酿酒葡萄激振机构驱动结构的设计与分析

袁盼盼，朱兴亮，张学军，尤 佳

(新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

空间RSSR机构是含两个转动副(R)和两个球面副(S)的空间铰链四杆机构，利用空间连杆可使从动杆件得到预定的位置、行程或某种运动规律，也可使连杆上某点获得预定的轨迹[1-2]。空间RSSR四杆机构传动具有精度高、传动平稳、振动小、机构紧凑、可用于大跨度远距离的力(转矩)和运动的传输、抗冲击力强，以及可用少量杆件实现复杂运动等突出优点[3-4]。

周啸等将RSSR空间连杆机构组合成4 RSSR空间连杆机构应用在舵机上，当连杆机构输入一定角度时，实现舵机4个舵翼同时偏转相同的角度[5]。杨传民等将空间四杆RSSR机构和RRLP机构空间组合作为给袋式包装机撑袋工位的执行机构[6]，可以精准、平稳地完成撑袋所需的运动轨迹。秦忠宝等根据空间RSSR机构的刚体导引实现了搅拌机粉碎、混料及造粒同步进行的多功能[7]。何勇等将空间RSSR机构和球面4R转化应用在高速剑杆织机的空间引纬机构[8]。王萌等对空间可调RSSR机构建立位移、速度及加速度方程，通过遗传算法建立数学优化模型[9]。古玉锋等研究了某8×4型重卡双前轴转向杆系可分解为6个空间RSSR四杆机构，建立该转向杆系的空间结构非线性模型[10]。

目前，对RSSR空间四杆机构的研究主要应用于工业、航空、纺织等工程机械的操纵系统中，但其在农业工程林果振动采收技术方面的研究应用很少[11-13]。为此，利用RSSR空间四杆机构承载能力大、动态性能好、能产生理想复杂空间运动轨迹及结构紧凑等优点，针对酿酒葡萄采收，设计了一种基于并联RSSR空间四杆偏心激振机构的驱动结构，并对其运动特性进行分析。

1 RSSR空间四杆机构设计

拟设计的酿酒葡萄偏心激振采收机构驱动结构，如图1所示。

1.主动轴 2.锁紧螺母 3.偏心套 4.连杆 5.振动摇杆转动轴 6.杆端关节轴承 7.振动摇杆

该机构由一对曲柄呈180°、其余杆件对称布置的并联RSSR空间四杆机构，主要零部件组成为主动轴、偏心套、连杆、振动摇杆转动轴、杆端关节轴承，以及与主动摇杆转动轴固接的振动摇杆。其中，偏心套反向布置，当转动轴转动时，偏心套作位移和速度相等、方向相反的往复运动，驱动结构相同、对称布置的左右两组振动采摘杆作方向相同、振幅相等的运动。

图2为振动分离机构驱动部分结构简图。其中，L1、L2、L3以及机架组成RSSR空间四杆机构，驱动部分为两并联RSSR空间四杆机构；F、G为RSSR机构中的两个球面副。图1中的主动轴对应RSSR机构曲柄L1的转动轴，偏心套对应L1杆件，连杆对应L2杆件，振动摇杆对应L3杆件，振动摇杆转动轴对应O轴，曲柄L1与连杆L2、连杆L2与振动摇杆L3之间的连接为球铰接(球面副)，采用杆端关节轴承作为实现三者之间球铰接的连接件。工作时，由电机或液压马达从主动轴的一端输入动力，RSSR空间四杆机构将主动轴的旋转运动转换为振动摇杆的摆动运动，并通过振动摇杆转动轴将摆动运动传递至振动采收机构中的工作部分。

图2 振动分离机构驱动结构简图

振动采收机构驱动结构由两个空间RSSR机构并联组成， RSSR空间四杆机构示意图，如图3所示。其中，O点为坐标原点，EF杆为输入杆件，GH杆为输出杆件，与采收机构肋条组件固连，FG杆为连杆，EOH为机架，与X-Y轴形成平面重合；OE、EF、FG、GH分别对应为L0、L1、L2、L3、L4；Z1和Z2轴线间的夹角α=90°；θ0为EF输入杆的转角；θ1为GH输出杆件的转角。

根据文献[14]可知

Asinθ1+Bcosθ1+C=0

(1)

A=cosαsinθ0-L0sinα/L1

(2)

θ0=ωt

(3)

B=L4/L1-cosθ0

(4)

(5)

将式(2)～式(5)代入式(1)求解，可得到输入角与输出角位移θ1存在以下关系

(6)

式(6)表明：当给定输入杆一个初始位置时，得到输出杆会有两个可能的位置，具体数值按照运动连续性和机构装配方案确定。

图3 空间RSSR机构

当驱动部分曲柄EF与X-Y的平面重合时，输出角位移θ1(t)可表示为

(7)

2 RSSR空间四杆机构运动仿真

2.1 RSSR空间四杆机构模型的建立

在不影响机构性能的前提下，对机构的实际模型进行简化，将驱动部分的RSSR空间四杆机构简化为3根杆件和地面，如图4所示。在Adams/View 的交互界面下，根据图1中的设计和初始杆长及参数，建立RSSR空间四杆机构的Adams 模型，如图5所示。在相邻构件之间添加约束副，连杆与主动轴采用球副连接，连杆的另一端与振动摇杆也采用球副连接，振动摇杆转动轴与大地之间添加转动副，在输入主动轴与大地之间添加转动副和转动驱动。添加完成载荷、约束、驱动等后，对机构的约束类型、数量、冗余方程个数、机构自由度及模型进行检查，并对模型进行修正，完成自检。

图4 RSSR空间四杆机构仿真结构简图

图5 RSSR空间四杆机构的Adams模型

2.2 运动学仿真及分析

在设计的RSSR空间四杆驱动结构，在主动转轴和偏心套(曲柄)形成的转动副处添加旋转驱动，转速为750r/min，即为4 500d/s，曲柄旋转1周，需要的时间为0.08s。设置仿真时间为0.16s，步长为1 000步。输出振动摇杆角度变化曲线如图6所示。

由图6可知：振动摇杆的角度变化浮动范围为(-7.3～+5.9)°，在运动的起始位置时，振动摇杆角度为0°，运动周期T=0.08s。

振动摇杆角速度、角加速度变化曲线如图7和图8所示。

图6 振动摇杆角度变化曲线

图7 振动摇杆角速度变化曲线

图8 振动摇杆角加速度变化曲线

在RSSR机构运动的起始和终止位置的角速度绝对值最大，最大值为518(°)/s，在水平位置时的角速度为0；在运动的起始和终止位置的加速度为0，在水平位置时的加速度绝对值为最大。

3 结论

1)设计了一种适合于酿酒葡萄采收的RSSR空间四杆偏心激振机构的驱动结构，对其工作原理及特点进行了分析，并获得了输出摆动角位移模型。

2)建立了RSSR空间四杆机构的Adams模型，获得了RSSR空间四杆输出杆件的角位移、角速度、角加速度随时间的变化规律。