槽轮送料机构的动力分析与结构设计

２０１０年第８期　王旭东：槽轮送料机械的动力分析与结构设计　３３　１．顶夹板；２．料夹弹簧；３．料夹；４．槽轮　图３顶夹板工作示意图　Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｏｐ　ｓｐｌｉｎｔ　２槽轮的动力分析　在槽轮机构运动过程中的任一时刻都有［　］　￣ｏ＝ｔａｎ－ｔ　Ａ　ｓｉｎ　０　（１）　式中：　为槽轮的位置角；Ａ为槽轮机构的结构　参数，槽轮机构确定后即为常数；　为拨盘的位置角。　将式（１）分别对时间ｔ求一阶导数和二阶导数，　得到槽轮的角速度∞　和角加速度　：　２：　∞，　（２）　（３）　取槽轮的转角　为广义坐标，如图４所示。应用　拉格朗日方程来表达槽轮的角加速度、拨盘的驱动力　矩及顶夹板的摩擦力矩之间的关系　图４槽轮受力分析　Ｆｉｇｕｒｅ　４　Ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｖａ　ｗｈｅｅｌ　鲁　等　ｏＩ　・咖”　（４）　将槽轮的动能和所受力矩带人（４）式得　妒＝Ｍｄ－－ＭＩ一　（５）　式（５）中　为槽轮对轴线的转动惯量；Ｍｄ为拨盘　圆销对槽轮的驱动力矩；Ｍ１和　分别是上顶夹板与　下顶夹板对槽轮的摩擦力矩，随着料夹打开张角不　同。顶夹板对料夹的正压力不同，摩擦力也不同，所以　，和　都是变化的。　将式（３）代入式（５），就得到上、下顶夹板对槽轮　的摩擦力矩与拨盘的驱动力矩、拨盘的位置角和角速　度之间的关系：　Ｍ￣＋Ｍ２＝Ｍｄ－ＪｏｔＯｌ２　Ａ（Ａ２－１）　ｓｉｎＯ一２Ａｃ。ｓＡ２　（６）　３槽轮的应力分析与设计　３．１　建立槽轮实体模型及应力分析［　根据槽轮的实际结构参数，利用Ｐｒｏ／Ｅ软件建立　槽轮机构的实体模型。槽轮外径１２０　ｍｍ，孔径２０　ｍｍ，总厚度８　ｍｍ（其中带槽部分厚度５　ｍｍ，不带槽　部分厚度３　ｍｍ）。当机构进行去核、装料及卸料作业　时，槽轮停止转动，料夹开度达到最大。经测定，此时　料夹弹簧弹力约４Ｏ　Ｎ。　３．１．１槽轮的材料属性根据实际用料尼龙来设置　材料属性［引。密度：１．０６ｅ＋０３　ｋｇ／ｍ　；杨氏模量：１．０７　ＧＰａ；泊松比：０．４；抗剪刚度：０．６　ＧＰａ。　３．１．２施加载荷与约束当上、下顶夹板完全顶开料　夹时，槽轮承受最大载荷与附加弯矩，此时槽轮停止　转动。在料夹连接位置处分别施加４０　Ｎ的静载荷。并　将槽轮的自由度设置为０。　３．１．３应力分析对加载后的模型进行自动划分网　格，如图５所示，节点总数２　４４１，网格总数７　７９０，在　料夹连接位置网格划分较密集。由于料夹连接位置厚　度较小且承受集中载荷．因而它是静态应力分析的关　键部位。分析结果如图６所示，最大静态应力分别发　生在料夹连接位置处和轮槽的底部。约４．７　ＭＰａ，远　图５模型加载与网格划分　Ｆｉｇｕｒｅ　５　Ｍｏｄｅｌ　ｕｐｌｏａｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｒｉｄ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　小于尼龙的抗剪刚度，说明槽轮工作时的刚度足够。　３．２槽轮厚度的设计　槽轮的厚度是决定槽轮承载能力的主要因素。显　然槽轮越厚，承载能力越强，但材料成本也越高。以槽　轮不带槽部分的厚度为目标进行参数设计．最小厚度　农业科技与装备　２０１０年８月　４Ｓ　ｉ．８８】ｅ＋０４　１．６ｑ∈ｅ４－０　１．１７６ｅ＋０４　４Ｏ　９　４０６ｅ＋０３　４．７０７ｅ＋Ｂ３　。　－Ｒ，　３０　２５　２ｏ　‘厚度／ｍ７。　ｍ　图６静态应力云纹图　图７全局敏感度分析结果　Ｆｉｇｕｒｅ　６　Ｍｏｉｒｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　Ｆｉｇｕｒｅ　７　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆｏｖｅｒａｌｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　２　ｍｍ、最大厚度８　ｍｍ，参数变化阶段数５，对静态应　中进行动力计算提供了依据。　力分析进行全局敏感度分析，结果如图７所示。当槽　２）利用Ｐｒｏ／Ｅ软件进行静态应力分析表明，在　轮的厚度由２　ｍｍ增加到８　ｍｍ时，槽轮承受的最大　实际工作中槽轮所受到的最大静态应力约４．７　ＭＰａ，　静态应力由约４２　ＭＰａ线性减小到约２３　ＭＰａ。为了保　槽轮的抗剪刚度足够。　证料夹与槽轮连接的可靠性，槽轮的厚度不能过小。　３）由全局敏感度分析表明。随着槽轮厚度的增　实际工作中，槽轮部分的厚度为３～５　ｍｍ。　大，槽轮承受的最大静态应力呈线性减小。在确定槽　４结论　轮结构参数时不仅要考虑其刚度和强度，还要考虑连　１）通过动力分析得到槽轮送料机构的工作阻力　接的可靠性。　矩与驱动力矩之间关系的数学模型，为该机构在设计　参考文献　［Ｉ］姜忠字，汤精明，毕海斌．槽轮式间歇输送机的优化设计［Ｊ］．轻工机械，２００８，２６（５）：４０—４２．　［２］杨良渠．包机中外槽轮机构的力分析［Ｊ３．包装工程，２００４，２５（６）：５０—５１．　［３］惠烨，李翔．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的槽轮机构的建模及应力分析［Ｊ］．包装工程，２００９，３０（７）：４５—４６．　［４］张庆霞，王兴贵，杜秀菊虚拟样机技术在槽轮机构优化设计中的应用［Ｊ］．中国制造业信息化，２００５，３４（１２）：３６—３８　［５１王良文，杜文辽，崔纪雷，等．自动机械中槽轮机构的参数化设计与仿真［Ｊ］．机械设计，２００６，２３（１２）：４４＿４６．　［６１孙桓，陈作模，葛文杰．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．　『７１祝凌云，李斌．Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ运动仿真和有限元分析［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００４．　［８１机械设计手册编委会．机械设计手册（新版第一卷）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７．　Ｄｙｎａｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｖａ　Ｆｅｅｄｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ＷＡＮＧ　Ｘｕｄｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｏｎｇｋａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０２２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｅｎｅｖａ　ｗｈｅｅｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｌｉｔｃｈｉ　ｆｌｅｓｈ　ｐｒｏ—　ｃｅｓｓｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｆ　ｌａｎｔｅｒｎ　ｓｈａｐｅ．Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ｉｓ　ｅｓｔａｂ－　ｌｉｓｈｅｄ．Ｕｓｉｎｇ　Ｐｒｏ／Ｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，３Ｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｇｅｎｅｖａ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｇｅｎｅｖａ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｅｒ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｖａ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｔ　ｓｈｏｗｓ．Ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｆｅｅｄｉｎｇ　ｍｅｃｈａ・　ｎｉｓｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｇｒｉｅｎｔｕｒａｌ　ｍｅｃｈｉｎｅｒｙ；ｇｅｎｅｖａ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ