枣去核机传动系统槽轮机构的虚拟样机分析

张学军

（山西省农产品加工装备技术管理站，山西太原　030031）

枣去核机传动系统槽轮机构的虚拟样机分析

张学军

（山西省农产品加工装备技术管理站，山西太原030031）

为了完成枣去核机的虚拟样机分析，针对枣去核机传动系统中实现上料系统间歇式上料的槽轮结构，确定其设计参数，在此基础上，利用UG软件创建了槽轮、拨盘、拨销的三维模型，并根据其工作过程中的相互接触关系进行装配。将建立的槽轮机构三维立体模型引入ADAMS系统，设置有关相互作用力数据，建立槽轮各部件的相互运动关系，形成完整的虚拟样机三维立体模型。设立槽轮机构在90，180，360°/s这3种工况下进行仿真分析，结果表明，3种工作条件下槽轮部件间的作用力大小接近，总体变化不大，说明枣去核机采用槽轮机构作为传动系统，动力稳定、性能良好。

枣去核机；传动系统；槽轮机构；虚拟样机

0　引言

机械中常用的间歇机构有棘轮机构、槽轮机构、针轮机构等，各种间歇机构有其各自的特点［1］。槽轮机构具有构造原理简单、机械效率高、运行平稳等优点，在多种机械中得到广泛的应用［2-7］。在枣去核机传动系统设计中，考虑到枣去核机工作状态中各部件整体运动速度较低，而且运动形式多为转动，符合槽轮机构传动时存在柔性冲击，常用于速度不太高的情况，结合机器设计成本的考量，最终选择槽轮机构实现传动系统间歇式上料［8］。

去核机传动系统产品设计时，首先在计算机中利用虚拟样机技术（Virtual prototyping）构建出槽轮机构的整体三维模型，依托计算机虚拟技术对槽轮机构在使用时的各种工作状况进行详细仿真分析，运用大量数据和图表测算分析槽轮机构作为去核机传动系统的整体性能，最终得到优化的设计结果，从而提升产品的各项工作性能［1］。通常使用的虚拟样机技术分析软件是ADAMS（Automatic dynamics anal ysis of mechanical system）［9］。

本文将针对枣去核机传动系统中实现上料系统间歇式上料的槽轮机构，确定其设计参数，在此基础上，利用UG软件创建槽轮、拨盘、拨销的三维模型，并根据其工作过程中的相互接触关系进行装配；将建立的槽轮装配三维模型在ADAMS环境中形成一个完整的虚拟样机模型；对槽轮机构在90，180，360°/s这3种工况下进行仿真分析，验证枣去核机传动系统中槽轮机构的特性。

1　槽轮机构的设计与三维模型的建立

1.1槽轮机构的设计

去核机传动系统中的槽轮机构由以下部件组成：拨盘、拨销、槽轮与机架，拨销与拨盘安装在一起整体运转。在槽轮机构传动系统的整个运转过程中，拨盘是主动件，做匀速旋转运动；槽轮是被动件，通过拨销的作用力进行间歇运动。槽轮的槽数越多，传动系统工作过程动力性越好；槽轮的槽数越少，传动系统工作过程间歇时间越长［1］。本文中根据枣去核机传动系统的设计综合要求，计算出槽轮机构的各项设计参数［10］。

枣去核机槽轮机构的各项设计参数见表1。

表1　枣去核机槽轮机构的各项设计参数

1.2枣去核机槽轮机构虚拟样机模型的建立

1.2.1三维模型引入

利用UG系统在电脑中完成槽轮机构三维模型的建立与装配。槽轮机构包括槽轮、拨盘和拨销。将模型以parasolid（.*xt）格式导出到ADAMS中。

槽轮机构模型见图1。

图1　槽轮机构模型

1.2.2施加部件之间的约束

把枣去核机槽轮机构的三维模型引入ADAMS后，在电脑中输入已计算好的拨盘与拨销、地面与拨盘、地面与槽轮之间的转动副数值；槽轮与拨销、槽轮与拨盘之间的接触力数值，形成2个旋转自由度与3个平移自由度的约束，建立槽轮机构不同部件之间的运动关系，做好虚拟样机运转模型。通过对转动副变化的操作，收集拨销、槽轮、拨盘在工作过程中转动时和各项数值分析研究。本研究分析中，槽轮机构处于锁止状态时，槽轮与拨盘接触弧面之间摩擦产生的影响在研究分析中可以忽略，槽轮与拨销之间从开始到结束啮合过程中的碰撞也不影响本文的分析研究，槽轮机构中各部件之间的接触力参数设计，采用文献中的默认设置来研究。

1.2.3施加驱动

拨盘旋转的角速度分别设定为90，180，360°/s，计算出槽轮拨盘轴在工作过程中的转速，相应在拨盘的转动副上施加不同的转动驱动力。

1.2.4施加阻力矩

根据参考文献［8］，计算出枣去核机在工作过程中槽轮的负载功率为：

则槽轮所受到的阻力矩为：

按照软件操作程序，模拟在槽轮上施加阻力矩。

槽轮机构虚拟样机模型见图2。

图2　槽轮机构虚拟样机模型

1.2.5复制与设置模型

该枣去核机动力系统采用YVP系列变频调速电动机，对去核机在工作过程中槽轮机构的动力情况进行比较，分别选择拨盘旋转角速度为90，180，360°/s下的工作状况进行仿真分析。在电动机输出确定的前提下，工作速度越大，则阻力矩越小，所以虚拟样机模型的阻力矩分别为114.34，57.17，28.585 N·m。

1.2.6模型自检

模型设置完成后，根据软件操作程序对模型冗余约束、自由度进行检查。自检结果表明，本设计的模型自由度为6，共有9个移动部件、9个转动副、3个运动，没有发现多余约束，说明模型自动检验完成并获得成功，可以进行下一步操作，对槽轮机构作仿真分析。

槽轮机构虚拟样机模型自检见图3。

图3　槽轮机构虚拟样机模型自检

2　去核机槽轮机构的仿真分析及理论分析

槽轮机构在运转过程中，槽轮在匀速转动的拨盘驱动力作用下完成间歇运动，槽轮角加速度与角速度计算公式分别如下：

式中：ε2——槽轮角加速度，°/s2；

ω1——拨盘角速度，°/s；

ω2——槽轮角速度，°/s；

θ——拨盘转角，°；

λ——槽数确定后为一常数1/2。按照公式（1），（2）分析：当拨盘以固定的角速度旋转时，ω1不变，槽轮角加速度与角速度随着拨盘转角θ在不断变化；而当槽轮不动，槽轮角速度为0时，槽轮角加速度仍在变化，因此拨销拨动槽轮时，槽轮会受到一定冲击。

3　槽轮机构的仿真分析

本文是在ADAMS软件系统中，对槽轮机构进行仿真分析。首先，在软件中，设置槽轮机构工作参数：仿真终止时间4 s，步长7 850，精度0.001。在分析中需设置2次槽轮啮合，对槽轮的受力状态、运动情况进行研究分析。因为槽轮机构在工作过程中，槽轮的角速度一直在不断变化，槽轮自转的惯性，也会引起冲击和振动，所以需要重复进行分析测量，以确保数据有普遍性。对拨盘、槽轮的旋转角位移进行测量时，以拨盘、槽轮的旋转中心点为定点，在地面及拨盘、槽轮上标记不同的动、定点，然后进行反复测量。最后，将测量数据导入ADAMS的后处理模块对槽轮机构仿真形成的相关曲线图进行编辑。

拨盘时间-角位移图见图4，槽轮时间-角位移图见图5。

图4　拨盘时间-角位移图

图5　槽轮时间-角位移图

图4为槽轮机构仿真工作过程中拨盘角位移图，为3条斜向上的直线，说明3个模型的拨盘在4 s内分别匀速旋转了1 440，720，180°；图5为槽轮机构仿真工作过程中的槽轮角位移图，从图中能够看出，3个仿真模型分别工作了4，2，1个周期，每个周期的前1/3，槽轮角位移一直在不均匀的增加，说明槽轮在拨盘的推动下旋转，保持运动状态；在每个周期的后2/3，槽轮角位移维持在每个周期的最大值不动，说明槽轮与拨盘的锁止弧啮合，保持静止状态。

拨盘角位移-槽轮角速度图见图6，拨盘角位移-槽轮角速度局部放大图见图7，拨盘角位移-槽轮角加速度图见图8，拨盘角位移-拨销与槽轮接触力图见图9。

图6　拨盘角位移-槽轮角速度图

由图6～图9可知，槽轮在拨盘上拨销的作用下一直在保持转动，角速度不停在变化。当拨销转动到槽轮轴心与拨盘的连线上时，槽轮角速度达到最大值186.83°/s。图中曲线表明，拨销与槽轮间接触力产生的时间、槽轮转动过程中角加速度、角速度的突变时间一致。说明当拨销转动到槽轮底部时，旋转方向发生了改变，槽轮槽壁间发生碰撞产生冲击。图中槽轮机构处于静止状态时，角速度、角加速度曲线都呈现波动状态，说明拨盘与槽轮的锁止弧在运动过程中表面之间的接触而产生冲击。从拨盘位移曲线放大图中能够看出，拨销与槽轮接触时发生冲击，角速度波动值为41.25°/s。上列图中曲线是槽轮机构在90，180，360°/s这3种工况下的仿真分析，从图中可以看出，90，180，360°/s这3种工作条件下槽轮部件间的作用力大小接近，总体变化不大，说明枣去核机采用槽轮机构作为传动系统，动力稳定、性能良好。

图7　拨盘角位移-槽轮角速度局部放大图

图8　拨盘角位移-槽轮角加速度图

图9　拨盘角位移-拨销与槽轮接触力图

4　结论

针对枣去核机传动系统中实现上料系统间歇式上料的槽轮结构，依据确定的设计参数，利用UG软件创建了槽轮机构的三维模型，在ADAMS环境中形成了一个完整的虚拟样机模型，并针对槽轮机构进行了90，180，360°/s这3种工况下的仿真分析。结果表明，3种工作条件下槽轮部件间的作用力大小接近，总体变化不大，说明枣去核机采用槽轮机构作为传动系统，动力稳定、性能良好。

该方法在枣去核机传动系统其他部件的仿真分析中也都得到了很好的应用，也可以推广到其他机械的仿真分析中。

［1］邹慧君，殷鸿梁.间歇运动机构设计与应用创新 ［M］.北京：机械工业出版社，2008：78-83.

［2］武淑琴，王仪明，赵吉斌.间歇旋转式递纸机构动力学分析 ［J］.北京印刷学院学报，2006，14（4）：35-38.

［3］杨文珍，赵匀，陆秋君.精密播种制钵机计算机分析与设计 ［J］.中国农机化，2004（1）：31-34.

［4］王宁侠，杨耀峰，魏引焕.槽轮机构运动及其高副磨损分析 ［J］.西北轻工业学院学报，2000，18（1）：77-81.

［5］顾婷婷.槽轮机构在Solid Works中的建模装配与运动分析 ［J］.机械工程与自动化，2007（3）：144-145，148.

［6］王旭东.槽轮送料机构的动力分析与结构设计 ［J］.农业科技与装备，2010（8）：32-34.

［7］徐长密，常宗瑜，李捷，等.基于单边接触模型的含间隙槽轮机构动力学分析 ［J］.机械设计，2010，27（2）：50-53.

［8］周靖博.一种新型红枣去核机的设计与仿真 ［D］.晋中：山西农业大学，2014.

［9］高广娣.典型机械机构ADAMS仿真应用 ［M］.北京：电子工业出版社，2013：2-7.

［10］朱孝录.中国机械设计大典（第4卷）［M］.南昌：江西科学技术出版社，2002：1 671-1 675.◇

Red Jujube to Nuclear Slot Wheel Mechanism of
the Virtual Prototype Machine Transmission System Analysis

ZHANG Xuejun
（Shanxi Agricultural Processing Equipment and Technology Management Stations，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

In order to complete the date to the virtual prototype analysis of nuclear machine，regarding implementation dates to nuclear drive system of the machine feeding system intermittent feeding trough wheel structure，determine its design parameters.On this basis，using UG software to create the sheave，dial，dial pin 3 D model，and according to its working process of the interaction relationship between the assembly.Set up the Geneva wheel mechanism of 3 D model into ADAMS environment，by setting the relevant constraints，the movement of members of the sheave relationship，form a complete virtual prototype model.Slot wheel mechanism in the 90，180，360°/s three kinds of working conditions for simulation analysis. Results show that the three kinds of working condition of stir pin and slot contact force between the wheel size close，at the same level，to nuclear tank gear transmission system is good，has the stable dynamic characteristics.

jujube to nuclear machine；transmission system；slot wheel mechanism；virtual prototype

S226

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.08.040

1671-9646（2016）08b-0039-04

2016-06-29

张学军（1972— ），男，本科，工程师，研究方向为农产品加工机械。