送茧小车翻斗装置的设计与仿真

娄 浩,吕汪洋,陈文兴,江文斌,

(浙江理工大学,a.纺织科学与工程学院(国际丝绸学院);b.纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室,杭州 310018)

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[1]。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[2];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[3-4],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[5],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。

1 翻斗机构及其原理

翻斗装置传动机构如图1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3为茧斗1翻转提供动力,茧斗翻转和复位过程为:小车PLC系统接收到岗位要茧信号,减速电机3启动,通过主动齿轮7驱动从动齿轮6,与从动齿轮6固定连接的止锁凸轮4和拨销随从动齿轮6转动角度α(倒茧角度),从动齿轮6和止锁凸轮4与茧斗轴2均为空套连接,所以此过程茧斗轴静止,止锁凸轮4推程转动,推动滑动锁扣9解除对茧斗摆杆8的锁定状态,同时拨销拨动翻斗槽轮5,使翻斗槽轮5和与其固定连接的茧斗轴2转动,从而使与茧斗轴2固定连接的茧斗1发生翻转完成倒茧动作。完成倒茧动作后,减速电机3根据PLC指令进行反转,通过主动齿轮7驱动从动齿轮6反转,反转角度β(复位角)后,拨销拨动翻斗槽轮5反转,茧斗轴2随之转动并驱动茧斗1完成复位动作,同时止锁凸轮4回程转动,滑动锁扣9在弹簧作用下复位并锁定茧斗摆杆8,使茧斗1锁定,至此完成一次倒茧动作。

1.茧斗;2.茧斗轴;3.减速电机;4.止锁凸轮;5.翻斗槽轮;6.从动齿轮;7.主动齿轮;8.茧斗摆杆;9.滑动锁扣。

2 茧斗整体设计

2.1 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2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。

1.茧斗后限位块;2.茧斗初始位置;3.茧斗极限位置;4.茧斗限位柱;5.从动齿轮;6.翻斗槽轮初始位置;7.拨销初始位置;8.拨销极限位置;9.翻斗槽轮极限位置。

如图2(a),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β,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β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[6]。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2(b)所示结构,翻斗槽轮设计了角度为α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α′(α<α′<α+β)以推动翻斗槽轮从而驱动茧斗,茧斗翻转后停滞时间t,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α′拨动翻斗槽轮反转实现茧斗复位。

2.2 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3(a),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3(b),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3(b)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。

1.茧斗;2.滑动锁扣;3.止锁销;4. 茧斗摆杆;5.止锁凸轮;6. 茧斗限位柱。

基于上述原理设计止锁凸轮。止锁销直径为d,则滑动锁扣行程L≥d时,茧斗才能解除锁定。故凸轮的行程h=L≥d,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α,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β,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Φ1≤α,且推程角与远休止角之和不小于α+β,即(Φ1+Φ2)≥(α+β),以保证滑动锁扣在茧斗复位前处于解锁状态。

如图4(a)为滑动锁扣位移线图,有效位移为S1—S2—S3段,由于茧斗工作时随茧斗轴周期性摆动,S3—S2—S1为茧斗复位过程,为了减小压力角和避免刚性冲击,对图4(a)中位移曲线做如图4(b)所示优化。

图4 止锁凸轮转角与滑动锁扣位移线Fig.4 Locking camangle and locking plate displacement diagram

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e不宜过大,一般近似取为:

(1)

式中:vmax、vmin分别为从动件工作行程最大和最小线速度;w1为凸轮的角速度。

根据式(1)选择偏心距为e=13 mm。

因为本设计止锁凸轮机构受力不大,且要求机构紧凑,应选取较小的基圆半径。从动齿轮转动角度α需满足:

(2)

对于移动从动件,许用压力角[α]=30°～38°,取α=[α],应使:

(3)

根据式(3),选取凸轮基圆半径rb=25 mm。

根据图4(b)中滑动锁扣位移线图,绘制出止锁凸轮的廓线,其中S1—S2—S3为有效廓线,止锁凸轮结构设计为如图5所示对称结构。

图5 止锁凸轮Fig.5 Locking cam

2.3 凸轮压力角

凸轮压力角在凸轮机构中对机构运动及受力有重要影响[7],凸轮压力角一般不能超出极限数值,当压力角过大或过小时都会对机构产生影响。本设计中止锁凸轮工作过程中各点压力角的变化情况如图6中曲线所示。根据机构各零部件的强度、刚度、零件之间的摩擦和零件的制造精度,推荐许用压力角为:直动从动件为[α]=30°～38°,摆动从动件为[α]=40°～45°[8]。本文中从动件滑动锁扣为直动从动件,许用压力角区为[α]=30°～38°[9]。结合图6,止锁凸轮和滚子之间的压力角在合理范围内,具有良好的传力特性,结构设计合理。

图6 止锁凸轮压力角曲线Fig.6 Pressure angle curve of the locking cam

2.4 茧斗倒茧工艺过程

送茧小车实际工况的工艺过程如图7所示。当送茧小车启动后,空载的送茧小车进入茧站等待加茧,如图7(a)所示;煮熟茧由煮茧机出茧口输出加入送茧小车茧斗中,同时出水口向茧斗内加水,如图7(b)所示;加茧后满载的送茧小车出站沿轨道运行输送煮熟茧,如图7(c)所示;当收到缫丝机岗位要茧信号后,送茧小车停车、茧斗翻转将茧水混合物倒入岗位接茧斗通过管道进入缫丝机,如图7(d)所示,至此该送茧小车完成一次送茧任务,茧斗复位后送茧小车继续运行,返回至茧站进行下一次送茧任务。

本文设计内容为缫丝企业煮熟茧输送提供了新的方式,实现了倒茧过程的自动化,提高了企业生产效率,为茧丝绸行业的技术创新提供了解决方案。

图7 翻斗装置工艺过程Fig.7 Process of the bucket-tipping device

3 机构分析与实验

3.1 茧斗重心位置分析

茧斗中装载茧水混合物体积为8～12 L,本文分析了茧斗装载10 L茧水混合物时茧斗重心在倒茧过程中的变化情况。倒茧过程茧斗重心范围示意如图8所示。

图8中θ1和θ2为茧斗装载倒茧时重心变化范围。茧斗在初始状态,重心位于茧斗轴左侧,此时茧斗有逆时针转动趋势,图8中茧斗后限位块提供支承,茧斗保持为稳定态。倒茧时,减速电机驱动传动机构使茧斗翻转,则在倒茧过程中茧斗轴、传动机构和减速电机均受到负载作用,且茧斗在翻转过程其转速受减速电机控制,不利于茧水混合物完全落下。

1.从动齿轮;2. 翻斗槽轮初始位置;3.茧斗后限位块;4.拨销初始位置;5.茧斗初始位置;6.茧斗极限位置;7.拨销极限位置;8. 翻斗槽轮极限位置;9. 茧斗限位柱。

为降低减速电机受负载行程且有利于茧水混合物落下,采用2.1所述翻斗槽轮间歇机构,在后段行程利用茧斗自身重力使其翻转。当茧斗在电机驱动下发生顺时针翻转时,茧斗重心随转动而发生变化,当茧斗翻转到一定角度时,茧斗内物料倒出,随着茧斗翻转和物料倒出,茧斗重心发生变化。如图8,当拨销随从动齿轮转动到拨销极限位置7时,茧斗被拨动旋转角度θ(θ>θ1)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θ1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。

3.2 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[10]。

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D=20 mm,内径d=16 mm,长度L=500 mm的结构。

现主要分析3.1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:

(4)

式中:τT为扭转切应力,MPa;T为轴所受扭矩,N·mm;WT为轴的抗扭截面系数,mm3;n为轴的转速,r/min;P为轴的传递功率,kW;d为计算截面处轴的直径,mm;[τT]为许用扭转切应力,MPa。

选取[τT]为30 MPa,减速电机转速为60 r/min,功率为P0=5 W,d=20 mm。

由3.1中茧斗重心位置和茧斗满载时重力为120N计算出茧斗在初始位置对于茧斗轴的扭矩为:

T=G·L=120×30.15=3618 N·mm

(5)

空心轴的抗扭截面系数WT为(m=d1/d):

(6)

由式(4)计算茧斗轴扭转切应力为:

τT=3.8300 MPa≤[τT]=30 MPa

所以茧斗轴在倒茧初始阶段受到最大扭转切应力为3.8300 MPa,在许用扭转切应力范围内,所以茧斗轴结构安全合理。

3.3 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24辆送茧小车为一套,在控制系统的调控下为6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2.4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1所示。

表1 送茧装置中试数据Tab.1 Pilot data of the cocoon feeding device %

送茧小车根据设定权值为各缫丝机岗位送茧,表2中数据为分3个工作日统计的送茧数据,输送误差最大值为1.31%,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6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9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6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。

图9 人工送茧Fig.9 Manual cocoon feeding

4 虚拟样机设计

4.1 建模分析

由前述分析,为了验证设计凸轮间歇机构的可行性,本文在三维设计软件NX环境下建立凸轮间歇机构的虚拟化样机,如图10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10 基于NX的翻斗输送机构虚拟样机Fig.10 Virtual prototype of bucket-tipping conveying mechanism based on NX

凸轮及齿轮主要通过轴孔连接,其中主动齿轮齿数z1=58,从动齿轮齿数z2=70。传动比为i=70/58,齿轮之间通过齿轮副配合,凸轮与滚子之间通过3D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NX装配环境中对零部件进行搭建得到如图10的料斗输送机构虚拟样机。

在NX运动学仿真环境下对机构进行仿真,机构运行状态良好。

4.2 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3.2中茧斗轴结构参数,利用Ansys分析软件进行实际工况模拟。分析具体步骤为:

a)首先将要分析的部件模型导入Ansys-Workbench静力学分析模块;

b)第二步为模型赋予材料属性;

c)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[11];

d)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;

e)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11、图12。

图12 基于AnsysWorkbench的茧斗轴应变Fig.12 Strain diagram of cocoon shaft based on AnsysWorkbench

如图11、图12,茧斗轴在工作过程中,所受最大切应力为3.8973 MPa,与3.2中理论计算结果3.8300 MPa接近,且最大形变为0.0033 mm,在合理范围内,故茧斗轴强度在安全范围内[12]。

5 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Ansys-Workbench对茧斗轴进行强度校核。在NX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。