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时间:2019-10-05 11:35来源:未知 作者:admin 点击:
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  研 究 与 试 验 盘刀式切碎器等滑切角 刀刃曲线动刀片的虚拟设计及其性能分析 闫秀芳 李林 张三强 张庆旭 内蒙古农业大学机电工程学院 [摘 要]通过对盘式铡草机切碎器切割过程分析计算,可推导出等滑切角动刀刃曲线方程,即 对数螺线方程。为了设计曲线更为准确,利用计算机软件MATLANB编程,得出不同角度的等滑切 角曲线型铡草机切碎器建模和仿真,使设计 方案交流方便快捷,整体设计程序更具灵活性和高效性;缩短产品开发周期、设计成果更为真实可 靠。同时通过正交试验及对比试验分析,得出最优方案组合及影响试验指标的显著因素,为后续优化 设计提供参考数据。 [关键词]切碎器 等滑切角 特征建模 剪切功率 目前国内外各种铡草机及青饲料收获机广泛采用 若以v,v,v分别代表M 点的速度、法向加速度、切向加 n t 1 圆盘式切碎器。其工作过程中消耗的能量主要用于饲料 速度。根据滑切角的定义,在△MMN中有 1 的切断。改善切碎器的性能,降低功率消耗一直是农 MN rdθ tgr= = MN dr 牧()机行业所重视的问题。传统的圆盘式切碎器多采用 1 若曲线上滑切角 为给定常数,且令tgτ=k,上式可得: 直线刃或圆弧刃动刀片,但其性能并不令人十分满意。 & 其主要缺陷是在切割过程中滑切角变化幅度太大,导致 1 1 dτ= dθ等式两边积分得: 切割阻力矩急剧变化,因而功耗增加。 r k 很多试验研究表明,若动刀刃设计为等滑切角则可 1 inr= θ+c (C为积分常数) 1 1 k 以大大改善切碎器性能,降低能耗,提高切碎质量,我们 1 θ 当 θ=0时,r=c常(数),则r=c·ek 针对9Z-480型铡草机切碎器,对其动刀片结合计算机 o 该极坐标方程为对数螺线方程 (等滑切角曲线方 软件进行改进设计。对推导出的等滑切角刀刃曲线方 程)。它的几何特性是经过极点O的各条射线与曲线间 程,利用Matlab程序画出曲线设计动刀;再利用三维软 的夹角 方(向角)均相等,且均等于刀片刃线的给定滑切 件Solid3000进行特征建模,在虚拟环境下对其进行动 角。即为等滑切角型刀片设计的理论依据。 态仿线 等滑切角型动刀片的设计 1 等滑切角型动刀片的设计 为了深入探讨滑切角 τ对切割性能的影响,根据试 1.1 等滑切角刃线方程的建立 验样机的有关参数 (图 1中 =12mm,b=120mm,c= 如图1所示,设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为铡草机的喂入口,取坐标 ’ 100mm)同时参考有关研究的试验结果,经过筛选确定 轴ox与它的中心线DE重合,动刀绕其极点O回转进行 设计5种等滑角,即滑切角分别为 τ=30°、35°、40°、45°、 切割。当刀片刃线AB由任意角 θ转dθ角时,其上任意 ′ 50°的动刀片。由上述推导得等滑切角刀刃曲线函数: 切割点M变到M 点,半径r变为r,增加dr。若dθ很小 1 1 θ 趋于零,可视弧MM 为直线,弧MN与直线 r=c·e k(=tgτ) -动刀回转角 θ b θ :θmin=0,θmax=k*ln( +1)对应的曲线半径 c r=c,r=b+c min max 2 2 a 动刀刃外端最小回转半径:r= (b+c)+() 2 取值:τ=30°、35°、40°、45°、50° 对应 θmax值为:τ=30°时 θmax=26° =35°时 θmax=31.65° τ τ=40°时 θmax=38° τ =45°时 θmax=45.2° 图1等滑切角型刃曲线方程的建立 农村牧区机械化 2008年第2期(总第 75期) ·24· 农村牧区机械化 2007年第2期(总第 71期) 研 究 与 试 验 τ=50°时 θmax=53.8° 图2为 τ=50°时所设计的刀片刃口曲线等滑切角型刀片刃口曲线°,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 分别表示刃口曲线个不同位置 Matlab图形曲线直接导入CAD中继续进行绘制。最后在 CAD中绘制出各种等滑切角刀刃曲线 铡草机切碎器特征建模 2.3切碎器的运动仿线的铡草机切碎器特征建模 装配完成后,为了对所设计的切割装置有一个直观 Solid3000作为国内唯一本地化、标准化的三维 的认识了解,使用Solid3000的专用模块对铡草机切碎 CAD软件,该软件最新版本根据用户的建议在软件的功 器进行运动仿真。首先给驱动轴加上一个侍服电机,定 能、易用性、集成性等方面作了众多改进,同时内嵌了运 义电机的轮廓,然后进行分析定义,定义开始和终止时 动仿真模块,进一步提高了软件的技术水平。 间,最后通过运行即可在屏幕上形象看到切割装置整个 9Z-480型铡草机切碎器由定刀、动刀组、动刀架、动 运动过程及其各个部件相互位置关系,通过可视化界面 刀架轴、风扇片等组成。首先针对样机切割器的主要参 可以进入虚拟世界分析产品的性能、模拟产品的使用和 数在Solid3000三维软件环境下建立各零部件模型。在 制造工程,进而满足系列产品的设计要求。 该软件装配环境下进行装配。对于在CAD环境下设计 3 等滑切角型刀片的正交试验设计 的零部件,想观看其立体模型,则在Solid3000环境下直 采用正交试验设计方法进行试验,试验目标是样机 接导出CAD图形作为草图可继续进行编辑,最后生成 kW)。 实际工作功率 ( 三维图形。应用方便快捷。 3.1 试验因素的选择 特征建模如图4所示: 对于盘刀式切碎器,影响其剪切性能的因素很多, 2.2 干涉检验 如:动刀片的滑切角,刀周的转速,动定刀的间隙,喂入 完成装配后,对改进设计部分,最后通过专用模块 量等。根据国内外相关资料的介绍,并结合本样机实际 [6] 对装配体在静态和动态两种情况下进行干涉检查 。上 情况选择动刀片的滑切角,动定刀的间隙和喂入量三个 述参数化设计达到了设计的要求,输出各部分及总体的 因素作为主要因素。 二维工程图。 滑切角 τ:滑切角 τ的大小直接影响动刀的切割阻 力矩的大小,一般来说滑切角越大,切割越省力,剪切功 率越小,本试验选35°~50°范围,用代号A表示。 动定刀间隙 γ:一般来说 γ越小越好,但实际上太小 会造成阻力增大,使得切割功率增加。所以结合实际情 况选择0.8~3mm,用代号B表示。 喂入量q:单位时间内喂入草料重量 k(g/s)。通过试 验确定在0.15~0.3范围,用代号C表示。 实验条件:为了使各组试验数据具有可比性,其试 验条件如下(正交试验设计表如表1所示): 图3五种刀刃曲线· 研 究 与 试 验 表1 试验设计 从各因素同一水平结果之和T1,T2,T3;再分别除以 3得到T1,T2,T3三行新数据可以看出各因素在每一水 平下的功耗。所以可推算出最优方案为A2B2C2,也就是 用各水平因素平均功耗最小的水平组合方案。 通过方差计算分析,显著性概率P值都大于0.05, 当P0.05时认为该因素显著。但此时不能断定三因素都 不重要。通过剔除三个中最大的那个即P=0.848632,重 新做方差分析结果如表4。 表4 3.2 试验数据处理及分析 为了提高精度和消除干扰因素影响,每号试验重复 5次,结果见表2。 从表中可以看出A因素是对试验指标影响最显著 表2 平均耗能试验结果 的因素,即是主要因素。 4 结论 针对样机9Z-480型铡草机,其切碎器最初采用直 刃式动刀片,切碎质量不高而且功耗比较高。现利用虚 拟设计,先在虚拟环境下对影响其功耗的主要部件动刀 刃改进设计。利用具有强大数学功能的软件Matlab编程 画出刀刃曲线,再结合二维、三维绘图软件对改进设计 部分分析其结构是否合理。如果在确定该机构受力和结 构的边界条件后我们还可以结合其他软件对其进行强 度和刚度分析。从而在保证产品质量的前提下可以大大 节省时间、成本。这是虚拟设计在各行业得到广泛认可 及应用的最突出贡献。当然还可以为加工生产提供依 从表 2中的9次试验结果看出,第 4号试验 据,为后续实践检验提供理论根据。 A2B1C2的功耗最小。但第4号试验方案不一定是最优 同时在各种工况下做了直刃刀片的对比试验,分析 方案,需要进一步对试验结果分析获得最优。分析结果 2166W)高于所有等滑切角型 结果直刃刀片的平均功耗 ( 见表3。 动刀片。而且再结合其它两个因素确定当滑切角 τ=45°, 表3方差分析表 动定刀间隙 γ=2mm,喂入量q=0.22kg/s时功耗最小为 2010W,算生产率是0.8t/h。 由于试验条件所限,只是从测量整个机器的功耗分 析,这样对单个分析刀刃曲线对试验指标的影响有一定 的误差,数据只能作为参考。但分析结果整体趋势还是 和理论分析计算相吻合的。 ————————— —— 参考文献: [1]庞声海,盘刀式切碎器设计的数学解析法,农业机械 学报, 1981,122():43~52 [2]尤嘉陵,等滑切角曲线刃圆盘式切碎器的研究,四川 19833():22~27 农机, [3]姜杉,王玉新,喻宏波等.三维实体机构虚拟装配及运 动仿真的自动化方法.天津大学学报,2001,34 (2):178~ 182. [4]邰晓梅.三维虚拟机械创新设计自动化方法研究[D]. 天津:天津大学,2001 [5]卫江红基于SolidWorks的连杆机构的运动分析与仿 真:硕(士论文)大连理工大学,2005 [6]刘文卿 ,试验设计.清华大学出版社,20052():4~80 农村牧区机械化 2008年第2期(总第 75期) ·26· 农村牧区机械化 2007年第2期(总第 71期)

  

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