切片机的惯性力平衡仿真及优化_杨德勇

切片机的惯性力平衡仿真及优化杨德勇1a,1b,胡建平1b,韦恩铸1b,雷恒群2,孔祥次2(1.江苏大学a.机械工程学院; b.江苏省现代农业装备与技术教育部重点实验室,江苏镇江212013;2.江苏金湖县农机化技术推广站,江苏金湖211600)摘要:莲藕切片机切削机构的工作性能直接影响莲藕切片机的切片质量。

针对自行设计的莲藕切片机振动较大的问题,运用机构的平衡理论分析了切削机构工作时产生的不平衡惯性力,提出通过添加平衡质量块来平衡机构的惯性力。

在此基础上应用虚拟样机技术,用P ro/E建立莲藕切片机切削机构数字样机,在ADA M S中对平衡质量块的质量和质心位置进行了优化设计。

仿真结果表明,优化后机构的振动力减少了将近50%,为进一步改进原有样机的结构提供了依据。

关键词:莲藕;切片机;惯性力平衡;优化中图分类号:S226.8文献标识码:A文章编号:1003-188X(2010)05-0022-040引言近年来,为了满足我国藕制半成品国内消费和对外出口的需求,降低劳动强度,开展了莲藕切片机的研究和开发。

本课题组在吸收人工切片工作原理基础上,设计研制了一种新型的莲藕切片机[1]。

这台新型切片机较好地解决了切削藕片易破碎、粘刀、藕片难清理等问题,但也还存在着一定的不足,如切片机台面的振动幅度较大等问题。

由于台面的振动会引起装载导筒中莲藕的跳动,进而影响藕片的加工质量,故要减小切片机在工作时台面的振动。

虚拟样机技术[2-3]可精确地仿真机构的运动,分析机构的参数对机构动态特性的影响,从而优化机构参数。

本文采用加平衡质量法对自行设计的莲藕切片机切削机构进行了平衡设计,通过在AD A MS中建立虚拟样机,对切片机切削机构进行仿真优化,优化平衡后机构振动力峰值大幅减小,波动更加平缓,为后续的改进提供依据。

同时,采用仿真优化的方法,避免繁琐的理论计算过程,提高了效率。

1切削机构的工作原理莲藕切片机的切削机构是莲藕切片机的核心机构,其工作性能的优劣直接影响莲藕切片机的切片质量。

本课题组研制的莲藕切片机切削机构的虚拟样收稿日期:2009-07-14基金项目:江苏省农机三项工程项目(N J2007-17)作者简介:杨德勇(1976-),男,江苏江宁人,讲师,(E-m ail)yangdy @163.co m。

通讯作者:胡建平(1965-),男,江苏吴县人,教授,(E-m ail)hu j p@ u j 。

机如图1所示;其机构示意图如图2所示。

莲藕切片机切削机构在原理上采用了曲柄滑块式切削机构,莲藕放入物料导筒内,一次可以叠放几段莲藕,依靠上部莲藕的自重和压块压住下部的莲藕,使其下表面抵在物料挡板上;电动机带动曲柄滑块机构运动,水平安装在滑块上的切片刀对莲藕进行切削。

图1莲藕切片机切削机构F i g.1V i rt ua l protot yp e of cu tti ng m echan ism1.物料导筒2.莲藕3.工作台架4.切片刀5.曲柄滑块机构图2切削机构示意图Fig.2Sche m ati c of cutti ng m ech an i s m2切削机构的动平衡分析根据图2所示的莲藕切片机切削机构示意图,莲藕切片机切削机构是一个曲柄滑块机构。

由于曲柄采用均质圆盘结构,圆盘的质心在固定支座上,因此在圆盘曲柄做匀速转动时不产生惯性力,而其余构件像连杆、滑块、刀片运动时都将产生惯性力。

这些惯性力最终由基座承受,使切片机产生振动,降低了藕片切削的平整度。

通过减小切片机的惯性力可以减小机器工作时的振动。

在机械运动机构中一般是通过平衡设计的方法来减小机构惯性力。

下面根据机械平衡的基本理论来分析莲藕切片机的动平衡问题。

在机构惯性力的平衡中,常用的方法有:加平衡质量法、近似对称布置法和加平衡机构法[4],在此应用加平衡质量法来进行分析。

由于主要对切削机构进行惯性力分析,不考虑构件的惯性力矩,故采用质量的静代换法可满足要求。

在如图3所示的切削机构简化图中,曲柄A B采用均质圆盘结构,其质量在支座A点上,滑块的质量m3在铰链点C处。

用质量的静代换法将连杆BC的质量m2转化到B,C两个铰链点处,分别用m#B1,m C1表示连杆BC的替代质量,则m B1=bLm2m C1=aLm2这样经过代换后曲柄滑块机构B,C两个铰链点处的集中质量m B,m C,即m B=m B1m C=m C1+m 3图3切削机构的简图F i g.3D i agra m of c u tti ng m echan is m通过质量代换,将曲柄滑块机构的运动构件的质量集中到B,C两个点,即集中质量m B,m C。

要分析运动构件产生的惯性力,必须分析出B和C两点的加速度。

由图3可知,运用余弦定理,求出滑块的位移S为S=r cos A+L2-(r sin A)2式中r)曲柄的半径;L)连杆的长度;A)曲柄的转角。

对上式二次求导,得出滑块的加速度a C为a C=-r X2cos A-r2X2cos2A(L2-r2sin A2)+r4(X sin A cos A)2(L2-r2si n A)32式中X)曲柄的角速度。

对滑块的加速度a C进行化简并舍去高次项,得出a C=-r X2cos A-X2r2Lcos2A由于曲柄为匀速转动,故铰链B点处只有法向加速度,即a B=-r X2因此,在铰链B点处的惯性力为F B=-m B r X2在铰链C点处的惯性力为F C=-m C CX2cos A-m C X2r2Lcos2A上式中,右边第1项为一阶惯性力,第2项为二阶惯性力。

由于二阶惯性力较小,只考虑一阶惯性力,即F C=-m C r X2cos A对于铰链B点处的惯性力,只需在曲柄的延长线上D点加一平衡质量块即可实现完全平衡,如图4所示。

所加平衡质量块满足m D1e-m B r=0图4切削机构的平衡F i g.4Balance of cu tting m echan is m为平衡铰链C点处的惯性力,可在曲柄的延长线上D点再加一平衡质量块。

由于曲柄匀速转动,铰链D点处只有法向加速度,没有切向加速度,故质量块m D2产生的惯性力为F D2=-m D2e X2将惯性力F D2在x和y方向分解,其分力为F D2x=-m D2e X2cos AF D2y=-m D2e X2s i n A由于惯性力F D2的水平分力F D2x与铰链C点处的惯性力F C方向相反,故用水平分力F D2x来平衡惯性力;但同时又多出一个新的不平衡惯性力F D2y,它对机构产生不利影响。

因此,在平衡质量块m D 2的选取上应该满足:尽量消除F C 的同时,保证F D 2y 不致过大。

基于上述分析可知,通过在曲柄的延长线上加平衡质量块可以有效地平衡机构的惯性力,使机构部分平衡。

但由于惯性力的计算过程繁琐复杂,不易确定平衡质量块的参数,难以获得最佳的平衡效果。

而利用虚拟样机技术,通过数字样机在AD A MS 中进行仿真优化可以方便地得到平衡块的质量和位置。

3 切削机构的仿真优化应用三维建模软件Pr o /E 建立莲藕切片机切削机构的实体模型,利用动力学仿真软件AD A MS 和Pro/E 的专用接口模块M echan is m /Pro ,将切削机构的三维模型导入到AD A MS [7]。

在AD A MS 中添加机构的约束副,建立新型莲藕切片机的虚拟样机,如图1所示。

基于前面切削机构的动平衡分析,采用虚拟样机技术来研究机构惯性力的平衡问题也使用加平衡质量法,在曲柄与连杆连接点的反方向上添加平衡质量块,添加平衡块后的虚拟样机如图5所示。

图5 添加平衡块的虚拟样机Fi g .5 V irtual protot ype by add i ng t h e bal an ce b l ock3.1 平衡块的质量优化为了确定满足平衡要求时所需平衡块的质量,在ADA MS 中将平衡块的质量作为设计变量,将由惯性力引起的机构振动力的平均值最小作为目标函数,考虑机器的结构定义约束条件为:设计变量在6~20kg 之间,然后在ADA MS 中进行仿真,优化运算结果如表1所示。

表1 平衡块质量的优化运算结果T ab .1 The opti m iz ati on resu l t ofm as s of t he balance block 次数平衡块质量/kg振动力/N 16.00040.859210.00037.862312.00036.765续表1次数平衡块质量/kg振动力/N 415.00035.617516.00035.370618.00035.090719.00035.062820.00035.113由表1可知:机构振动力的大小是随着平衡块的质量的增加而逐渐减小的。

当平衡块的质量为19kg 时,机构振动力的平均值达到了最小,为35.062N 。

当平衡块的质量继续增加时,机构振动力的逐渐增加。

根据前面的理论分析,出现这种现象的原因主要是:平衡块虽然可以消除机构在水平方向的惯性力,减小机构在水平方向的振动力;但是同时也带来了机构在垂直方向的惯性力,随着平衡块质量的增加,机构在垂直方向的振动力有所增加。

当机构在垂直方向的振动力的增加量大于水平方向的减小量时,机构总的振动力就增加。

这一点说明仿真的结果与理论分析是一致的,从而验证了模型的正确性。

3.2 平衡块的位置优化为了确定满足平衡要求时平衡块的偏心位置,以平衡块质心到曲柄旋转中心之间的距离即偏心距为设计变量,考虑本机器的结构,分别对偏心距为65,85,100,125mm 进行仿真,得出机构振动力曲线随偏心距变化情况,如图6所示。

图6 机构振动力与偏心距的变化曲线F i g .6 Th e curves of v i brati on f orce and eccen tri city由图6可知,机构振动力的大小是随着偏心距的增加而逐渐减小的。

综合前面的分析,对添加质量为15kg 、偏心距为70mm 的平衡块的虚拟样机和未加平衡块的虚拟样机分别进行动力学仿真,其振动力曲线如图7所示。

从图7的仿真结果中可以看出,未加平衡块时,振动力的峰值为90N ,而加了平衡块之后系统的振动力的峰值为50N ,振动力减小了近50%。

因此,通过上面对系统惯性力平衡的仿真优化,大大减小了机构的振动力,取得了良好的效果。

图7机构优化前后振动力曲线Fig.7The curves of vi b ration force b efore and after opti m izati on4结论本文对自主研制的莲藕切片机的切削机构进行了惯性力分析,通过添加平衡质量块可平衡机构工作时产生的惯性力。

应用Pro/E和AD A MS,建立莲藕切片机切削机构的虚拟样机。