离心式自动放线割草机构及其弹簧优化设计.doc
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1、1、离心式自动放线割草机构及其弹簧优化设计2、脱粒装置的结构及工作性能分析O引言旋转式割草机是一种高效的割草机,但由于刀片磨损(经常更换刀片)造成使用成本高的问题一直不能很好地满足用户要求。为此,本文在参考相关割草工具的基础上,研究设计了一种离心式自动放线割草机构,它将传统旋转式割草机中的刀片用高速旋转的绳索(尼龙线)来替代,即在高速旋转尼龙绳索与植株接触的瞬间将其粉碎割断,以达到割草的目的。该机构的特点是:当尼龙绳索因割草磨损后,会利用自身机构的特点进行自动放线,其使用成本较旋转式割草刀片降低很多,从而达到经济高效割草的目的。1机构原理离心式自动放线割草机构主要由线盒、绕线盘、棘轮、止动块、
2、弹簧和导向条组成,如图1所示。由图1可以看出,电机输出轴与线盒固定连接,线盒内装有绕线盘,绕线盘与棘轮固定连接,棘轮上有若干棘齿。柱销的头部沿半径方向固定在线盒内,止动块通过自身的耳块套在柱销尾部,柱销中的弹簧将止动块压向棘齿,止动块的两侧设有导向条。割草机在工作过程中,当尼龙绳索因磨损而缩短时,割草阻力减小,电机的转速就会加快,离心力增大,止动块在离心力的作用下克服弹簧的弹力离开棘齿,而绕线盘在尼龙绳索离心力的拉动下就会自动转过一齿,从而使尼龙绳索放长。放线结束后,由于阻力增加,电机转速减小,离心力减小,止动块的运动半径也减小,从而再次与棘齿啮合。2动力学模型2.1止动块动力学分析离心式自动
3、放线割草机构动力学模型如图2所示。为了研究方便,将止动块抽象为一个质点。在图2中,由于线盒水平放置,止动块的重力与线盒对其的支持力反向等值,故未画出。止动块的运动可以看成是两个简单运动的合成,其中相对运动是沿着导向块的直线运动,牵连运动是线盒的圆周运动。以电机旋转轴的中心为原点,动参考系Oxy固定在线盒上,戈轴位于止动块运动槽的中心线上。由图2可以看出,因动参考系做回转运动,故止动块的绝对加速度为牵连、相对和科氏加速度3项的合成。1)牵连加速度。:等于止动块随动参考系转动的加速度。因为线盒是做匀加速(减速)转动,故可分解成向心加速度ae以及切向加速度:,且图2中,止动块在戈轴、y轴的受力分别为
4、Fs和FN。其中,Fs为弹簧力,FN为导向条对其的压力。将止动块的加速度分别向动参考系的戈轴、y轴投影,根据牛顿定理可得动力学方程式中km弹簧的刚度系数;2.2多股弹簧的动态分析由于止动块在运动放线过程中会频繁地压缩和释放弹簧,而且工作时整个放线机构旋转速度高,振动大,因此要求弹簧必须具备足够的强度和刚度。为了提高弹簧的使用寿命,本文采用多股弹簧代替普通弹簧。在计算时,为考虑弹簧自身质量对运动的影响,把在弹簧作用下运动物体质量加上1/3的弹簧质量作为驱动构件质量,这样在弹簧的动态分析计算时即可不再单独计算弹簧质量的影响。弹簧在驱动构件的作用下,任意瞬时的机械能为弹簧的动能和弹性能之和。根据参考
5、文献的分析,弹簧工作时单位时间内的能量损耗与其动能成正比,即d E(t)=AT(t)dt式中A一弹簧的能量损失系数。根据功能平衡原理得3多股弹簧的优化设计正如上述研究,自动放线机构要求弹簧体积小、寿命长且运动平稳。特别对于多股螺旋弹簧来说,由于函数计算较为复杂,一般的计算方法难以求解,因此采用Matlab优化软件对弹簧进行优化设计。3.1设计变量和目标函数的选取选择设计变量是优化设计的重要环节。将机构的尺寸参数分为独立参数和非独立参数,非独立参数是由独立参数和约束条件所决定的。为了得到良好的机构综合特性,把簧丝直径d、弹簧中径D和弹簧有效圈数n作为设计变量,即3.2约束条件与优化结果3.2.1
6、弹簧不并圈的约束为了保证弹簧在最大载荷作用条件下不并圈,要求弹簧在最大载荷条件下的高度大于压并高度Hb,3.2.2弹簧共振的约束当弹簧在变载荷作用下与活动构件一起运动时,除弹簧端部与活动构件的运动外,弹簧内部也存在振动,因此弹簧在工作时易发生共振。为使弹簧不发生共振,则有f- lOfo。其中,fo为弹簧工作的频率,厂为它的一阶固有频率。3.2.3弹簧强度约束3.2.5其他的约束条件3.3多股弹簧优化设计根据多股弹簧的性能及其在自动放线机构中的结构要求,已知安装载荷F,= 240N,最大工作载荷F。;= 580N,弹簧的平均工作频率=5Hz,弹簧最大的变形量为12mm,钢丝的直径1mmd2mm,
7、中径4mmD6mm,弹簧的总圈数n5,剪切弹性模量G= 8000MPa,许用切应力下】=500MPa,把这些具体数值带入上面的目标函数和约束条件,结合MATLAB工具箱对弹簧进行优化设计。其优化程序如下:4结论1)本文对离心式自动放线机构动力学模型的构建和止动块的力学分析,为该创新机构的设计奠定了理论基础。2)通过对其关键件多股弹簧的动态分析,利用MATLAB软件对其进行优化设计,提高了放线机构的可靠性。3)设计的自动放线机构具有较好的反馈功能,即尼龙绳索磨损后能够实现自动放线,减少了人工放线的麻烦。4)通过上述研究可以看出:本文所研究的割草机构无论使用方便性、安全可靠性和使用成本与传统割草机
8、构相比优点明显。马燕平1,赵亚平1,芮延年2(1苏州农业职业技术学院,江苏苏州215008;2苏州大学,江苏苏州215021)2013年4月农机化研究第4期脱粒装置的结构及工作性能分析2014-06-16来源:分享到:脱粒装置是谷物脱粒机和联合收获机的核心部件。脱粒装置的功能是将谷粒从谷穗上脱下,并从脱出物中分离、清选出来。要求谷物脱净率高于99%,谷粒破碎率和损失率低于1.5%清洁率98%以上。1脱粒装置的类型根据喂入方式,脱粒装置可分为全喂人式和半喂人式两种:1)全喂人式脱粒装置是将割下的谷物全部喂入脱粒装置。全喂人式脱粒装置又分为切流式和轴流式。切流式是指作物进入脱粒装置后沿滚筒切线方向
9、移动,脱粒后茎秆沿切线方向抛出。轴流式是指作物进入脱粒装置后沿滚筒作螺旋运动,即沿滚筒切线方向作回转运动的同时沿滚筒轴线方向移动。2)半喂人式脱粒装置是只将作物的穗头部分喂入脱离装置,可保持茎秆完整。2脱粒原理谷物脱粒机和联合收获机的脱粒装置的设计主要依据以下几种脱粒原理:1)冲击脱粒。靠脱粒元件(如钉齿)与谷物穗头的相互冲击作用使谷物脱粒。冲击强度一般用冲击速度来衡量,随着冲击速度的增加而增强。冲击强度增大,脱净率和生产率可提高,但易造成谷粒破碎和损伤。脱粒装置上的滚筒脱粒速度是可调的。2)搓擦脱粒。靠脱粒元件(如纹杆)与谷物之间的搓擦使谷物脱粒。脱净率与摩擦力大小有关,摩擦力大能提高脱净率
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