhuǎn)子繞電機軸中心O旋轉(zhuǎn)，O滿足振幅為Ax、Ay的簡諧振動規(guī)律。由于偏心轉(zhuǎn)子為滾動軸承，因此，在進(jìn)行運動時，不考慮偏心轉(zhuǎn)子與其他構(gòu)件之間的摩擦力。

設(shè)O點x、y方向上的運動方程如式（1）、式（2）所示。

x=Axcosφ

x′=-ωAxsinφ

x″=-ω2Axcosφ

（1）

y=Aysinφ

y′=-ωAycosφ

y″=-ω2Aysinφ

（2）

式中： x、x′、x″——

偏心轉(zhuǎn)子在X方向上振動的位移、速度、加速度；

y、y′、y″——

偏心轉(zhuǎn)子在Y方向上振動的位移、速度、加速度；

φ——

X和Y方向上的復(fù)合振動角位移；

ω——

X和Y方向上的復(fù)合振動角頻率；

Ax——

X方向上的振幅；

Ay——

Y方向上的振幅。

圖5為振動系統(tǒng)環(huán)境中，偏心轉(zhuǎn)子在運動過程中所形成的動力學(xué)模型，該動力學(xué)系統(tǒng)可概述為在偏心轉(zhuǎn)子的運動環(huán)境中，其X方向和Y方向上產(chǎn)生的機械振動，是相對恒定但又是多維度復(fù)合形成的（多維度復(fù)合振動是機械系統(tǒng)本身的與外部作用合力而成）。在復(fù)合振動環(huán)境下，X、Y方向上的振動場強度計算如式（3）、式（4）所示。

Vx=-ω2Axcosωt

（3）

Vy=-ω2Aysinωt

（4）

偏心轉(zhuǎn)子在復(fù)合振動環(huán)境中受到X、Y方向上力矩計算如式（5）、式（6）所示。

Tx=mrx″sinθ=-mrω2Axcosφsinθ

（5）

Ty=-mry″cosθ=mrω2Aysinφcosθ

（6）

式中： θ——力矩在X方向上的夾角。

所以，根據(jù)三角函數(shù)公式推算［10］，偏心轉(zhuǎn)子在XY面上的復(fù)合力矩可聯(lián)立為

Txy=

Tx+Ty

=mrω2Aysinφcosθ-mrω2Axcosφsinθ

（7）

由式（7）可知，偏心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的沖擊載荷與自身的質(zhì)量m、角速度ω、轉(zhuǎn)子半徑r等參數(shù)相關(guān)［11］。

通過測量得到偏心轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m為13g、偏心距e為0.6mm，最高轉(zhuǎn)速n為11350r/min，將m、e、n三個參數(shù)聯(lián)立計算可得式（8），其中，角速度ω=2πn/60。

F=mω2e

（8）

通過計算沖擊載荷F的取值為11.29N。由式（8）可知，在轉(zhuǎn)子質(zhì)量一定時，轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，即對驅(qū)動叉產(chǎn)生的沖擊載荷也就越大，產(chǎn)生的扭矩也就越高，對于傳動結(jié)構(gòu)造成的沖擊也就越劇烈，如圖6所示。

2.3 偏心轉(zhuǎn)子軸心軌跡分析

如圖7所示，通過SolidWorks軟件新建傳動構(gòu)件的曲面接觸模型，轉(zhuǎn)化為X_T格式后導(dǎo)入Adams中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析，仿真時間設(shè)置為0.1s，步長設(shè)置為100，在該條件下對割膠裝置傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，在設(shè)定的無級變速0～11350r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分別以3000r/min、7000r/min、11350r/min的轉(zhuǎn)速條件進(jìn)行試驗。為使軌跡更為清晰，進(jìn)行多采樣點數(shù)的旋轉(zhuǎn)周期選取。在不同轉(zhuǎn)速中，以不施加負(fù)載、不接觸任何部件的條件，轉(zhuǎn)子的固有轉(zhuǎn)動軌跡會隨著轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，由低轉(zhuǎn)速的軌跡重疊（3000r/min）到高轉(zhuǎn)速（11350r/min）的軌跡呈現(xiàn)鋸齒波浪，這說明隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子以軸心為中點的自轉(zhuǎn)運動開始發(fā)生失穩(wěn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的位移運動軌跡不重合時，對驅(qū)動叉乃至傳動結(jié)構(gòu)整體的沖擊就愈發(fā)劇烈。

分別選取3000r/min、7000r/min、11350r/min三種轉(zhuǎn)速進(jìn)行偏心轉(zhuǎn)子的運動軌跡分析。如圖8（a）所示，在3000r/min轉(zhuǎn)速下，偏心轉(zhuǎn)子軸心運動軌跡重復(fù)性較好，軸心渦動軌跡無明顯變化；如圖8（b）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到7000r/min時，平面接觸下的偏心轉(zhuǎn)子運動軌跡開始出現(xiàn)波動，不能夠進(jìn)行軌跡重疊，失穩(wěn)的現(xiàn)象較為明顯，表明隨著速度的提高，轉(zhuǎn)子運動特性也發(fā)生變化；如圖8（c）所示，在最高轉(zhuǎn)速11350r/min下，偏心轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉的摩擦與碰撞過程更加劇烈?？梢钥闯觯S著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子自身的振動幅值也隨之加強，軸心軌跡出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩。

綜上，在3000r/min轉(zhuǎn)速下，偏心轉(zhuǎn)子運動軌跡波動幅度不大，傳動結(jié)構(gòu)的總體運動較為平穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000r/min以上，平面接觸下的運動軌跡便開始出現(xiàn)波動與不重疊的現(xiàn)象。相對于平面接觸，曲面接觸的位移幅值變化較為平穩(wěn)，內(nèi)弧面的接觸方式能夠讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的沖擊載荷均布于驅(qū)動叉內(nèi)壁，從而保持較好的運動穩(wěn)定性。

3 傳動結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與強度分析

3.1 傳動結(jié)構(gòu)受力分析

通過SolidWorks進(jìn)行三維建模分析，保存為X_T格式并導(dǎo)入ANSYS workbench中，對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，材料選擇普通碳鋼并設(shè)定相關(guān)材料參數(shù)，密度為7850kg/m3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3［12］。模型的網(wǎng)格劃分選擇四面體。在接觸關(guān)系上，刀座軸與固定軸承為轉(zhuǎn)動接觸，沿X方向?qū)︱?qū)動叉內(nèi)壁垂直施加由式（2）計算得到11.29N沖擊載荷，其他零部件接觸關(guān)系設(shè)置為固定接觸。仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

通過對比圖9、圖10在空載與負(fù)載兩種情況下的壓力分布可知，驅(qū)動叉與刀座連接處的接觸點上存在應(yīng)力分布不均的情況，主要集中在觸點的4個角位上，所受到的最大應(yīng)力為258.14MPa。在長期的高頻擺動下，容易造成壓力集中加劇驅(qū)動叉與刀座的相互磨損情況，讓傳動結(jié)構(gòu)的配合精度降低，從而造成刀頭內(nèi)部構(gòu)件的脫落，產(chǎn)生一定的振動與噪音，最終影響割膠裝置的作業(yè)效果。

3.2 偏心轉(zhuǎn)子接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子的偏心力也隨之增大，對傳動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊載荷也愈發(fā)劇烈。為降低沖擊載荷對傳動結(jié)構(gòu)的影響，除了降低轉(zhuǎn)速外，可通過改變驅(qū)動叉與刀座的接觸結(jié)構(gòu)，讓過于集中的應(yīng)力均布在驅(qū)動叉上。因此，需改變偏心轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉內(nèi)壁的接觸形式，從而減小傳動結(jié)構(gòu)失效的可能性。如圖11（a）所示，偏心轉(zhuǎn)子在繞著y1軸以角速度ω進(jìn)行圓周運動的過程中會產(chǎn)生離心力，當(dāng)該力值作用于驅(qū)動叉內(nèi)壁上便形成沖擊載荷F，為此通過將驅(qū)動叉內(nèi)壁設(shè)置為圓弧形，使平面接觸中的切應(yīng)力F1與y軸夾角β增大，如圖11（b）所示，可在偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成包絡(luò)面，減緩對驅(qū)動叉內(nèi)壁的沖擊作用。

針對偏心轉(zhuǎn)子—驅(qū)動叉之間的接觸問題與參數(shù)關(guān)系，可通過赫茲接觸理論（Hertz）進(jìn)行計算。轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉的接觸應(yīng)力P（x）關(guān)系計算［13］如式（9）所示。

P（x）=p01-x2a2

（9）

式中： p0——

轉(zhuǎn)子施加在驅(qū)動叉表面上的最大接觸應(yīng)力值，MPa；

a——

轉(zhuǎn)子—驅(qū)動叉之間的接觸半徑區(qū)，mm。

a=4F1RπE12

p0=F1EπR12

式中： F1——法向線載荷，N/mm；

E——

兩接觸體的綜合等效彈性模量，MPa;

R——接觸的等效曲率半徑，mm。

轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉的接觸綜合等效彈性模量E的表達(dá)式為

1E=1-v12E1+1-v22E2

式中： v1——偏心轉(zhuǎn)子的泊松比；

v2——驅(qū)動叉的泊松比；

E1——偏心轉(zhuǎn)子的彈性模量，MPa；

E2——驅(qū)動叉的彈性模量，MPa。

其中，轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉的接觸等效曲率半徑R為

1R=1R1+1R2

當(dāng)驅(qū)動叉的內(nèi)壁為平面時，其R2的取值可視為趨向于無限大。

3.3 曲面接觸結(jié)構(gòu)運動分析

通過SolidWorks新建曲面接觸的模型結(jié)構(gòu)，如圖12所示，轉(zhuǎn)化為X_T格式后導(dǎo)入Adams中，按照傳動結(jié)構(gòu)的運動設(shè)計參數(shù)內(nèi)容，對優(yōu)化后的曲面接觸結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真分析。

如圖13所示，相比于圖8，基于對平面接觸的分析結(jié)果，優(yōu)化后的曲面接觸軸心運動軌跡趨近于平穩(wěn)，曲線軌跡波動得到大幅度改善，意味著在受到同等沖擊載荷的作用下，曲面接觸形式能夠更好地應(yīng)對載荷影響，使偏心轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)運動時能夠平緩地與驅(qū)動叉內(nèi)壁接觸。

由圖14可知，相比于平面接觸的構(gòu)件形式，當(dāng)傳動結(jié)構(gòu)為曲面接觸時，沖擊載荷的曲線幅值明顯改變，初具規(guī)律性與平穩(wěn)性，這表明，在曲面接觸的傳動方式下，產(chǎn)生的沖擊載荷能夠均布于驅(qū)動叉的內(nèi)弧面上。相比于原結(jié)構(gòu)，避免在啟動瞬間轉(zhuǎn)子施加在驅(qū)動叉內(nèi)壁上的沖擊載荷會突然增大，達(dá)到最高峰值后又會回落的情況，降低結(jié)構(gòu)反復(fù)循環(huán)造成的疲勞破壞可能性。

結(jié)合圖15（a）與圖14（b），以最高轉(zhuǎn)速與負(fù)載70N作為施加條件，將兩種接觸方式的接觸力幅值、時間、頻率轉(zhuǎn)化為傅里葉變換三維圖像（FFT 3D）［14］，如圖16所示，能夠更為直觀地反映兩者所產(chǎn)生的沖擊載荷變化規(guī)律，相比于平面接觸，在相同負(fù)載條件下，采用曲面接觸形式的頻譜曲線較為光滑平整，無明顯鋸齒形波動，且曲線周期變化具有較好的平穩(wěn)性。

對比圖9、圖10和圖17、圖18可知，偏心轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉內(nèi)壁的接觸形式由平面—曲面設(shè)計成曲面—曲面的結(jié)構(gòu)形式后，傳動結(jié)構(gòu)的整體最大應(yīng)力值在空載與負(fù)載兩種情況下明顯減小，分別由原結(jié)構(gòu)的23.83MPa、258.14MPa降低至17.68MPa、191.54MPa，降幅為25.1%和25.8%，應(yīng)力值具有明顯的改善；由于偏心轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉內(nèi)壁的接觸形式和接觸面積改變，使傳遞于驅(qū)動叉上的沖擊載荷能夠較好地均勻分布在其表面，避免出現(xiàn)應(yīng)力過于集中在某一點位。

3.4 傳動結(jié)構(gòu)疲勞性能分析

在常規(guī)的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全壽命評估中，Miner線性損傷理論作為一種典型疲勞損傷累積理論，能夠應(yīng)用在不同循環(huán)載荷作用下，產(chǎn)生的損傷均為各自獨立的情況，總體損傷能夠通過在同一應(yīng)力水平下的累積損傷求和得到。

Miner累計損傷理論可表示為［15］

∑mi=1niNi=1

（10）

式中： ni——各應(yīng)力水平下的循環(huán)數(shù)；

Ni——各應(yīng)力水平下的循環(huán)壽命。

材料的S—N曲線是進(jìn)行應(yīng)力疲勞分析基礎(chǔ)［16］，該曲線描述了各循環(huán)應(yīng)力與達(dá)到破壞結(jié)構(gòu)壽命時的線性關(guān)系。為繪制S—N曲線需進(jìn)行疲勞試驗，對多組別的試樣施加不同應(yīng)力幅值的循環(huán)載荷，就得到對應(yīng)組別的破壞循環(huán)數(shù)，以每次循環(huán)應(yīng)力中的最大應(yīng)力為Y軸，破壞循環(huán)數(shù)為X軸，就能繪制出相應(yīng)的S—N曲線。在軟件的設(shè)定條件下，所選材料最高疲勞壽命次數(shù)為106循環(huán)，其應(yīng)力取值的變化如圖19所示［17］。

隨著轉(zhuǎn)速的改變，偏心轉(zhuǎn)子與驅(qū)動叉內(nèi)壁之間產(chǎn)生恒定的交變載荷，所以，傳動結(jié)構(gòu)的強度分析應(yīng)考慮在靜強度條件的交變應(yīng)力作用下是否會發(fā)生疲勞損壞［18］。在對優(yōu)化后的傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上，建立新結(jié)構(gòu)的疲勞分析，結(jié)合碳鋼材料的疲勞特性S—N曲線（應(yīng)力—壽命曲線）進(jìn)行分析。曲面接觸的傳動結(jié)構(gòu)強度分析云圖如圖20所示。

如表2所示，經(jīng)過對驅(qū)動叉與刀座軸的接觸點位結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)總體重量差異不大，在應(yīng)力值、形變值以及疲勞分析參數(shù)等方面均優(yōu)于原先結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

在高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的沖擊載荷作用下，切割刀頭內(nèi)部出現(xiàn)的受迫振動是由構(gòu)件間發(fā)生疲勞磨損而引起的，通過理論計算構(gòu)建偏心轉(zhuǎn)子的運動方程與模型參數(shù)，利用CAE對傳動結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析與優(yōu)化，分析驅(qū)動叉與刀座連接處產(chǎn)生磨損的原因。

1） 通過理論計算得出，在最高轉(zhuǎn)速11350r/min下，傳動結(jié)構(gòu)空載沖擊載荷為11.29N，與仿真得到的11.69N相差3.4%，兩者計算結(jié)果誤差相對較小，轉(zhuǎn)子—驅(qū)動叉間的沖擊載荷也隨轉(zhuǎn)速提升而增大。

2） 通過Adams仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏心轉(zhuǎn)子的自有轉(zhuǎn)速提升至7000r/min時，運動軌跡開始失穩(wěn)不再重合；驅(qū)動叉與刀座連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，通過改變驅(qū)動叉內(nèi)壁與偏心轉(zhuǎn)子的接觸結(jié)構(gòu)，可有效應(yīng)對沖擊載荷對傳動結(jié)構(gòu)的影響，相比之下，結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力可降低25.8%。

3） 通過改變轉(zhuǎn)子—驅(qū)動叉的接觸方式，能夠有效降低傳動結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生及保障結(jié)構(gòu)的疲勞壽命強度，同時適當(dāng)降低偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，可減緩沖擊載荷對結(jié)構(gòu)的影響，為偏擺式割膠裝置整體設(shè)計、部件優(yōu)化及穩(wěn)定性作業(yè)提供理論參考依據(jù)。

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