非圆轮系加工番茄果秧分离振动发生器的设计

朱兴亮+王丽红+坎杂+李成松+秦金伟

摘要： 为解决现有加工番茄果秧分离装置冲击载荷大、易堵塞等问题，利用非圆轮系设计了加工番茄果秧分离装置振动发生器。分析了加工番茄果秧分离试验高速录像，拟合并修正了果秧分离装置输入输出角位移间函数关系；选用W-W型非圆齿轮轮系设计振动发生器，求取了轮系中非圆齿轮节曲线，并进行了封闭性验证和齿轮中心距圆整，获得了非圆齿轮最终节曲线公式。基于上述研究，设计了非圆轮系加工番茄果秧分离振动发生器，并介绍了其工作原理。该振动发生器具有传动平稳、精确、高效的特点，可满足果秧分离装置平稳连续的运动需求，为加工番茄收获机的设计提供了新方法。

关键词： 加工番茄；果秧分离；W-W非圆轮系；齿轮节曲线；振动发生器

中图分类号： S225.99 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0398-03

目前，世界加工番茄种植区主要集中在美国加利福尼亚地区、欧洲地中海地区和中国的新疆、内蒙古地区[1]。美国和欧洲大多实现了番茄收获机械化，中国作为世界番茄的主要产区，机械化收获程度却很低，且国内番茄收获周期短，收获季节气温高，未及时收获易影响番茄品质[1-5]。因此，机械化收获是番茄产业发展的必然趋势。

果秧分离是番茄机械化收获的重要环节之一[5]，振动发生器作为其驱动部件，传动效果直接影响番茄收获机工作性能。目前，国内外加工番茄果秧分离振动发生器主要采用偏心块式[1，6-7]，利用2个对称偏心块转动产生的对称力偶，带动分离装置转动，但该传动方式导致分离装置在运动过程中产生偏心力偶，易产生机架共振，甚至停止工作[5]；此外，存在冲击载荷大、易堵塞等问题[1]，且传动过程不可靠，难以实现精确传动，导致分离效果不稳定。非圆齿轮行星轮系可实现变速单向、变速回转等各种复杂特殊的运动[8-13]，既能实现凸轮的变速运动，又能实现齿轮精确高效重载的传动，具有牢靠、紧凑、传动平稳等特点[14]，广泛运用在高速插秧机、液压马达、纺织机械上[10，12]，可用来替换现有机构作为加工番茄果秧分离装置振动发生器。

本研究通过对果秧分离装置输入输出角位移散点图分析，拟合其输入输出角位移关系，获取传动比函数，设计非圆齿轮轮系，旨在满足分离装置运动需求基础上减少装置冲击载荷，实现平稳精确传动，为加工番茄收获机的设计提供新方法。

1 果秧分离装置传动函数的获取

在FS-35型加工番茄果秧分离试验台进行多组试验，获取最优分离率高速录像，分析得到果秧分离装置输入输出角位移散点图（图1）。

通过观察散点图像可知，函数呈周期变化，因此为满足装置工作要求，只需取单一周期进行拟合即可。

由角位移散点图可以看出，角位移函数符合y=ax+bsinωx的变化趋势，且图像在极值点前后有差别，为提高拟合函数精度，需要进行分段拟合，因此利用非线性拟合方式进行自定义分段拟合获得角位移函数：

2 非圆齿轮的设计

由图1可知，非圆齿轮输入输出角之间变化关系为变速往返运动，2个定轴非圆齿轮传动具有局限性，仅能够实现单向连续或歇停转动，而非圆齿轮轮系具有更多的传动形式，可实现变速往返运动[12，15-16]。为简化设计过程，选择具有2个圆齿轮的W-W型非圆齿轮轮系，如图3所示。

2.1 非圆齿轮节曲线设计

依据果秧分离装置输入输出角位移关系公式（2）可得到传动比函数：

为便于研究，根据机械原理，给整个机构绕轴Ⅰ施加-dφH/dt的运动，则系杆成为静止，可将整个行星轮系按照定轴轮系进行分析。因此，由定轴轮系非圆齿轮节曲线公式可得到以下节曲线公式。

2.2 节曲线封闭验证

为保证非圆齿轮轮系能够平稳传动，应保证非圆齿轮节曲线能够封闭，因此需要对非圆齿轮节曲线的封闭特性进行验证[15-16]。

对于齿轮1：由式（4）、式（6）可知，φH1=-φH，φH在0～2周期内变化时，φH1在0～-2π内变化，且当φH=π时，第1段r1与第2段r1相等，为aiH34/（iH34-1），当φH=0和2π时，2段r1同样相等，也为aiH34/（iH34-1），因此齿轮1的节曲线是封闭的，且以φH1=-2π为1个周期。

2.3 非圆齿轮中心距圆整

非圆齿轮中心距由于公式需求，常常为多位小数，为保证工程实际应用，应对其进行圆整。

齿轮副的中心距a，可以根据轮齿在节曲线上均匀分布的条件确定。齿轮1、2的节曲线同为分段函数，因此各求取2段节曲线长度并求和。曲线弧长的计算公式为：

按照果秧分离装置空间结构要求，初定非圆齿轮a=210 mm，m=6 mm，Z1=Z2=35，利用CAXA公式曲线进行节曲线绘制，并采用折算齿廓法获得非圆齿轮齿廓，如图4所示。

3 非圆轮系果秧振动发生器的设计

将CAXA二维图导入Solidworks软件，并按照非圆齿轮轮系进行设计与建模，如图5所示。

非圆轮系果秧分离振动发生器主要由同步带轮、输入轴、系杆、圆齿轮、双联齿轮、非圆齿轮、机架、输出轴组成，同步带轮、输入轴与系杆固结，双联齿轮轴与系杆采用轴承连接，且非圆齿轮与机架相连。

工作时，由同步带轮1驱动输入轴2、系杆3进行匀速转动，通过双联齿轮5中非圆齿轮与非圆齿轮6进行啮合，将匀速运动转变成为双联齿轮的变速变向运动，并经双联齿轮5中圆齿轮与圆齿轮4的啮合传递至输出轴，实现果秧分离振动发生器变速变向的运动要求。

4 结论

本研究分析了加工番茄果秧分离装置角位移数据，分段拟合出输入输出角位移函数，并依据非圆齿轮设计需求进行修正，确定加工番茄输入输出角位移间关系；确定W-W型非圆轮系，并依据角位移函数对轮系进行设计，对节曲线公式进行封闭性验证，并对中心距进行了圆整；设计了非圆轮系果秧分离振动发生器，并介绍了其工作原理。

参考文献：

[1]朱兴亮，李成松，坎 杂，等. 加工番茄果秧分离技术发展现状分析[J]. 河北科技大学学报，2013，34（5）：399-402.

[2]庞胜群，王祯丽，张 润，等. 新疆加工番茄产业现状及发展前景[J]. 中国蔬菜，2005（2）：39-41.

[3]梁勤安，余庆辉，冯 斌，等. 新疆加工番茄机械化收获发展对策的研究[J]. 新疆农业科学，2007，44（2）：225-230.

[4]徐声彪. 以机械化促进加工番茄产业化[J]. 新疆农机化，2008（4）：34-35.

[5]谭洪洋，李成松，坎 杂，等. 加工番茄果秧分离装置的设计及仿真[J]. 农机化研究，2012，34（1）：84-87.

[6]肖彬彬. 回转滚筒式加工番茄果秧分离装置的研究[D]. 石河子：石河子大学，2013.

[7]梁荣庆. 加工番茄果秧分离装置液压振动系统设计研究[D]. 石河子：石河子大学，2013.

[8]Takahara T，Takami A. Angular velocity modulating device：US，4994718[P]. 1990-07-31.

[9]Katori H. Planetary gear having non-circular gears：US，4788891 [P].1988-12 -06.

[10]俞高红，张玮炜，孙 良，等. 偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系在后插旋转式分插机构中的应用[J]. 农业工程学报，2011，27（4）：100-105.

[11]Chen D J. A study on the rearward separate-planting mechanism of rice transplanter[J]. Journal of Jinhua College of Profession and Technology，2001，1（4）：1-3.

[12]魏秦文，冯 斌，马志新，等. 非圆齿轮行星差速机构运动特性仿真分析[J]. 机械工程师，2009（1）：133-135.

[13]和 丽，许纪倩，周 娜，等. 非圆齿轮行星轮系分插机构运动分析[J]. 农业机械学报，2007，38（12）：74-77.

[14]苑明杰. 非圆齿轮参数化设计关键技术研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2013.

[15]姚文席. 非圆齿轮设计[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[16]吴序堂，王贵海. 非圆齿轮及非匀速传动比[M]. 北京：机械工业出版社，1997.