凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)在水面垃圾清潔船中的應(yīng)用①②③

劉遲+蔣偉+白興龍+趙言+李金泉

摘 要：該文設(shè)計(jì)了水面清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了間歇翻轉(zhuǎn)的功能，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，達(dá)到了收集水面垃圾的目的。

關(guān)鍵詞：清潔船 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 翻斗機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0092-02

目前，隨著持續(xù)加速的城市化發(fā)展進(jìn)程，中國正面臨由此引發(fā)的各種水體污染。而與我們關(guān)系更近的城市和風(fēng)景區(qū)河道、湖泊污染更為嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查和分析，這些地區(qū)污染主要是水草及軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等水面垃圾[1]。針對這一問題，設(shè)計(jì)了一艘水面無人清潔船，該船可以收集水面垃圾和水草。該文主要介紹了清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，它通過翻斗的間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集水面垃圾的目的。該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 技術(shù)方案

如圖1，首先設(shè)計(jì)出了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪5上有凹槽8，搖桿6上有圓柱銷4，圓柱銷4可在凹槽8內(nèi)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)中，圖中3是連桿，桿2和翻斗1固定在一起。凸輪5和電機(jī)連在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，通過圓柱銷4帶動(dòng)搖桿6小角度（60 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于近休階段，近休止角為60 °，再通過連桿3，帶動(dòng)桿2大角度（120 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于遠(yuǎn)休階段，遠(yuǎn)休止角為80 °，進(jìn)而使翻斗1實(shí)現(xiàn)間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集垃圾的目的。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文在其推程和回程階段選用既無剛性沖擊又無柔性沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單位周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖如圖2所示。

推程階段：

遠(yuǎn)休止階段：

回程階段：

近休止階段：

2.2 凸輪理論廓線的求解

如圖3，考慮到清潔船的實(shí)際船體尺寸，空間布局，以及加工成本，該文取凸輪的基圓半徑。基于凸輪機(jī)構(gòu)美觀方面的考慮，本文取搖桿的長度（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到圓柱銷軸線間的距離），圖中搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心距凸輪的中心的距離。

當(dāng)搖桿相對于凸輪轉(zhuǎn)過δ角時(shí)，搖桿處于圖示AB位置，其角位移為，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，為搖桿的初始位置角，其值為：

為精確繪制出凸輪的理論廓線，該文采用MATLEB編程的辦法。在程序中首先對凸輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，把0～360 °的轉(zhuǎn)角分散成以5 °為公差的等差數(shù)列[2]，共計(jì)72個(gè)值，在MATLAB中以包含這72個(gè)元素的向量將其表示。將此向量帶入坐標(biāo)方程求解，得出72行2列的矩陣，即凸輪理論廓線的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)繪圖如圖4所示。

3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5，為使翻斗能夠充分完成收集垃圾的作用，該文取這樣三組對應(yīng)關(guān)系：0 °， °； °， °； °， °，取初始角： °。此外為讓連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，彼此不干涉，本文取搖桿長（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離）DC=80 mm。由“按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)四桿

機(jī)構(gòu)”的方法[3]有：

這里：

；；

將數(shù)據(jù)帶入上述方程組，可得如下結(jié)果：

； ；

對上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模，動(dòng)畫仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，實(shí)現(xiàn)了間歇反轉(zhuǎn)的功能。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓線和各桿長度，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了動(dòng)畫演示，實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的間歇翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了收集垃圾的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉文.淺談水面垃圾清掃船[J].廣東造船，1998（4）.

[2] 朱衡君.MATLEB語言及實(shí)踐教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2005.endprint

摘 要：該文設(shè)計(jì)了水面清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了間歇翻轉(zhuǎn)的功能，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，達(dá)到了收集水面垃圾的目的。

關(guān)鍵詞：清潔船 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 翻斗機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0092-02

目前，隨著持續(xù)加速的城市化發(fā)展進(jìn)程，中國正面臨由此引發(fā)的各種水體污染。而與我們關(guān)系更近的城市和風(fēng)景區(qū)河道、湖泊污染更為嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查和分析，這些地區(qū)污染主要是水草及軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等水面垃圾[1]。針對這一問題，設(shè)計(jì)了一艘水面無人清潔船，該船可以收集水面垃圾和水草。該文主要介紹了清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，它通過翻斗的間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集水面垃圾的目的。該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 技術(shù)方案

如圖1，首先設(shè)計(jì)出了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪5上有凹槽8，搖桿6上有圓柱銷4，圓柱銷4可在凹槽8內(nèi)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)中，圖中3是連桿，桿2和翻斗1固定在一起。凸輪5和電機(jī)連在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，通過圓柱銷4帶動(dòng)搖桿6小角度（60 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于近休階段，近休止角為60 °，再通過連桿3，帶動(dòng)桿2大角度（120 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于遠(yuǎn)休階段，遠(yuǎn)休止角為80 °，進(jìn)而使翻斗1實(shí)現(xiàn)間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集垃圾的目的。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文在其推程和回程階段選用既無剛性沖擊又無柔性沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單位周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖如圖2所示。

推程階段：

遠(yuǎn)休止階段：

回程階段：

近休止階段：

2.2 凸輪理論廓線的求解

如圖3，考慮到清潔船的實(shí)際船體尺寸，空間布局，以及加工成本，該文取凸輪的基圓半徑。基于凸輪機(jī)構(gòu)美觀方面的考慮，本文取搖桿的長度（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到圓柱銷軸線間的距離），圖中搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心距凸輪的中心的距離。

當(dāng)搖桿相對于凸輪轉(zhuǎn)過δ角時(shí)，搖桿處于圖示AB位置，其角位移為，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，為搖桿的初始位置角，其值為：

為精確繪制出凸輪的理論廓線，該文采用MATLEB編程的辦法。在程序中首先對凸輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，把0～360 °的轉(zhuǎn)角分散成以5 °為公差的等差數(shù)列[2]，共計(jì)72個(gè)值，在MATLAB中以包含這72個(gè)元素的向量將其表示。將此向量帶入坐標(biāo)方程求解，得出72行2列的矩陣，即凸輪理論廓線的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)繪圖如圖4所示。

3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5，為使翻斗能夠充分完成收集垃圾的作用，該文取這樣三組對應(yīng)關(guān)系：0 °， °； °， °； °， °，取初始角： °。此外為讓連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，彼此不干涉，本文取搖桿長（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離）DC=80 mm。由“按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)四桿

機(jī)構(gòu)”的方法[3]有：

這里：

；；

將數(shù)據(jù)帶入上述方程組，可得如下結(jié)果：

； ；

對上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模，動(dòng)畫仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，實(shí)現(xiàn)了間歇反轉(zhuǎn)的功能。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓線和各桿長度，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了動(dòng)畫演示，實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的間歇翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了收集垃圾的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉文.淺談水面垃圾清掃船[J].廣東造船，1998（4）.

[2] 朱衡君.MATLEB語言及實(shí)踐教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2005.endprint

摘 要：該文設(shè)計(jì)了水面清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了間歇翻轉(zhuǎn)的功能，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，達(dá)到了收集水面垃圾的目的。

關(guān)鍵詞：清潔船 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 翻斗機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0092-02

目前，隨著持續(xù)加速的城市化發(fā)展進(jìn)程，中國正面臨由此引發(fā)的各種水體污染。而與我們關(guān)系更近的城市和風(fēng)景區(qū)河道、湖泊污染更為嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查和分析，這些地區(qū)污染主要是水草及軟包裝、飲料盒、塑料泡沫等水面垃圾[1]。針對這一問題，設(shè)計(jì)了一艘水面無人清潔船，該船可以收集水面垃圾和水草。該文主要介紹了清潔船的翻斗機(jī)構(gòu)，它通過翻斗的間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集水面垃圾的目的。該機(jī)構(gòu)由凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 技術(shù)方案

如圖1，首先設(shè)計(jì)出了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪5上有凹槽8，搖桿6上有圓柱銷4，圓柱銷4可在凹槽8內(nèi)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)中，圖中3是連桿，桿2和翻斗1固定在一起。凸輪5和電機(jī)連在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，通過圓柱銷4帶動(dòng)搖桿6小角度（60 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于近休階段，近休止角為60 °，再通過連桿3，帶動(dòng)桿2大角度（120 °）間歇擺動(dòng)，此時(shí)，凸輪處于遠(yuǎn)休階段，遠(yuǎn)休止角為80 °，進(jìn)而使翻斗1實(shí)現(xiàn)間歇翻轉(zhuǎn)，達(dá)到收集垃圾的目的。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文在其推程和回程階段選用既無剛性沖擊又無柔性沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單位周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖如圖2所示。

推程階段：

遠(yuǎn)休止階段：

回程階段：

近休止階段：

2.2 凸輪理論廓線的求解

如圖3，考慮到清潔船的實(shí)際船體尺寸，空間布局，以及加工成本，該文取凸輪的基圓半徑。基于凸輪機(jī)構(gòu)美觀方面的考慮，本文取搖桿的長度（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到圓柱銷軸線間的距離），圖中搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心距凸輪的中心的距離。

當(dāng)搖桿相對于凸輪轉(zhuǎn)過δ角時(shí)，搖桿處于圖示AB位置，其角位移為，則B點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，為搖桿的初始位置角，其值為：

為精確繪制出凸輪的理論廓線，該文采用MATLEB編程的辦法。在程序中首先對凸輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，把0～360 °的轉(zhuǎn)角分散成以5 °為公差的等差數(shù)列[2]，共計(jì)72個(gè)值，在MATLAB中以包含這72個(gè)元素的向量將其表示。將此向量帶入坐標(biāo)方程求解，得出72行2列的矩陣，即凸輪理論廓線的坐標(biāo)。以此坐標(biāo)繪圖如圖4所示。

3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5，為使翻斗能夠充分完成收集垃圾的作用，該文取這樣三組對應(yīng)關(guān)系：0 °， °； °， °； °， °，取初始角： °。此外為讓連桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)之間運(yùn)行順暢，彼此不干涉，本文取搖桿長（搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離）DC=80 mm。由“按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)四桿

機(jī)構(gòu)”的方法[3]有：

這里：

；；

將數(shù)據(jù)帶入上述方程組，可得如下結(jié)果：

； ；

對上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模，動(dòng)畫仿真顯示，翻斗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，實(shí)現(xiàn)了間歇反轉(zhuǎn)的功能。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓線和各桿長度，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行了動(dòng)畫演示，實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的間歇翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了收集垃圾的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 何偉文.淺談水面垃圾清掃船[J].廣東造船，1998（4）.

[2] 朱衡君.MATLEB語言及實(shí)踐教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2005.endprint