棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)槽輪機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)分析

張學(xué)軍

（山西省農(nóng)產(chǎn)品加工裝備技術(shù)管理站，山西太原　030031）

棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)槽輪機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)分析

張學(xué)軍

（山西省農(nóng)產(chǎn)品加工裝備技術(shù)管理站，山西太原030031）

為了完成棗去核機(jī)的虛擬樣機(jī)分析，針對(duì)棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上料系統(tǒng)間歇式上料的槽輪結(jié)構(gòu)，確定其設(shè)計(jì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用UG軟件創(chuàng)建了槽輪、撥盤(pán)、撥銷(xiāo)的三維模型，并根據(jù)其工作過(guò)程中的相互接觸關(guān)系進(jìn)行裝配。將建立的槽輪機(jī)構(gòu)三維立體模型引入ADAMS系統(tǒng)，設(shè)置有關(guān)相互作用力數(shù)據(jù)，建立槽輪各部件的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，形成完整的虛擬樣機(jī)三維立體模型。設(shè)立槽輪機(jī)構(gòu)在90，180，360°/s這3種工況下進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，3種工作條件下槽輪部件間的作用力大小接近，總體變化不大，說(shuō)明棗去核機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力穩(wěn)定、性能良好。

棗去核機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)；槽輪機(jī)構(gòu)；虛擬樣機(jī)

0　引言

機(jī)械中常用的間歇機(jī)構(gòu)有棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、針輪機(jī)構(gòu)等，各種間歇機(jī)構(gòu)有其各自的特點(diǎn)［1］。槽輪機(jī)構(gòu)具有構(gòu)造原理簡(jiǎn)單、機(jī)械效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在多種機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用［2-7］。在棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到棗去核機(jī)工作狀態(tài)中各部件整體運(yùn)動(dòng)速度較低，而且運(yùn)動(dòng)形式多為轉(zhuǎn)動(dòng)，符合槽輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)時(shí)存在柔性沖擊，常用于速度不太高的情況，結(jié)合機(jī)器設(shè)計(jì)成本的考量，最終選擇槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)間歇式上料［8］。

去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先在計(jì)算機(jī)中利用虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual prototyping）構(gòu)建出槽輪機(jī)構(gòu)的整體三維模型，依托計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)在使用時(shí)的各種工作狀況進(jìn)行詳細(xì)仿真分析，運(yùn)用大量數(shù)據(jù)和圖表測(cè)算分析槽輪機(jī)構(gòu)作為去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的整體性能，最終得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，從而提升產(chǎn)品的各項(xiàng)工作性能［1］。通常使用的虛擬樣機(jī)技術(shù)分析軟件是ADAMS（Automatic dynamics anal ysis of mechanical system）［9］。

本文將針對(duì)棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上料系統(tǒng)間歇式上料的槽輪機(jī)構(gòu)，確定其設(shè)計(jì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用UG軟件創(chuàng)建槽輪、撥盤(pán)、撥銷(xiāo)的三維模型，并根據(jù)其工作過(guò)程中的相互接觸關(guān)系進(jìn)行裝配；將建立的槽輪裝配三維模型在ADAMS環(huán)境中形成一個(gè)完整的虛擬樣機(jī)模型；對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)在90，180，360°/s這3種工況下進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中槽輪機(jī)構(gòu)的特性。

1　槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維模型的建立

1.1槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的槽輪機(jī)構(gòu)由以下部件組成：撥盤(pán)、撥銷(xiāo)、槽輪與機(jī)架，撥銷(xiāo)與撥盤(pán)安裝在一起整體運(yùn)轉(zhuǎn)。在槽輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，撥盤(pán)是主動(dòng)件，做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；槽輪是被動(dòng)件，通過(guò)撥銷(xiāo)的作用力進(jìn)行間歇運(yùn)動(dòng)。槽輪的槽數(shù)越多，傳動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程動(dòng)力性越好；槽輪的槽數(shù)越少，傳動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程間歇時(shí)間越長(zhǎng)［1］。本文中根據(jù)棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合要求，計(jì)算出槽輪機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)［10］。

棗去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　棗去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2棗去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的建立

1.2.1三維模型引入

利用UG系統(tǒng)在電腦中完成槽輪機(jī)構(gòu)三維模型的建立與裝配。槽輪機(jī)構(gòu)包括槽輪、撥盤(pán)和撥銷(xiāo)。將模型以parasolid（.*xt）格式導(dǎo)出到ADAMS中。

槽輪機(jī)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。

圖1　槽輪機(jī)構(gòu)模型

1.2.2施加部件之間的約束

把棗去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)的三維模型引入ADAMS后，在電腦中輸入已計(jì)算好的撥盤(pán)與撥銷(xiāo)、地面與撥盤(pán)、地面與槽輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)值；槽輪與撥銷(xiāo)、槽輪與撥盤(pán)之間的接觸力數(shù)值，形成2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度與3個(gè)平移自由度的約束，建立槽輪機(jī)構(gòu)不同部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，做好虛擬樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模型。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副變化的操作，收集撥銷(xiāo)、槽輪、撥盤(pán)在工作過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)和各項(xiàng)數(shù)值分析研究。本研究分析中，槽輪機(jī)構(gòu)處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)，槽輪與撥盤(pán)接觸弧面之間摩擦產(chǎn)生的影響在研究分析中可以忽略，槽輪與撥銷(xiāo)之間從開(kāi)始到結(jié)束嚙合過(guò)程中的碰撞也不影響本文的分析研究，槽輪機(jī)構(gòu)中各部件之間的接觸力參數(shù)設(shè)計(jì)，采用文獻(xiàn)中的默認(rèn)設(shè)置來(lái)研究。

1.2.3施加驅(qū)動(dòng)

撥盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角速度分別設(shè)定為90，180，360°/s，計(jì)算出槽輪撥盤(pán)軸在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)在撥盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)副上施加不同的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。

1.2.4施加阻力矩

根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］，計(jì)算出棗去核機(jī)在工作過(guò)程中槽輪的負(fù)載功率為：

則槽輪所受到的阻力矩為：

按照軟件操作程序，模擬在槽輪上施加阻力矩。

槽輪機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型見(jiàn)圖2。

圖2　槽輪機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

1.2.5復(fù)制與設(shè)置模型

該棗去核機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)采用YVP系列變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，對(duì)去核機(jī)在工作過(guò)程中槽輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力情況進(jìn)行比較，分別選擇撥盤(pán)旋轉(zhuǎn)角速度為90，180，360°/s下的工作狀況進(jìn)行仿真分析。在電動(dòng)機(jī)輸出確定的前提下，工作速度越大，則阻力矩越小，所以虛擬樣機(jī)模型的阻力矩分別為114.34，57.17，28.585 N·m。

1.2.6模型自檢

模型設(shè)置完成后，根據(jù)軟件操作程序?qū)δＰ腿哂嗉s束、自由度進(jìn)行檢查。自檢結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的模型自由度為6，共有9個(gè)移動(dòng)部件、9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、3個(gè)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多余約束，說(shuō)明模型自動(dòng)檢驗(yàn)完成并獲得成功，可以進(jìn)行下一步操作，對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)作仿真分析。

槽輪機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型自檢見(jiàn)圖3。

圖3　槽輪機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型自檢

2　去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)的仿真分析及理論分析

槽輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，槽輪在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的撥盤(pán)驅(qū)動(dòng)力作用下完成間歇運(yùn)動(dòng)，槽輪角加速度與角速度計(jì)算公式分別如下：

式中：ε2——槽輪角加速度，°/s2；

ω1——撥盤(pán)角速度，°/s；

ω2——槽輪角速度，°/s；

θ——撥盤(pán)轉(zhuǎn)角，°；

λ——槽數(shù)確定后為一常數(shù)1/2。按照公式（1），（2）分析：當(dāng)撥盤(pán)以固定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，ω1不變，槽輪角加速度與角速度隨著撥盤(pán)轉(zhuǎn)角θ在不斷變化；而當(dāng)槽輪不動(dòng)，槽輪角速度為0時(shí)，槽輪角加速度仍在變化，因此撥銷(xiāo)撥動(dòng)槽輪時(shí)，槽輪會(huì)受到一定沖擊。

3　槽輪機(jī)構(gòu)的仿真分析

本文是在ADAMS軟件系統(tǒng)中，對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。首先，在軟件中，設(shè)置槽輪機(jī)構(gòu)工作參數(shù)：仿真終止時(shí)間4 s，步長(zhǎng)7 850，精度0.001。在分析中需設(shè)置2次槽輪嚙合，對(duì)槽輪的受力狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究分析。因?yàn)椴圯啓C(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，槽輪的角速度一直在不斷變化，槽輪自轉(zhuǎn)的慣性，也會(huì)引起沖擊和振動(dòng)，所以需要重復(fù)進(jìn)行分析測(cè)量，以確保數(shù)據(jù)有普遍性。對(duì)撥盤(pán)、槽輪的旋轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行測(cè)量時(shí)，以撥盤(pán)、槽輪的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)為定點(diǎn)，在地面及撥盤(pán)、槽輪上標(biāo)記不同的動(dòng)、定點(diǎn)，然后進(jìn)行反復(fù)測(cè)量。最后，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS的后處理模塊對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)仿真形成的相關(guān)曲線圖進(jìn)行編輯。

撥盤(pán)時(shí)間-角位移圖見(jiàn)圖4，槽輪時(shí)間-角位移圖見(jiàn)圖5。

圖4　撥盤(pán)時(shí)間-角位移圖

圖5　槽輪時(shí)間-角位移圖

圖4為槽輪機(jī)構(gòu)仿真工作過(guò)程中撥盤(pán)角位移圖，為3條斜向上的直線，說(shuō)明3個(gè)模型的撥盤(pán)在4 s內(nèi)分別勻速旋轉(zhuǎn)了1 440，720，180°；圖5為槽輪機(jī)構(gòu)仿真工作過(guò)程中的槽輪角位移圖，從圖中能夠看出，3個(gè)仿真模型分別工作了4，2，1個(gè)周期，每個(gè)周期的前1/3，槽輪角位移一直在不均勻的增加，說(shuō)明槽輪在撥盤(pán)的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；在每個(gè)周期的后2/3，槽輪角位移維持在每個(gè)周期的最大值不動(dòng)，說(shuō)明槽輪與撥盤(pán)的鎖止弧嚙合，保持靜止?fàn)顟B(tài)。

撥盤(pán)角位移-槽輪角速度圖見(jiàn)圖6，撥盤(pán)角位移-槽輪角速度局部放大圖見(jiàn)圖7，撥盤(pán)角位移-槽輪角加速度圖見(jiàn)圖8，撥盤(pán)角位移-撥銷(xiāo)與槽輪接觸力圖見(jiàn)圖9。

圖6　撥盤(pán)角位移-槽輪角速度圖

由圖6～圖9可知，槽輪在撥盤(pán)上撥銷(xiāo)的作用下一直在保持轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度不停在變化。當(dāng)撥銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)到槽輪軸心與撥盤(pán)的連線上時(shí)，槽輪角速度達(dá)到最大值186.83°/s。圖中曲線表明，撥銷(xiāo)與槽輪間接觸力產(chǎn)生的時(shí)間、槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中角加速度、角速度的突變時(shí)間一致。說(shuō)明當(dāng)撥銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)到槽輪底部時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了改變，槽輪槽壁間發(fā)生碰撞產(chǎn)生沖擊。圖中槽輪機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，角速度、角加速度曲線都呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明撥盤(pán)與槽輪的鎖止弧在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表面之間的接觸而產(chǎn)生沖擊。從撥盤(pán)位移曲線放大圖中能夠看出，撥銷(xiāo)與槽輪接觸時(shí)發(fā)生沖擊，角速度波動(dòng)值為41.25°/s。上列圖中曲線是槽輪機(jī)構(gòu)在90，180，360°/s這3種工況下的仿真分析，從圖中可以看出，90，180，360°/s這3種工作條件下槽輪部件間的作用力大小接近，總體變化不大，說(shuō)明棗去核機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力穩(wěn)定、性能良好。

圖7　撥盤(pán)角位移-槽輪角速度局部放大圖

圖8　撥盤(pán)角位移-槽輪角加速度圖

圖9　撥盤(pán)角位移-撥銷(xiāo)與槽輪接觸力圖

4　結(jié)論

針對(duì)棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上料系統(tǒng)間歇式上料的槽輪結(jié)構(gòu)，依據(jù)確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用UG軟件創(chuàng)建了槽輪機(jī)構(gòu)的三維模型，在ADAMS環(huán)境中形成了一個(gè)完整的虛擬樣機(jī)模型，并針對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了90，180，360°/s這3種工況下的仿真分析。結(jié)果表明，3種工作條件下槽輪部件間的作用力大小接近，總體變化不大，說(shuō)明棗去核機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力穩(wěn)定、性能良好。

該方法在棗去核機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)其他部件的仿真分析中也都得到了很好的應(yīng)用，也可以推廣到其他機(jī)械的仿真分析中。

［1］鄒慧君，殷鴻梁.間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：78-83.

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Red Jujube to Nuclear Slot Wheel Mechanism of
the Virtual Prototype Machine Transmission System Analysis

ZHANG Xuejun
（Shanxi Agricultural Processing Equipment and Technology Management Stations，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

In order to complete the date to the virtual prototype analysis of nuclear machine，regarding implementation dates to nuclear drive system of the machine feeding system intermittent feeding trough wheel structure，determine its design parameters.On this basis，using UG software to create the sheave，dial，dial pin 3 D model，and according to its working process of the interaction relationship between the assembly.Set up the Geneva wheel mechanism of 3 D model into ADAMS environment，by setting the relevant constraints，the movement of members of the sheave relationship，form a complete virtual prototype model.Slot wheel mechanism in the 90，180，360°/s three kinds of working conditions for simulation analysis. Results show that the three kinds of working condition of stir pin and slot contact force between the wheel size close，at the same level，to nuclear tank gear transmission system is good，has the stable dynamic characteristics.

jujube to nuclear machine；transmission system；slot wheel mechanism；virtual prototype

S226

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.08.040

1671-9646（2016）08b-0039-04

2016-06-29

張學(xué)軍（1972— ），男，本科，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械。