籽瓜挖瓤机槽轮机构的有限元模态分析*

2020-09-17丁赛飞熊世磊王启慧许家源黄晓鹏

机械研究与应用 2020年4期

丁赛飞，熊世磊，王启慧，许家源，黄晓鹏

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

籽瓜，即“籽用西瓜”的简称，籽瓜具有入心脾胃，肉有降心脾胃热，止消渴的作用，该功效已被众多消费者所认同，主要种植于我国西北地区的旱沙田[1-3]。传统上的籽瓜主要用于破碎后取籽，大部分成份被浪费[4-6]。因此，籽瓜的综合加工利用是一个值得解决的问题，这个问题的解决也必将改善生态环境。近几年，籽瓜清洗、分级、去除等综合加工工序也日渐成熟，挖瓤工序在综合加工工艺中是一个重要环节，而籽瓜挖瓤机的研究却少之又少，大部分现有的挖瓤机体积都比较笨拙，润滑及维修都不方便[7]。因此为了满足生产加工的需要，提高生产效率，设计一种新型挖瓤机已经势在必行。为了设计合理的籽瓜挖瓤机，必须要对其核心部件进行深入研究。笔者基于ANSYS19.0软件，对课题组自主研发的籽瓜挖瓤机插瓜转位装置中的槽轮机构进行有限元模态分析，探究其振动特性，为整机的优化和改进提供理论依据。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

籽瓜挖瓤机的整机结构示意图如图1所示，其主要包括上瓜输送装置、插瓜架转位装置、挖瓤装置、以及传动机构四部分组成。其中上瓜输送装置是由摆杆、盘形凸轮、托架等机构组成；插瓜架转位装置是由插瓜架、槽轮等机构组成；挖瓤装置是由挖刀架、挖刀等机构组成。各个运动装置与执行机构之间必须按照对应的时序要求协调配合，才能完成挖瓤任务。

图1 籽瓜挖瓤机整机结构图1.摆杆 2.机架 3.盘形凸轮 4.带轮1 5.带轮2 6.带轮3 7.两圆销-四槽轮1 8.插瓜架 9.挖刀 10.挖刀架 11.凸缘联轴器 12.电动机1 13.齿轮1 14.平底式盘形凸轮 15.齿形带 16.带轮4 17.齿轮2 18.带轮5 19.带轮6 20.电动机2 21.带轮7 22.齿轮3 23.拨盘 24.两圆销-四槽轮2 25.带轮8 26.切刀 27.托架

1.2 工作原理

从图1可以看出，籽瓜挖瓤机在正常工作时，籽瓜先由上瓜输送装置输送至固定位置，完成送瓜至固定位置后，经固定在机架上切刀将籽瓜切为两半。与此同时，槽轮机构转动，插瓜架带动两个半瓜转动至上方竖直位置，保持一段时间的静止。随后，挖瓤架开始向下运动，挖瓤刀在传动机构的作用下高速旋转。当凸轮14转过回程角时，刀架向下移动，实现同步挖瓤；当凸轮14转过近停程角时，挖瓤刀静止在最低点，此时是为了保证较好的挖瓤率。随后，挖瓤架上升，槽轮机构转动，同时将瓜皮和瓜瓤送入分离导轨，完成挖瓤工作。

2 槽轮机构的有限元模态分析

2.1 槽轮机构的有限元模型的建立

先利用Solidworks2018软件对籽瓜挖瓤机进行整机三维建模，随后提取槽轮机构的进行分析。为了简化分析与计算，对槽轮机构做出如下假设：槽轮机构的材料为各向同性且密度均匀分布，槽轮机构的材料为Q215-A普通碳素结构钢，其材料属性参数如表1所列。

表1 Q215-A碳素结构钢的材料特性参数

将在Solidworks2018软件中建立的槽轮机构三维建模另存为.x_t格式文件，并导入至ANSYS19.0软件中。由于物体的振动频率与物质自身属性有关，与外界的载荷并无多大关系。故在ANSYS19.0软件中，选择自由模态分析模块，然后开始对槽轮机构进行有限元网格划分，网格划分尺寸设为20 mm。网格划分结果为14 242个网格节点，6 890个网格。具体划分结果如图2所示。

图2 槽轮机构的有限元模型

2.2 槽轮机构的模态分析

通过自由模态分析，得到了该槽轮机构的固有频率、振型云图、以及所对应的最大振幅。取非0的前6阶振型进行分析。具体的前6阶振型特征如表2所列，固有频率及振幅变化趋势如图3所示，前6阶振型云图如图4所示。

图3 固有频率及振幅变化趋势

图4 槽轮机构前6阶振型云图

表2 槽轮机构前6阶的模态频率及振型特征

从表2中可以看出，该槽轮机构的主要振型是弯曲、摆动和扭转。前6阶频率中最大为1 515.7 Hz，最小为422.16 Hz。频率随阶数的增加而增加，这表现出符合模态分析无阻尼振动的随机性[8]。

从图3中可以看出，该槽轮机构的前6阶固有频率先缓缓增加，随后逐渐趋于平稳，最后快速上升。其所对应的最大振幅先上升再缓慢降低，变化趋势近似为二次多项式分布。

从图4中可以看出，该槽轮机构的1阶模态的振型主要是槽轮机构左右部分沿X轴前后摆动，最大变形量为13.8 mm；2阶模态振型是机槽轮机构对角部分沿Y轴方向左右扭转摆动，最大变形量是19.926 mm；3阶模态振型是槽轮机构对角部分沿X轴方向前后弯曲摆动，最大变形量是23.738 mm；4阶、5阶振型变化基本相似，主要是槽轮机构对角部分沿Y轴方向左右扭转振动，最大变形量分别是26.398 mm和26.198 mm；6阶模态振型是槽轮机构对角部分和中心槽，分别沿Y轴和X轴左右扭转摆动和前后弯曲摆动，最大变形量是22.516 mm。

由于该机构的前6阶固有频率相对较大，远远大于籽瓜挖瓤机运动部件的激振频率，故不会引起共振现象的产生。