送茧小车翻斗装置的设计与仿真.pdf

为解决缫丝企业煮熟茧在输送过程中存在的劳动强度大、输送效率低、待缫时间长等问题设计了一种无人化自动输送装置 该装置利用固定轨道为输送路径智能输送小车作为载体采用输送小车的茧斗机构实现煮熟茧装载、输送和倒茧工作 通过减速电机和传动机构驱动茧斗的翻转实现倒茧动作和倒茧后茧斗的复位动作传动机构由齿轮和凸轮间歇机构组成 文章详细分析了装置的工作原理、凸轮设计计算过程、机构的传动路线和基于工程力学进行的主要结构安全性分析并通过计算机辅助分析验证了机构的可行性 该装置改变了缫丝企业煮熟茧的输送方式可实现送茧小车自动为缫丝机加茧功能关键词:煮熟茧翻斗机构齿轮传动凸轮机构间歇机构中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络出版日期:基金项目:财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系资助项目()作者简介:娄浩()男安徽亳州人硕士研究生主要从事智能化纺织机械及数字化技术方面的研究通信作者:江文斌:.煮熟茧输送是制丝生产中重要的环节是连接制丝生产中煮茧和缫丝两道工序的中间过程对缫丝工序存在重要的影响 煮茧的主要目的是利用水、热和助剂的作用使茧层丝胶适当膨润软化减弱并均匀茧层茧丝之间的胶着力便于索取绪丝使茧丝顺序离解 蚕茧煮熟后在运送至缫丝机车头的过程中存在着诸多影响煮熟茧及生丝质量的因素尤其传统的送茧方式如人工送茧存在待缫时间长、茧子间相互挤压破坏茧层、茧层冷渍过度导致丝胶收敛、蛹酸浸出破坏茧层等缺陷管道输送煮熟茧导致煮熟茧翻滚以及茧层与管道内壁摩擦这些因素会严重影响生丝质量和企业效益例如日本缫丝企业利用传动链搭载串联式茧斗输送煮熟茧但该输送方式只能将煮茧机中输出的煮熟茧平均分配给各组缫丝机无法适应不同缫丝机生产量的差异随着科技进步中国工业化水平不断提高为促进茧丝绸行业的发展提高生丝生产的自动化程度需要对相关生产设备进行升级以解决茧丝绸行业面临的难题 目前亟待解决的是煮熟茧输送问题对于一般的输送方式如带式输送、链式输送、机器人搬运等较多应用于固体物料而对于煮熟茧的输送需要将煮熟茧和一定温度的茧汤同时运输为了解决上述问题本文设计并搭建了一种自动化输送系统针对输送载体(送茧小车)的茧斗翻转机构进行了设计和分析 煮熟茧的输送需要完成接茧(煮熟茧由煮茧机出茧口输出进入送茧小车茧斗)、送茧(由摩擦轮沿轨道输送)、倒茧(茧斗翻转使茧水混合物通过管道进入缫丝机待缫槽)和茧斗复位等一系列过程 茧斗翻转通过减速电机驱动齿轮减速机构齿轮减速机构主动齿轮与电机轴固定联结从动齿轮与茧斗轴空套联结从动齿轮和与茧斗轴固定联结的止锁凸轮形成间歇机构通过传感器和单片机发出信号控制减速电机的正反转来实现茧斗翻转倒茧和复位动作 翻斗机构及其原理翻斗装置传动机构如图 所示翻斗机构由减速电机、齿轮传动机构、凸轮机构、锁定机构、翻斗槽轮和茧斗组成减速电机 为茧斗 翻转提供动力茧斗翻转和复位过程为:小车 系统接收到岗位要茧信号减速电机 启动通过主动齿轮 驱动从动齿轮 与从动齿轮 固定连接的止锁凸轮 和拨销随从动齿轮 转动角度(倒茧角度)从动齿轮 和止锁凸轮 与茧斗轴 均为空套连接所以此过程茧斗轴静止止锁凸轮 推程转动推动滑动锁扣 解除对茧斗摆杆 的锁定状态同时拨销拨动翻斗槽轮 使翻斗槽轮 和与其固定连接的茧斗轴 转动从而使与茧斗轴 固定连接的茧斗 发生翻转完成倒茧动作 完成倒茧动作后减速电机 根据 指令进行反转通过主动齿轮 驱动从动齿轮 反转反转角度(复位角)后拨销拨动翻斗槽轮 反转茧斗轴 随之转动并驱动茧斗 完成复位动作同时止锁凸轮 回程转动滑动锁扣 在弹簧作用下复位并锁定茧斗摆杆 使茧斗 锁定至此完成一次倒茧动作 茧斗整体设计.翻斗槽轮设计茧斗的翻转和复位通过茧斗轴转动实现且茧斗倒茧和复位动作按照固定的轨迹和行程进行如图 所示茧斗前下部通过茧斗限位柱起限位缓冲作用茧斗后方通过茧斗后限位块限定初始位置 送茧小车工作时茧斗循环进行翻转、复位动作可以通过设计间歇机构实现茧斗的翻转和复位动作.茧斗.茧斗轴.减速电机.止锁凸轮.翻斗槽轮.从动齿轮.主动齿轮.茧斗摆杆.滑动锁扣图 翻斗装置传动机构.茧斗后限位块.茧斗初始位置.茧斗极限位置.茧斗限位柱.从动齿轮.翻斗槽轮初始位置.拨销初始位置.拨销极限位置.翻斗槽轮极限位置图 翻斗过程示意.第 期娄 浩 等:送茧小车翻斗装置的设计与仿真 如图()茧斗倒茧时从茧斗初始状态翻转至茧斗极限位置需转动角度为 此过程需要通过减速电机驱动通过传动机构使茧斗转动角度 完成倒茧动作 考虑到茧斗满载时茧水混合物的重量及其产生的冲击力可能会对传动机构及减速电机产生柔性冲击 为防止茧斗在翻转倒茧时茧水混合物的重力对齿轮机构产生较大载荷、茧斗翻转受限等问题利于茧水混合物完全脱离茧斗当翻斗槽轮被拨销推动后拨销将不再限制茧斗转动茧斗在重力作用下发生翻转更有利于茧水混合物落下 还有一个原因是为了让处于锁定状态的茧斗先解锁解锁后茧斗才能进行翻转 具体原理将会在下一节详细分析翻斗槽轮设计为图()所示结构翻斗槽轮设计了角度为 弧形槽口用以茧斗翻转和复位时拨销的缓冲作用 对于翻斗槽轮结构拨销转动角度需大于()以推动翻斗槽轮从而驱动茧斗茧斗翻转后停滞时间 然后拨销反转即茧斗复位过程复位过程与翻转过程相似拨销反转角度拨动翻斗槽轮反转实现茧斗复位.止锁凸轮设计茧斗在初始位置时机构送茧时在运动过程中可能会使茧斗产生一定的抖动和惯性等影响使茧斗绕茧斗轴发生一定幅度摆动甚至在任意位置发生茧斗翻转现象使茧水混合物在非倒茧位置洒落为避免这一现象发生设计了茧斗锁定机构该机构需要在倒茧时解锁其他状态处于锁定状态如图()茧斗处于初始锁定状态茧斗摆杆上的止锁销被卡在滑动锁扣的锁槽内茧斗被锁定第一阶段系统接收倒茧指令倒茧时止锁凸轮先随从动齿轮转动这一阶段对于翻斗槽轮是空行程但对于止锁凸轮是解锁行程如图()转动过程中止锁凸轮处于推程阶段滑动锁扣在凸轮推动下左移解锁图()中双点画线所示位置第二阶段止锁凸轮仍然处于解锁状态从动齿轮拨销拨动翻斗槽轮使茧斗翻转倒茧第三阶段当茧斗完成翻转倒茧动作后系统控制茧斗复位此时减速电机反转这一阶段减速电机先做空行程运动当拨销随从动齿轮转动至翻斗槽轮槽口端部时拨销拨动翻斗槽轮进行反转使茧斗完成复位运动止锁销随茧斗摆杆运动至滑动锁扣的锁槽内同时止锁凸轮回程运动滑动锁扣复位将止锁销卡在锁槽内锁定茧斗至此完成一次送茧、倒茧动作.茧斗.滑动锁扣.止锁销.茧斗摆杆.止锁凸轮.茧斗限位柱图 锁定机构.基于上述原理设计止锁凸轮 止锁销直径为 则滑动锁扣行程 时茧斗才能解除锁定 故凸轮的行程 且由上述茧斗倒茧过程分析在第一阶段止锁凸轮随从动齿轮转动角度 此过程为解锁阶段解锁凸轮处于推程阶段第二阶段为茧斗翻转倒茧过程本阶段滑动锁扣仍处于解锁状态且此阶段止锁凸轮随从动齿轮转动角度 同时滑动锁扣保持解锁状态不变因此止锁凸轮此阶段应处于远休止角直到第三阶段完成倒茧后茧斗复位由上述分析止锁凸轮推程角 且推程角与远休止角之和不小于 即()()以保证滑动锁扣在茧斗复位前处于解锁状态如图()为滑动锁扣位移线图有效位移为段由于茧斗工作时随茧斗轴周期性摆现代纺织技术第 卷动为茧斗复位过程为了减小压力角和避免刚性冲击对图()中位移曲线做如图()所示优化图 止锁凸轮转角与滑动锁扣位移线.凸轮与从动件的装配需要考虑偏心距以减小从动件工作过程的最大压力角改善机构传力性能偏心距 不宜过大一般近似取为:)后茧斗重心运动至茧斗轴右侧此时从动齿轮停止转动拨销对翻转槽轮不再施加载荷茧斗受重力作用翻转在重力作用下茧斗重心快速变换茧斗加速旋转有利于物料全部倒出 茧斗翻转到茧斗翻转限位柱处被截停随后电机反转将茧斗复位但在前 行程范围内茧斗轴仍需为茧斗翻转提供足够的扭矩使茧斗克服重力作用发生顺时针转动此过程茧斗轴需要承受一定的剪切应力同时发生弹性变形在下节对其结构和扭矩进行分析.茧斗轴设计分析轴的设计和其他零件相似包括结构和工作能力两方面内容轴的设计不合理会影响轴的工作能力和轴上零件工作可靠性及加工装配困难 轴的工作能力指轴的强度、刚度、震动稳定性等由于茧斗轴上零件主要受周向载荷基本不受轴向载荷故翻斗槽轮等在茧斗轴上采用紧定螺钉固定从动齿轮、止锁凸轮等零件在茧斗轴上空套连接茧斗轴选择外径 内径 长度 的结构现主要分析.所述茧斗轴在茧斗翻转受扭矩作用时的载荷情况 按照轴的扭矩校核轴的强度轴的扭矩强度条件为:.()式中:为扭转切应力 为轴所受扭矩为轴的抗扭截面系数 为轴的转速 为轴的传递功率 为计算截面处轴的直径 为许用扭转切应力选取 为 减速电机转速为 功率为 由.中茧斗重心位置和茧斗满载时重力为 计算出茧斗在初始位置对于茧斗轴的扭矩为:.()空心轴的抗扭截面系数 为():().().()由式()计算茧斗轴扭转切应力为:.所以茧斗轴在倒茧初始阶段受到最大扭转切应力为.在许用扭转切应力范围内所以茧斗轴结构安全合理.试验结果分析以中试企业为例本文设计翻斗装置搭载在送茧小车上以 辆送茧小车为一套在控制系统的调控下为 组自动缫丝机输送煮熟茧具体装置数量可根据企业生产规模配置 生产过程中每辆送茧小车搭载翻斗装置在控制系统的调控下循环进行.节中所述送茧过程 为验证该装置与缫丝机生产情况的适应性在企业进行了中试试验运行结果数据如表 所示表 送茧装置中试数据.类别权值 权值(占比)送茧量(占比)误差权值 权值(占比)送茧量(占比)误差权值 权值(占比)送茧量(占比)误差组(.)(.).(.)(.).(.)(.).组(.)(.).(.)(.).(.)(.).组(.)(.).(.)(.).(.)(.).组(.)(.).(.)(.).(.)(.).组(.)(.).(.)(.).(.)(.).组(.)(.).(.)(.).(.)(.).最大误差.第 期娄 浩 等:送茧小车翻斗装置的设计与仿真 送茧小车根据设定权值为各缫丝机岗位送茧表 中数据为分 个工作日统计的送茧数据输送误差最大值为.在允许范围内可见送茧小车对于不同生产速度缫丝机的送茧量均衡性较好中试企业人工送茧两班需要 名送茧工送茧工利用茧车和茧桶运送煮熟茧将煮熟茧运送至缫丝机的车头位置后将装有煮熟茧的茧桶码垛在车头旁如图 所示如果缫丝机在下一次送茧之前不能消耗掉存放的煮熟茧旧茧会有可能被码垛在新茧下面导致旧茧待缫时间延长不利于热茧热缫 而送茧小车的使用可以代替 名送茧工实现了煮熟茧的自动化输送和即送即用提高了生产效率 虚拟样机设计.建模分析由前述分析为了验证设计凸轮间歇机构的可图 人工送茧.行性本文在三维设计软件 环境下建立凸轮间歇机构的虚拟化样机如图 所示 为了使凸轮间歇翻斗机构能够正常工作各零部件之间需要满足一定的装配关系图 基于 的翻斗输送机构虚拟样机.凸轮及齿轮主要通过轴孔连接其中主动齿轮齿数 从动齿轮齿数 传动比为 齿轮之间通过齿轮副配合凸轮与滚子之间通过 接触建立联系茧斗摆杆组合件、凸轮及齿轮与茧斗轴利用同轴约束定位 在 装配环境中对零部件进行搭建得到如图 的料斗输送机构虚拟样机在 运动学仿真环境下对机构进行仿真机构运行状态良好.茧斗轴扭转强度分析在翻斗机构工作过程中茧斗轴受到的扭矩最大为验证茧斗轴设计合理性对其进行有限元分析模拟其真实工作过程中的受力情况和截面切应力情况 根据.中茧斗轴结构参数利用 分析软件进行实际工况模拟 分析具体步骤为:)首 先 将 要 分 析 的 部 件 模 型 导 入 静力学分析模块)第二步为模型赋予材料属性现代纺织技术第 卷)对模型进行网格划分网格有四面体、六面体、金字塔等不同类型本文采用六面体网格进行划分网格划分越精细结构越精确需要分析计算的信息量越大在划分网格时根据实际需要和计算机性能选择合适的精度即可)对目标结构添加约束和载荷条件即模拟结构的支撑和受力情况)选择需要分析的结果类型并进行计算经过以上分析得到结构变形图和应力分布图分析结构及结果见图、图 图 基于 的茧斗轴的径向截面切应力.图 基于 的茧斗轴应变.如图、图 茧斗轴在工作过程中所受最大切应力为.与.中理论计算结果 接近且最大形变为.在合理范围内故茧斗轴强度在安全范围内 结 语本文设计了翻斗式固液混合物料输送装置的翻斗装置利用减速电机驱动传动齿轮传递扭矩至止锁凸轮间歇机构中从动齿轮上的拨销在止锁凸轮解锁茧斗摆杆后拨动翻斗槽轮实现了茧斗的翻斗卸料和复位功能同时锁定机构保证了翻斗机构在运行过程中的稳定性和安全性 本装置实现了送茧小车输送物料时的自动卸料及料斗复位功能替代了人工搬运的传统模式、降低了劳动强度、提高了输送速度 经过理论计算确定凸轮的廓线和茧斗轴的结构尺寸通过理论计算和基于 对茧斗轴进行强度校核 在 软件运动学仿真环境下对翻斗装置进行仿真实现了茧斗的翻转倒茧及复位功能 本研究为缫丝企业提供了新的煮熟茧输送方式提高了生产效率第 期娄 浩 等:送茧小车翻斗装置的设计与仿真参考文献:陈文兴傅雅琴.蚕丝加工工程.北京:中国纺织出版社:.:.营方友迟玉玲.管道送茧与人工送茧在指标上的差异.江苏丝绸():.():.凌荣根黄刚.管道输送煮熟茧对缫丝成绩的影响.丝绸():.():.肖露张洪曲王佳丽等.智能化管道送茧系统的应用与分析.纺织科技进展():.():.三石龙男.煮茧方法:日本.:.陈亮.皮带式升降机驱动电机失效分析.设备管理与维修():.():.邱海飞陈铭.基于双轴驱动的共轭凸轮开口仿真设计及实验研究.丝绸():.():.刘昌祺牧野洋曹西京.凸轮机构设计.北京:机械工业出版社:.:.杨家军.机械原理.版.武汉:华中科技大学出版社:.:.濮良贵陈国定吴立言.机械设计.版.北京:高等教育出版社:.:.:():.():.现代纺织技术第 卷 (.().):.:第 期娄 浩 等:送茧小车翻斗装置的设计与仿真