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，針對棗去核機(jī)傳動系統(tǒng)中實現(xiàn)上料系統(tǒng)間歇式上料的槽輪結(jié)構(gòu)，確定其設(shè)計參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用UG軟件創(chuàng)建了槽輪、撥盤、撥銷的三維模型，并根據(jù)其工作過程中的相互接觸關(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，說明棗去核機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動系統(tǒng)，動力穩(wěn)定、性能良好。

棗去核機(jī)；傳動系統(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［1］。槽輪機(jī)構(gòu)具有構(gòu)造原理簡單、機(jī)械效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點，在多種機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用［2-7］。在棗去核機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到棗去核機(jī)工作狀態(tài)中各部件整體運(yùn)動速度較低，而且運(yùn)動形式多為轉(zhuǎn)動，符合槽輪機(jī)構(gòu)傳動時存在柔性沖擊，常用于速度不太高的情況，結(jié)合機(jī)器設(shè)計成本的考量，最終選擇槽輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)傳動系統(tǒng)間歇式上料［8］。

去核機(jī)傳動系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計時，首先在計算機(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，依托計算機(jī)虛擬技術(shù)對槽輪機(jī)構(gòu)在使用時的各種工作狀況進(jìn)行詳細(xì)仿真分析，運(yùn)用大量數(shù)據(jù)和圖表測算分析槽輪機(jī)構(gòu)作為去核機(jī)傳動系統(tǒng)的整體性能，最終得到優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，從而提升產(chǎn)品的各項工作性能［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］。

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

1　槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計與三維模型的建立

1.1槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計

去核機(jī)傳動系統(tǒng)中的槽輪機(jī)構(gòu)由以下部件組成：撥盤、撥銷、槽輪與機(jī)架，撥銷與撥盤安裝在一起整體運(yùn)轉(zhuǎn)。在槽輪機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)的整個運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，撥盤是主動件，做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；槽輪是被動件，通過撥銷的作用力進(jìn)行間歇運(yùn)動。槽輪的槽數(shù)越多，傳動系統(tǒng)工作過程動力性越好；槽輪的槽數(shù)越少，傳動系統(tǒng)工作過程間歇時間越長［1］。本文中根據(jù)棗去核機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計綜合要求，計算出槽輪機(jī)構(gòu)的各項設(shè)計參數(shù)［10］。

棗去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)的各項設(shè)計參數(shù)見表1。

表1　棗去核機(jī)槽輪機(jī)構(gòu)的各項設(shè)計參數(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、撥盤和撥銷。將模型以parasolid（.*xt）格式導(dǎo)出到ADAMS中。

槽輪機(jī)構(gòu)模型見圖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，在電腦中輸入已計算好的撥盤與撥銷、地面與撥盤、地面與槽輪之間的轉(zhuǎn)動副數(shù)值；槽輪與撥銷、槽輪與撥盤之間的接觸力數(shù)值，形成2個旋轉(zhuǎn)自由度與3個平移自由度的約束，建立槽輪機(jī)構(gòu)不同部件之間的運(yùn)動關(guān)系，做好虛擬樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模型。通過對轉(zhuǎn)動副變化的操作，收集撥銷、槽輪、撥盤在工作過程中轉(zhuǎn)動時和各項數(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，槽輪與撥盤接觸弧面之間摩擦產(chǎn)生的影響在研究分析中可以忽略，槽輪與撥銷之間從開始到結(jié)束嚙合過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，采用文獻(xiàn)中的默認(rèn)設(shè)置來研究。

1.2.3施加驅(qū)動

撥盤旋轉(zhuǎn)的角速度分別設(shè)定為90，180，360°/s，計算出槽輪撥盤軸在工作過程中的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)在撥盤的轉(zhuǎn)動副上施加不同的轉(zhuǎn)動驅(qū)動力。

1.2.4施加阻力矩

根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］，計算出棗去核機(jī)在工作過程中槽輪的負(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)動力系統(tǒng)采用YVP系列變頻調(diào)速電動機(jī)，對去核機(jī)在工作過程中槽輪機(jī)構(gòu)的動力情況進(jìn)行比較，分別選擇撥盤旋轉(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)計的模型自由度為6，共有9個移動部件、9個轉(zhuǎn)動副、3個運(yùn)動，沒有發(fā)現(xiàn)多余約束，說明模型自動檢驗完成并獲得成功，可以進(jìn)行下一步操作，對槽輪機(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)過程中，槽輪在勻速轉(zhuǎn)動的撥盤驅(qū)動力作用下完成間歇運(yùn)動，槽輪角加速度與角速度計算公式分別如下：

式中：ε2——槽輪角加速度，°/s2；

ω1——撥盤角速度，°/s；

ω2——槽輪角速度，°/s；

θ——撥盤轉(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)撥盤以固定的角速度旋轉(zhuǎn)時，ω1不變，槽輪角加速度與角速度隨著撥盤轉(zhuǎn)角θ在不斷變化；而當(dāng)槽輪不動，槽輪角速度為0時，槽輪角加速度仍在變化，因此撥銷撥動槽輪時，槽輪會受到一定沖擊。

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)：仿真終止時間4 s，步長7 850，精度0.001。在分析中需設(shè)置2次槽輪嚙合，對槽輪的受力狀態(tài)、運(yùn)動情況進(jìn)行研究分析。因為槽輪機(jī)構(gòu)在工作過程中，槽輪的角速度一直在不斷變化，槽輪自轉(zhuǎn)的慣性，也會引起沖擊和振動，所以需要重復(fù)進(jìn)行分析測量，以確保數(shù)據(jù)有普遍性。對撥盤、槽輪的旋轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行測量時，以撥盤、槽輪的旋轉(zhuǎn)中心點為定點，在地面及撥盤、槽輪上標(biāo)記不同的動、定點，然后進(jìn)行反復(fù)測量。最后，將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS的后處理模塊對槽輪機(jī)構(gòu)仿真形成的相關(guān)曲線圖進(jìn)行編輯。

撥盤時間-角位移圖見圖4，槽輪時間-角位移圖見圖5。

圖4　撥盤時間-角位移圖

圖5　槽輪時間-角位移圖

圖4為槽輪機(jī)構(gòu)仿真工作過程中撥盤角位移圖，為3條斜向上的直線，說明3個模型的撥盤在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)仿真工作過程中的槽輪角位移圖，從圖中能夠看出，3個仿真模型分別工作了4，2，1個周期，每個周期的前1/3，槽輪角位移一直在不均勻的增加，說明槽輪在撥盤的推動下旋轉(zhuǎn)，保持運(yùn)動狀態(tài)；在每個周期的后2/3，槽輪角位移維持在每個周期的最大值不動，說明槽輪與撥盤的鎖止弧嚙合，保持靜止?fàn)顟B(tài)。

撥盤角位移-槽輪角速度圖見圖6，撥盤角位移-槽輪角速度局部放大圖見圖7，撥盤角位移-槽輪角加速度圖見圖8，撥盤角位移-撥銷與槽輪接觸力圖見圖9。

圖6　撥盤角位移-槽輪角速度圖

由圖6～圖9可知，槽輪在撥盤上撥銷的作用下一直在保持轉(zhuǎn)動，角速度不停在變化。當(dāng)撥銷轉(zhuǎn)動到槽輪軸心與撥盤的連線上時，槽輪角速度達(dá)到最大值186.83°/s。圖中曲線表明，撥銷與槽輪間接觸力產(chǎn)生的時間、槽輪轉(zhuǎn)動過程中角加速度、角速度的突變時間一致。說明當(dāng)撥銷轉(zhuǎn)動到槽輪底部時，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，角速度、角加速度曲線都呈現(xiàn)波動狀態(tài)，說明撥盤與槽輪的鎖止弧在運(yùn)動過程中表面之間的接觸而產(chǎn)生沖擊。從撥盤位移曲線放大圖中能夠看出，撥銷與槽輪接觸時發(fā)生沖擊，角速度波動值為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，說明棗去核機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動系統(tǒng)，動力穩(wěn)定、性能良好。

圖7　撥盤角位移-槽輪角速度局部放大圖

圖8　撥盤角位移-槽輪角加速度圖

圖9　撥盤角位移-撥銷與槽輪接觸力圖

4　結(jié)論

針對棗去核機(jī)傳動系統(tǒng)中實現(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)境中形成了一個完整的虛擬樣機(jī)模型，并針對槽輪機(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，說明棗去核機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動系統(tǒng)，動力穩(wěn)定、性能良好。

該方法在棗去核機(jī)傳動系統(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)動機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：78-83.

［2］武淑琴，王儀明，趙吉斌.間歇旋轉(zhuǎn)式遞紙機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 ［J］.北京印刷學(xué)院學(xué)報，2006，14（4）：35-38.

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［10］朱孝錄.中國機(jī)械設(shè)計大典（第4卷）［M］.南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002：1 671-1 675.◇

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，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械。