凸轮式填料装置排料器的结构优化与运动仿真

姜迎春，王君玲，田佳玄，张祖立

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳　110866)



凸轮式填料装置排料器的结构优化与运动仿真

姜迎春，王君玲，田佳玄，张祖立

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳110866)

摘要：在凸轮式填料装置的设计中，排料器滑板结构的厚度影响其应力。为此，对滑板结构进行了静力分析，并将最小安全系数与许用安全系数进行对比，在满足设计要求条件下对滑板结构的厚度进行优化，从而减轻排料器质量以节省材料。通过对滑板结构厚度优化后的排料器滚子质心的运动仿真可得到：滚子质心的运动轨迹与理论设计的凸轮轮廓线一致；滚子位移曲线所得到的滑板伸出滚筒长度的最大值与设计一致；滚子径向运动速度和加速度曲线规律符合设计要求。

关键词：填料装置；凸轮式；滑板结构；运动仿真

0引言

随着温室种植技术的迅速发展，穴盘育苗方式被广泛应用于各种农作物及花卉的培育。它是20世纪70年代中期欧美国家率先发展起来的一种适合工厂化种苗生产的育苗方式，80年代中期引入我国[1]。穴盘育苗主要包括种子处理、基质生产、基质填料、压穴、播种、覆料及淋水等工序[2-3]。为了提高穴盘育苗的技术水平，对铺底土及覆表土的技术要求也就越来越高，因此保证排土均匀度及填料厚度已经成为了衡量穴盘育苗质量指标之一，穴盘基质填料工序将直接影响投种位置准确性和育苗质量。基质填料装置可使基质均匀地填充于穴盘中的各个穴室内，可以提高工序质量和生产效率[4]。基质填料装置的研究可促进蔬菜产业机械化的实现[4-5]。

本文针对凸轮式填料装置[2,7]，采用有限元分析软件对排料器上滑板结构建立了三维模型，对其进行静力分析，得到节点应力、位移图；通过计算给出最小安全系数，并与许用安全系数进行对比，从而对滑板结构的厚度进行优化。对优化后的排料器滚子质心进行运动仿真，得到滚子质心的运动轨迹，将其与理论设计的凸轮轮廓进行对比；通过分析滚子的位移曲线可得到滑板伸出滚筒长度的最大值，并与设计进行对比；对滚子径向运动速度曲线进行分析。

1凸轮式填料装置

1.1　填料装置整机结构

凸轮式填料装置主要由皮带输送机构、料箱、机架、链传动机构、排料器、调速电机及接近开关等组成，如图1所示[2,7]。其中，排料器主要由填料滚筒、固定凸轮、滑板、支撑轮、主轴及滚子等组成，如图2所示[7]。

1.皮带输送机构　2.穴盘　3.支撑板　4.主轴　5.滑板

1.2　工作原理

凸轮式填料装置的工作原理[2,7]：调速电机的动力经链传动传递给滚筒轴，带动滚筒旋转；在滚筒旋转的过程中，因凸轮槽的限位作用，滚子带动滑板只能在滚筒与支撑轮所组成的滑道内上下运动；当滑板旋转到远休止区时，伸出滚筒长度是最大的，滑板之间形成的槽可将料箱中基质带出来；当滑板进入回程区直至运动到近休止区时，滑板能完全地缩回到滚筒，基质滑过导料板均匀地落入到穴盘中，完成整个填料过程。

1.支撑板　2.滑板　3.滚筒　4.支撑轮　5.主轴　6.滚子

2滑板的静力分析

填料装置是在低速条件下进行的，滑板在工作过程中受到的冲击力不是很大。通过滑板的静力分析，在满足设计要求的条件下对滑板的厚度进行优化，以减轻排料器质量以节省材料。

2.1　基质的受力分析

在取料阶段中，两滑板之间的基质设为基质1。由于两滑板之间基质的质量远远小于料箱中基质的质量，因此两滑板之间的基质可看作为一个质点且质量可忽略不计，其受力如图3(a)所示。料箱填满时的基质设为基质2，基质总重为178.4N，受力如图3(b)所示。

(a)　基质1的受力图　　　　 (b)　基质2的受力图

图3(a)中:F为滑板对基质1的推力；Fs为基质1与其它基质的摩擦力；N1为基质2对基质1的压力；N为滚筒作用在基质1上的支持力。

由图3(a)中的受力关系可知

F=Fs=μN1

(1)

其中，μ为基质内摩擦因数，可由实验测得为μ=0.7。

由图3(b)可列平衡方程式为

(2)

(3)

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2.2　滑板模型的建立与网格划分

滑板模型较为规则，文中采用映射网格进行划分。滑板中的孔区域可能发生应力集中，因而网格设置较密集；滑板面的应力变化较为平缓，因而网格设置较稀疏。网格划分的结果如图4所示。

图4　滑板的网格划分

2.3　滑板的约束及载荷

1)面约束：根据填料装置中滑板与其它部件之间的约束关系，可知滑板与滚子连接孔处为面约束。

2)面载荷：由式(1)计算可知，在取料阶段，滑板受到基质的阻力为95.6N；计算出面载荷，将其施加到伸出滚筒长17mm并且与基质接触的那个面上。

3)线载荷：滑板在运动过程中，料箱与两个滑板槽之间的基质会产生剪切力，经过试验可测得剪切力为100N，作用在滑板的最上端，故施加线载荷。

2.4　滑板的静力分析

对滑板进行求解与运算，滑板的节点位移如图5所示。由图5可知：深色部分变形量是最大的，是滑板在整个滑板伸出滚筒部分的上端位置，其最大位移为0.07mm，可见其最大变形量是极其微小的。

滑板的Von Mises节点应力如图6所示。由图6可知：在载荷作用下，滑板应力在0~50.067MPa之间，深色部位是应力值最大的部位，其值为50.067MPa，越接近深蓝色部位应力值越小。计算结果如表1所示。

图5　节点位移图

图6　Von Mises节点应力图

载荷条件/N最大位移u/mm最小等效应力σmin/MPa最大等效应力σmax/MPa1000.07050.067

滑板的最小安全系数计算公式为

(4)

其中，S为安全系数；σs为材料的屈服极限(MPa)；σmax为最大等效应力(MPa)。

滑板的材料是45钢，其屈服强度为σs=355MPa。由式(4)可得滑板的最小安全系数S为7.09。

一般情况下，许用安全系数[S]=2~3。滑板的安全系数S远大于许用值，因而可以将滑板的厚度进行优化，从而节省材料。

2.5　优化后滑板的静力分析

通过改变滑板的厚度对其进行优化。将厚度由原来的3mm[2]改为2mm。对于优化后的滑板，其约束和载荷与优化前是相同的。优化后的节点位移和应力图分别如图7和8所示，计算结果如表2所示。由式(4)可得优化后的最小安全系数S为3.06。

图7　优化后的节点位移图

图8　优化后的节点应力图

载荷条件/N最大位移u/mm最小等效应力σmin/MPa最大等效应力σmax/MPa1000.260115.706

由于填料装置是在低速条件下运行的，因而滑板在工作过程中受到的冲击力不是很大，优化后的安全系数虽不是特别高，但也能够满足工作要求，且可减轻排料器质量。

3排料器滚子的运动仿真分析

填料装置的排料器上均匀分布12个滑板，各滑板运动规律完全相同，可通过其中一个滑板的仿真分析来判断机构是否满足设计要求。而滚子带动着滑板一起运动，因此分析滚子的运动即可。

判断滑板及滚子的运动情况是否满足填料装置的设计要求时，不需要给出链轮及电动机等部件的运动规律。因此，为了实现填料装置的运动，可在连接轴上施加一定的转数，来模拟电动机驱动链轮的工作。文中施加的转数为8r/min。运动仿真所得到的滚子运动轨迹、位移和速度曲线分别如图9~图12所示。

由图9可知：滚子质心的运动轨迹为凸曲线，与理论设计的凸轮轮廓线一致，可见运动仿真与设计结果一致。

图9　滚子质心的运动轨迹

图10为滚子质心的位移曲线。滚子从远休止阶段开始运动，1~2.5s是回程阶段，滚子按照余弦运动规律在凸轮槽中运动；2.5~3.5s是在近休止阶段进行运动，此时的滑板已经完全收回到滚筒内；4.5~6s是推程阶段，滚子按照等速规律运动。由图10可看出：在此过程中，4.5s时滚子的线性位移为66mm，6s时滚子的线性位移为83mm，因而滚子的最大位移差为17mm，即为滑板伸出滚筒长度的最大值，这与文献[2]的设计是一致的。

图10　滚子质心的位移曲线

图11为滚子径向运动的速度曲线。滚子的初始位置是远休止阶段，径向速度是不变的。当滚子随着排种器转到回程阶段时，也正是滑板开始收回滚筒的阶段。滚子的径向速度是先逐渐增大到最大值，然后速度又逐渐减小，但速度方向始终是指向圆心方向的，其运动符合余弦运动规律；到达近休止阶段时，其径向速度为零，并且一直保持不变；当旋转进入推程阶段时，滚子径向沿背离圆心的方向做匀速运动，在此阶段滑板逐渐伸出滚筒。速度曲线的变化规律符合设计的要求。

图12为滚子的质心加速度曲线。远休止期间，滚子的质心加速度比较平稳；当转到回程时，滚子的加速度突然增大，到一定值后发生突变，而后又向反方向加速，达到最大值后，加速度又逐渐减小， 这是由于滚子在回程段余弦运动规律部分；在进入近休止阶段后，加速度又变得比较平稳，几乎维持在同一个值左右；当滚子运动到等速部分即推程阶段时，加速度也有一突变，方向向上，而后较平稳，之后又发生突变，方向相反。

图11　滚子径向的速度曲线

图12　滚子质心加速度曲线

4结论

通过对凸轮式基质填料装置中的滑板结构进行内力分析，得到了节点应力与位移图，计算得到其安全系数为7.09。由于安全系数较大，从节省材料的角度考虑，对滑板结构的厚度进行了优化，将原厚度3mm改为2mm，优化后滑板结构的安全系数为3.06。由于滑板在工作过程中受到的冲击力不是很大，因此优化后的滑板可以满足工作要求。

通过对优化后的填料装置进行运动仿真可以得到：滚子质心的运动轨迹为凸曲线，且与凸轮的轮廓线一致，这表明滚子与滑板的运动轨迹与理论设计曲线一致，符合填料装置的工作要求。滚子位移曲线的变化规律与填料装置的运动规律相符合，可得到滑板伸出滚筒的最大长度为17mm，这与设计值是一致的。滚子径向运动速度和质心加速度曲线变化规律符合设计要求。

参考文献：

[1]王荣华, 邱立春, 田素博.我国穴盘苗机械化生产的现状与发展[J].农机化研究, 2008(7): 230-231.

[2]鲁卫晓, 张祖立, 王君玲.凸轮式基质填料装置的设计[J].农机化研究, 2012，34(9):139-142.

[3]韩旭,赵华,陈洁,等.浅谈蔬菜工厂化穴盘育苗特点和系统开发[C]//中国园艺学会第九届学术年会论文集,2001：303-306.

[4]方超.穴盘苗自动化移钵体系的结构设计与仿真分析[D].杭州：浙江大学,2012.

[5]浙江大学.穴盘育苗基质填料装置：中国, CN2753133[P].2006-01-25.

[6]沈阳农业大学. 蔬菜穴盘育苗凸轮式基质填料装置：中国, CN202285686U[P].2012-07-04.

[7]田佳玄,张祖立,王君玲.凸轮式填料装置的参数化设计系统开发[J].农机化研究,2013,35(7): 154-156.

Structure Optimization and Motion Simulation of Material Covering Device of Cam Tray Filler

Jiang Yingchun, Wang Junling, Tian Jiaxuan, Zhang Zuli

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Abstract：Stress is affected by the thickness of sliding plate of material covering device of Cam tray filler. The minimum safety factor and allowable safety coefficient by comparing by static analysis of sliding plate, the thickness of sliding plate is optimized under the condition of meet the design requirements. so as to reduce weight and saving material of the material covering device. Motion simulation for centroid of roller of material covering device by the thickness of the sliding plate is optimized show that trajectory of roller centroid is corresponding by comparing cam contour line of theoretical design; extending the length of sliding plate by displacement curve of roller is corresponding by comparing design; radial velocity and acceleration curves of roller are accord with the design requirements.

Key words：tray filler; cam; sliding plate; motion simulation

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0050-05

作者简介：姜迎春(1978-)，女，辽宁大连人，讲师，博士，(E-mail)jyclg-72@163.com。通讯作者：王君玲(1971-)， 女，辽宁葫芦岛人，副教授，博士，硕士生导师，(E-mail)junlingw@163.com。

基金项目：中国博士后科学基金项目(2014M561250); 辽宁省科技厅重点项目(2008206001)

收稿日期：2015-09-23