【正文】 簧支撐支座 8搖桿支架 17 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 本章小結 本章設計出了甘蔗削皮裝置的整體樣機，并對切 削運動結構及其結構、切削 刀架、夾持機構及其結構和整機框架的設計作了詳細闡述。于是對切削刀架的結構做仿真分析來確定結構的尺寸和需要添加的 支撐點變的很有必要。 有限元仿真分析 1）幾何模型前處理 [32] 對于建立的有限元模型的基本要求為： a、網(wǎng)格大小適當并且均勻。這種單元不但具有分析板 殼類模型的彎曲和薄膜力學的功能，而且還可以考慮板殼類結構的剪切變形。 對于模型與模型之間添加綁定的接觸方式來模擬零部件間的螺栓和焊接連 接，接觸公 式采用多點約束（ MPC）算法，因為這種算法通過內(nèi)部添加約束方 程來聯(lián)接接觸面間的位移，并且多點約束算法不基于罰函數(shù)法或 Lagrange 乘子 法而是直接處理綁定接觸接觸區(qū)域相關接觸面的方式，此外 MPC 算法還支持大 變形效應。 0 37 彈簧等效應力云圖 切削運動機構的結構分析 本論文所設計的切削運動機構是由型材拼裝起來的，型材之間的連接部 位有 可能是機構運行過程中最薄弱的環(huán)節(jié)。 圖 310 曲柄滑塊機構網(wǎng)格 4）約束和載荷邊界條件加載 對驅(qū)動軸一端施加 的驅(qū)動力矩，深溝球軸承支撐座底面和滑塊底 面施加固定約束。 圖 313 曲柄反作用力矩方向 此外，當機構位于此運動位置時曲柄整體所受的最大應力為 ，應力 云圖如圖 314 所示，遠小于鋁合金的屈服應力。 5）結果分析 如圖 311 所示為驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)變形矢量圖，通過觀察矢量云圖可知，軸的 扭轉(zhuǎn) 變形方向和變形大小的分布和理論相符合，所以此分析結果比較合理。此時機構的狀態(tài)為滑塊位于近端極限位置，即為要做靜力分析的機構位 置。 22 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 圖 34 邊界條件加載示意圖 5）結果分析與結構改進 圖 35 所示為切削刀架結構的整體變形結果，最大變形位移發(fā)生在壓片上為 ，同時可以看到被圈出的區(qū)域前后刀片發(fā)生了干涉，而其他區(qū)域變形在 接受范圍之內(nèi)。 刀架各零部件材料和力學性能見表 31。蓋形 螺帽和螺柱刪除螺紋，然后采用求和布爾運算形成一個體。 在整個求解過程中，難點在于求解線性方程組。 4）對各運動機構進行結構布局，然后設計出了整機的支撐框架。 16 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 28 整體機構布局視示意圖 1夾持機構 2可調(diào)節(jié)直線軸承 3直線導軌 4切削機構 框架結構設計 整機的框架結構初步確定采用鋁合金型材來搭建，因為鋁合金型材密度小， 比強度（強度與重量的比值）高，易于拼裝、拆卸和重復利用，是工業(yè)中應用最 廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶，建筑， 裝修及化學工業(yè)中已大量應用。 根據(jù)設計要求，當夾具處于夾緊位置時（即與垂直方向夾角為 15176。轉(zhuǎn)動到 45176。這種裝置屬于第二類夾緊進給 機構，通過兩個對稱的雙搖桿機構的往復運動來實現(xiàn)甘蔗的夾持功能，同時利用 刀架的回程運動來帶動甘蔗實現(xiàn)進給。運行過程為， 橡膠輪通過旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動甘蔗前進進入切削部分，切削部分中刀具依次對甘蔗的不 同位置進行切削，去皮之后甘蔗繼續(xù)向前運動，出料橡膠輪旋 轉(zhuǎn)來驅(qū)動甘蔗前進， 離開出料口。 12 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 24 切刀結構示意圖 1螺母 2下壓片 3刀片 4螺柱 5上壓片 6彈簧夾頭 7橫向壓片 8蓋形螺母 為了使刀架往返運動一次就能切削整周的蔗皮，本論文使用了相同的 6 組切 刀通過兩兩相隔 30176。刀具框架采用 1515 結構 11 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 鋁型材來搭建，框架通過軸支撐和直線滑動軸承與光軸導軌連接來實現(xiàn)直線運動。 10 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 圖 22 曲柄滑塊機構運動簡圖 以行程速比系數(shù) K 為 ，滑塊行程 h 為 100mm，曲柄長 度 l1 為 46mm， 采用解析法設計此曲柄滑塊機構，如圖 22 為此曲柄滑塊機構運動簡圖； 由 K= 代入公式 K 1 180 ，算得極位夾角 = 。缺點是因為要在刀架上布置多把切刀，所以刀架 的結構會稍微復雜。 本章小結 本章首先對 本課題的選題背景及意義進行了介紹，然后對甘蔗的力學性能、 甘蔗莖稈的切削機理研究現(xiàn)狀及目前存在的切削裝置進行了概述。 第三章樣機仿真分析。但是橡膠輪 和甘蔗莖稈是線接觸，只有通過比較大的夾緊力才能夠獲得足夠大的摩擦力從而 實現(xiàn)甘蔗的切削夾緊，但是過大的夾緊力又比較容易壓破 甘蔗莖稈。 3）螺旋切削方式的切削裝置 [23][24] 螺旋切削方式的切削裝置是一種采用刀具對甘蔗進行切削的同時刀具圍繞 甘蔗圓周轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)甘蔗去皮的目的。 3）由于甘蔗莖稈各部位的纖維排列不同，對節(jié)間和節(jié)點處削皮時，刀具刃 口傾斜角度越小，使甘蔗皮剝離的作用力越小。切割速度 V ＝ 16m/s 時，最佳切割力為 ，可靠性為 95%的最佳切割力范圍 ～ [13]。 圖 16 甘蔗切割器系統(tǒng)動力學仿真 通過仿真與實驗結果可以得出如下結論： 1）通過采用刀具對甘蔗莖稈的沖擊物理試驗表明，把甘蔗作為 各向同性的 材料模型進行建模以及建立的切割器系統(tǒng)動力學模型適用于甘蔗莖稈切割力的 仿真研究。 0 12 壓縮載荷 時間曲線 0 13 是甘蔗莖在壓縮載荷下的破壞形式。 c．底部縱向裂紋 圖 11 彎曲破壞形式 1)中性層處產(chǎn)生裂紋 (圖 11a) 圓形截面梁在彎曲荷載下 ,最大剪應力位于中性層處 ,沿試樣長度方向產(chǎn)生 中性層裂紋。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 甘蔗力學性能的研究現(xiàn)狀 甘蔗是各向異性、非勻質(zhì)、非線性的材料。 然而吃甘蔗削皮卻是長期困擾人們的一大難題。 首先，在總結與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機優(yōu)缺點的基礎上并結合甘蔗 皮層的切削特性，創(chuàng)新的設計出了甘蔗削皮裝置的切削機構、夾持機 構和整機框架結構。論文為本 人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律 結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 東華大學學位論文版權使用授權書 學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同 意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允 許論文被查閱或借閱。 其次，在對各機構進行運動學分析的基礎上使用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 對切削刀架的裝配結構和切削運動機構做靜力學 仿真來模擬切削過程中結構處于受力和力矩最大狀態(tài)下的應力和變 形情況，從而驗證裝配和零部件是否滿足設計要求。由于甘蔗表面比較堅硬，如 果直接食用容易劃傷口舌等部位，甚至將牙齒崩落。研究甘蔗莖稈的力學性能對于研 究甘蔗的切削過程以及切削刀具的設計具有重要意義。再進一步施加荷載時 ,中性層被剪開。當蔗皮產(chǎn)生扭曲時，因蔗芯限制 蔗皮向芯部方向彎曲，蔗皮向外彎曲，蔗皮產(chǎn)生縱向裂紋并與蔗芯分離。 2）最大的切割力隨著刀具的刃角增大呈現(xiàn)拋物線的變化趨勢，刀具的刃角 約為 19176。 4 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 甘蔗莖稈縱向切割機理 甘蔗皮層的削皮受力變化研究是甘蔗削皮機械研制的理論基礎。 切削裝置的研究現(xiàn)狀 根據(jù)切削方式的不同，切削裝置可以分為縱向切削方式的切削裝置、仿形切 削方式的切削裝置、螺旋切削方式的切削裝置。螺旋切削裝置的傳動原理為，電機通 過減速后帶動切削主軸旋轉(zhuǎn)，切削主軸帶動軸套轉(zhuǎn)動，絲盤上的端面螺紋在與其 相連接的軸套帶動下轉(zhuǎn)動，之后帶動與絲盤嚙合的進給齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪在彈簧作 用下壓在甘蔗上，從而帶動甘蔗進入切削系統(tǒng)。此外因為沒 有自動檢測裝置及累積誤差的原因?qū)е虑邢骱瓦M給運動之間無法長久保持較好 的同步協(xié)調(diào)性。利用 SolidWorks 的運動分析功能進行機構的運動仿 7 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 真和使用 ANSYS Workbench 對機身結構做靜力和動力仿真來驗證設計是否合理， 并在此基礎上對結構做 優(yōu)化改進。最后對東華大 學第一代甘蔗削皮機樣機的研究情況進行了分析，找出了切削裝置在運行過程中 存在的缺陷，如切削裝置沒有良好的自適應性，進給裝置存在傳動累積誤差等。 第二種方案：仿形切削方式的切削裝置是把刀具做成與甘蔗外形相似的圓弧 銑刀，對甘蔗表皮進行切削。將 和 l1 值 K 1 代入下式計算： h l2 l1 2 l2 l1 2 2 l2 l1 l2 l1 cos （ 11） l1 a 1 2 a 1 2 2 a 1 a 1 cos 式中 a l2 / l1 。 刀具框架前端采用軸支撐和光軸來建立鉸接點與連桿軸承相連接，連桿的另一端 與由兩個軸支持型材所拼裝的曲柄連接。夾角來圍成一個封閉的 12 邊形， 6 組切刀通過壓片上的 U 型夾頭和彈簧刀架相連。這種裝置的優(yōu)點是尺寸可以做的比較緊湊，缺點是上下橡膠輪與甘 蔗莖稈的接觸為小面接觸，產(chǎn)生的摩擦力比較小，只有通過增大壓緊力的方式來 增大摩擦力。這種裝置的優(yōu)點是結構簡單緊湊，接觸面 較大，在比較小的壓力下就可以獲得比較大的夾持力，同時機構還引入了自鎖夾 14 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設計 緊功能。 當搖桿 l2 和 l3 均與垂直方向夾角為 15176。時），由于切 削力的作用會帶動夾具繼續(xù)向前運動小段距離，從而形成機械自鎖來保持足夠大 的夾緊力。 本裝置大框架采用型號為 3030 鋁合金型材，對于局部小的支撐結構采用 1515 鋁合金型材。 所設計出的樣機模型結構合理并盡可能的采用了標準零部件，通用行好便于 后續(xù)樣機的加工與制造。因為對于一個復雜的結構， 自由度的數(shù)目可能成千上萬，然而一般價格的 PC 機運行速度和內(nèi)存容量都很有 限，所以很難滿足求解要求。模型與模型之間需要 添加接觸的地方進行映射處理，刪除結構中多余的倒角和圓角和孔。 表 31 刀架零部件材料及其力學性能 零部件 彈性模量 /( MPa ) 泊松比 密度 /（ Kg / m3 ） 單元類型 彈簧 +05 7820 SOLID185 壓片 +04 2770 SHELL181 切刀 +05 7930 SHELL181 蓋形螺母 +05 7930 SOLID185 螺柱 +05 7930 SOLID186 3)劃分網(wǎng)格與有限元模型建立 [33] 刀片和壓片采用四邊形面單元自由網(wǎng)格劃分，螺柱采用六面體掃掠網(wǎng)格劃分， 彈簧采用四面體單元 patch independent 劃分方法，最小尺寸極限設為 05mm，蓋 形螺母采用四面體單元自