集约化养蚕装置锁紧机构的设计和仿真分析

黄 峥，黄泽界，邓位喜

（遵义职业技术学院机电与信息工程系，贵州 遵义 563000）

中国是最早发明蚕桑产业的国家，早在20 个世纪70 年代，我国已经成为世界上第一大蚕茧生产国。受到疫情影响，2021 年我国桑园虽然有所减少，面积为79.67×104hm2，但桑蚕茧产量却有所提升，达到了71.72×104t，桑蚕茧产值达367.15×108元。在2000 年国家经贸委和商务部提出的“东桑西移”工程的作用下，西部地区的蚕桑产业得到了飞速的发展。2021 年，西部8 省区市的蚕茧产量占到了的80.89%[1]。但是由于工业化、城镇化发展导致的农村劳动力老龄化严重、劳动人口短缺以及土地资源稀缺、生产成本不断上升等问题，以及气候、技术、市场、环境等因素制约蚕桑产业的发展。蚕桑产业在我国依然是劳动密集型产业，生产规模化以及机械化、集约化、工厂化的生产方式推进缓慢，发展程度也较低，大部分地区仍然以传统家庭式作坊为主，使用设备的机械化、自动化程度较低[2-8]。根据六部门印发的《蚕桑丝绸产业高质量发展行动计划（2021-2025年）》中提到了建设规模化、集约化的蚕桑基地。通过产业政策引导，在蚕桑主产区持续推动蚕桑规模化、集约化发展。建立适合机械化作业、自动化操作的标准化蚕桑种养新体系[9，10]。为响应国家养蚕机械的发展需要，进一步提高养蚕机械的机械化、自动化水平，实现集约化养蚕。现为集约化养蚕设备设计了锁紧机构。

本锁紧机构应用于某集约化养蚕装置中，主要用途是实现接沙盘的自动锁紧以及解锁。接沙盘的作用在于收集养蚕过程中产生的蚕沙。在传统的养蚕方式中，需要工人定期更换蚕箔来清理蚕沙，防止蚕箔内蚕沙的堆积，避免蚕箔内细菌和病毒的滋生。但蚕箔的尺寸和质量往往都比较大，而且在清理过程中需要避免误伤到蚕，因此花费的时间和精力比较大。故除沙作业是养蚕过程中劳动强度较高的环节之一。本设计方案目的在于进一步提高养蚕的机械化自动化水平，实现除沙的自动化，降低养蚕的劳动强度。

1 方案简介

1.1 安装位置、结构以及工作原理

1.1.1 安装位置

本设计方案的锁紧机构安装位置见图1。用于养蚕的蚕箔放置在蚕架内，两个锁紧机构对称安装在蚕架两侧的上下框，并通过螺栓与蚕架上、下框固定。

图1 锁紧机构安装位置示意图Fig.1 Locking mechanism installation position diagram

1.1.2 锁紧机构工作原理

锁紧机构的具体结构见图2，外形尺寸250 mm×150 mm×150 mm。锁扣安装固定在接沙盘上，锁扣通过锁紧机构内部结构锁紧固定，在该养蚕装置两端固定安装有电动机构。当需要解锁时，控制单元向电动机构发出动作指令，电动机构开始推动滑块运动，实现锁扣从锁体分离，从而实现接沙盘的解锁。当接沙盘完成作业并恢复到初始位置时，电动机构和滑块复位，从而实现锁紧接沙盘。

图2 锁紧机构结构示意图Fig.2 Structure diagram of locking mechanism

1.1.3 锁紧机构内部结构以及工作原理

锁紧机构的内部机构见图3。

图3 锁紧机构内部结构示意图Fig.3 Internal structure diagram of locking mechanism

锁紧机构工作原理如下：①解锁作业。在滑块的作用下，上连杆向下运动，从而带动左连杆和右连杆分别推动左锁块和右锁块做挤压弹簧的运动，从而实现锁扣和锁体的分离。在接沙盘下落到恢复到初始位置之前，锁紧机构内部零件在滑块的作用下保持该状态；②锁紧作业。在接沙盘恢复到初始位置之后，滑块复位。在左弹簧和右弹簧的作用下，左锁块和右锁块复位与锁扣接触，并锁紧锁扣。同时，在锁体两端均有紧定螺钉，由于调节右弹簧和左弹簧的锁紧力。

滑块与上连杆的接触位置示意图见图4。由于滑块和上连杆的接触面为斜面，所以在滑块的横向运动下，会带动上连杆做上下运动。

图4 滑块与上连杆的接触位置示意图Fig.4 Schematic diagram of the contact position between the slider and the upper connecting rod

2 计算分析

2.1 受力情况

在接沙盘被锁紧的状态下，要保持锁紧状态，锁扣应受到向上的拉力为49 N。来自接沙盘和蚕沙的重力。其中，预估接沙盘在装满蚕沙的最大质量为10 kg。锁紧机构的安装位置为蚕框中间位置。

2.2 弹簧设计

根据弹簧受力以及弹簧安装空间，设计选用弹簧。弹簧的工作长度为20 mm，则设计选用的弹簧材料为碳素钢丝B级，直径为d=1 mm，中经为D=8 mm，旋绕比为C=8，刚度系数为k=2.76 mm。有效圈数n=7，总圈数n1=n+1.5=8.5。

3 仿真分析

3.1 ADAMS仿真分析

利用ADAMS 软件对锁紧机构在解锁过程中连杆的受力变化进行分析。设计推动滑块的电动机构的速度12 mm/s，并保持匀速推动滑块。则将锁块解锁需要的时间为约为1 s。通过仿真得到，在解锁过程中，弹簧的受力变化见图5。随着解锁过程的进行，弹簧的压力在逐渐增大，当完成解锁时，压力达到最大值48.6 N。经验证，设计弹簧满足要求。

图5 弹簧受力变化图Fig.5 Spring force change diagram

在解锁过程中，上连杆的横向受力见图6。初始的最大受力为543.6 N，解锁完成时的受力为326.0 N。

图6 上连杆受力变化图Fig.6 Stress change diagram of upper connecting rod

左连杆和右连杆为二力杆。左连杆和右连杆受力变化见图7。初始的最大受力为331.6 N，解锁完成时的受力为282.8 N。

图7 左连杆和右连杆受力图Fig.7 Left link and right link force diagram

3.2 ANSYS仿真分析

针对ADAMS 仿真分析中上连杆的受力状况，利用ANSYS 仿真软件，对上连杆在初始状态下的应变和应力进行仿真分析。

初始状态下，上连杆的载荷以及约束见图8。上连杆受到滑块的横向推力543.6 N，收到左连杆和右连杆向上的推力的合力468.0 N。则上连杆受到滑块向下的压力同样为468.0 N，上连杆的应变图见图9。

图8 上连杆的载荷和约束分布图Fig.8 Load and constraint distribution diagram of upper connecting rod

图9 上连杆的应变图Fig.9 Strain diagram of upper connecting rod

经仿真分析，上连杆的最大应变为0.002 mm，最大应力为421.9 MPa，上连杆的应力图见图10。

图10 上连杆的应力图Fig.10 Stress diagram of upper connecting rod

为满足零件强度要求，上连杆、左连杆、右连杆统一选用材料40 Cr。40 Cr的屈服强度为785 MPa，能够满足零件强度要求。

用于连接连杆与连杆以及连接连杆与滑块的销轴同样采用40 Cr。

经仿真分析，本设计方案的中零件选用的材料以及结构能够满足设计要求。