基于UG對臥式杠桿木薯拔起裝置的設計和運動仿真

王 勇，葉自旺，蘆 迪，董 振，馬彥杰

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

基于UG對臥式杠桿木薯拔起裝置的設計和運動仿真

王 勇，葉自旺，蘆 迪，董 振，馬彥杰

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

目前，木薯的拔起工作大部分仍然采用手工方法進行，雖有大型的木薯采收裝置，但不太適合于廣東、廣西、貴州等地區的丘陵地帶，且大型設備的投入成本高，在農村地區的產品推廣存在著很大的阻力。為了解決農民收獲木薯過程中手工收獲速度慢、容易傷手等問題，提出了一種臥式杠桿木薯拔起裝置的機械，并在此之前申請了國家發明專利。運用UG對該機械進行設計及運動仿真，實現木薯拔起的機械化夾持與拔起，以降低木薯拔起的勞動強度，還能夠提高木薯采收效率、木薯種植業的經濟效益和產品化水平，滿足木薯產業的增長需求。

木薯拔起裝置；運動仿真；UG

0 引言

木薯是一種用作飼料和提取淀粉的原材料，提取產物廣泛應用于食品工業及非食品工業，需求極大，但是目前木薯的拔起工作主要依靠手工，且木薯主要種植在山地等地，土地緊實，不易拔起，單純依靠手工拔起勞動強度大，采收效率低，純手工的木薯采收難以滿足日益增長的木薯需求。

為了解決純手工的木薯采收勞動強度大等問題，提出了一種臥式杠桿木薯拔起裝置。為應對在實際拔起過程中木薯稈的夾持及方向問題，在機械設計的過程中進行了較好的適應性設計，實現了木薯夾持工作的自鎖功能及拔起的多自由度，并為需要達到的設計目標對設計方案進行運動仿真，確定該機械的可行性設計及設計方案。在實際中對該裝置進行實驗，獲得實驗數據，以此來優化該裝置的結構及零部件的尺寸，保證臥式杠桿木薯拔起裝置的拔起力和采收率，在滿足社會需求的情況下，實現木薯拔起的機械化夾持與拔起。

1 結構設計及工作原理分析

1.1 結構設計

臥式杠桿木薯拔起裝置主要由3部分組成，分別為雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構、蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構及多自由度木薯拔起機構。其中，雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構能夠利用外嚙合齒輪轉向相反的原理實現裝置的夾持工作；蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構能夠將作用在把手上的力通過蝸輪蝸桿帶動雙齒輪的夾持工作，同時還能夠利用其自身具有的自鎖功能，使得夾持機構能夠緊緊地夾持住木薯桿；多自由度木薯拔起機構則處于裝置的底部，用于實現在實際運轉中需要在水平和垂直方向上的調整。運用三維造型軟件UG對其進行三維造型，具體結構如圖1所示。

1.把手 2.蝸桿 3.右軸承座 4.轉動手輪 5.支撐板 6.彈簧 7.彈簧連接桿 8.轉動軸 9.導槽 10.支架 11.后輪 12.前輪 13.軸承 14.從動轉動軸 15.齒輪固定板 16.右夾持手柄 17.從動齒 18.左夾持手柄 19.主動齒 20.主動齒轉動軸 21.蝸輪 22.左軸承座圖1 臥式杠桿木薯拔起裝置的三維造型Fig.1 The three-dimensional model of the horizontal lever cassava pull up device

1.2 關鍵部分設計

1.2.1 雙齒輪的結構設計

在進行雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的設計時，由于需要保持兩夾持手柄的轉動角度相同，其傳動比應該要滿足以下要求，即

式中z1—主動齒的齒數；

z2—從動齒的齒數；

i12—主動齒對從動齒的傳動比。

經過嚴格的設計計算后，最終確定了該雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的主要參數如表1所示。

表1 雙齒輪的主要參數

1.2.2 蝸輪蝸桿的結構設計

考慮到蝸輪蝸桿在實際工作中傳動平穩性及蝸輪滾刀切制蝸輪時產生根切與干涉的問題，將蝸輪蝸桿設計成如表2所示的參數。

表2 蝸輪蝸桿的主要參數

其中，傳動比的計算如下，即

式中z3—蝸桿的頭數；

z4—蝸輪的齒數；

i34—蝸桿對蝸輪的傳動比。

1.2.3 關鍵部分的傳動比計算

在上面對雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構及蝸輪蝸桿的設計參數中得到了雙齒輪、蝸輪及蝸桿的齒數(頭數)的具體數據，由此可得到運動的輸入端與輸出端的轉速比。由于蝸輪與從動齒連接在同一根轉動軸上，則其公式為

式中z3—蝸桿的頭數；

z4—蝸輪的齒數；

i34—蝸桿對蝸輪的傳動比；

i31—蝸桿對主動齒的傳動比。

1.3 臥式杠桿木薯拔起裝置的工作原理分析

臥式杠桿木薯拔起裝置是一種能夠實現木薯拔起的機械化夾持與拔起的農業機械設備，其整體運動是靠人力推動把手使得該裝置向前運動，通過轉動手輪帶動蝸輪蝸桿轉動進而驅動雙齒輪運動，實現該裝置的夾持運動。通過以轉動軸的軸心為支點，作用在把手上的力為主動力，作用在夾持手柄上的力為阻力，實現裝置的拔起功能。

在雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構中，用右轉動夾持手柄調節螺栓和左轉動夾持手柄調節螺栓，使得右夾持手柄和左夾持手柄分別與從動齒轉動軸和主動齒轉動軸連接在一起，使得夾持手柄隨著齒輪轉動軸的轉動而轉動；利用外嚙合齒輪的齒輪轉動方向相反的特點，當主動齒順時針轉動時，從動齒逆時針轉動，左夾持手柄和右夾持手柄會靠近，從而進行木薯桿的夾持工作。

在蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構中，通過轉動手輪帶動蝸輪蝸桿轉動進而驅動雙齒輪運動，實現該裝置的夾持運動；同時，利用蝸輪蝸桿的自鎖原理，可以將木薯桿緊緊地夾持住，方便木薯的拔起工作。此外，通過往下壓把手，以轉動軸的軸心為支點，作用在把手上的力為動力，作用在夾持手柄上的力為阻力，形成一個杠桿機構，從而實現木薯的拔起工作。

在多自由度木薯拔起機構中，通過轉動軸的作用，可以實現鉛直方向的轉動，從而實現木薯的拔起運動；通過導槽輪在左導槽和右導槽的滑動，實現水平方向的進給運動；通過轉動軸承的作用，實現水平方向的旋轉運動，從而在夾緊木薯桿的情況下，左右擺動把手，使得木薯桿的根部松動，便于進行拔起工作。此外，還能夠利用彈簧的彈性作用實現裝置的自動復位功能。該裝置的多自由度設計能夠滿足絕大部分的社會的生產需要，具有很好的應用前景。

2 對臥式杠桿木薯拔起裝置的動態仿真

在UG中做好三維造型后直接在UG中進行運動仿真，其目的在于驗證機械的可運行性及是否存在機械運動過程中的零件干涉問題。模擬該裝置在實際使用過程中的運動情況，從而優化臥式杠桿木薯拔起裝置的結構。圖2中，對裝置的整體進行了仿真約束，主要對其在實際工作中所具有的運動進行約束，真實再現了臥式杠桿木薯拔起裝置的工作環境。整體仿真約束如圖2所示。

圖2 臥式杠桿木薯拔起裝置仿真約束圖Fig.2 The graph of the horizontal lever cassava pull up device simulation

2.1 主要工作部位的動態仿真

蝸輪蝸桿及雙齒輪驅動夾持部分是裝置的重要組成部分。蝸輪蝸桿的自鎖作用能夠使得裝置緊緊地夾緊木薯桿，方便木薯的夾持和拔起工作；而雙齒輪驅動夾持部分則利用外嚙合傳動齒輪的旋轉方向相反，實現夾持手柄的夾持作用。在圖2中對裝置的整體進行了仿真約束，著重對該裝置的蝸輪蝸桿及雙齒輪驅動夾持部分進行分析，以此得到了臥式杠桿木薯拔起裝置的夾持機構的旋轉范圍，如圖3所示。

圖3 雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的旋轉角度范圍圖Fig.3 The figure of rotation angle range in the Pairs of gear drive clamping cassava pull up

對夾持手柄進行安全計算以及夾持手柄運動時干涉的分析，其轉動范圍為

φ=254.6°-201.2°=53.4°

式中φ—單個夾持手柄的旋轉角度。

2.2 裝置的整體動態仿真

對裝置的主要零部件分析之后，著重對裝置的整體運動進行運動仿真分析。本文從兩個方面對裝置的整體進行運動仿真分析，一是水平方向上的動態仿真；二是在鉛直方向上的運動仿真。

2.2.1 裝置的水平方向上的動態仿真

水平方向上，對臥式杠桿木薯拔起裝置進行微調及左右擺動把手，能夠搖動木薯桿根部，使得木薯稈根部松動，有利于提高臥式杠桿木薯拔起裝置的整體適用性及滿足實際的生產要求；水平方向上的旋轉運動主要是由于軸承座圈的作用，通過人對把手施加力矩，從而使得臥式杠桿木薯拔起裝置能夠在水平方向上進行調整及實現木薯稈根部松動。在水平方向上，考慮到臥式杠桿木薯拔起裝置的干涉及人對把手的擺動范圍，經過UG的運動仿真后，得出的臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉范圍，如圖4所示。

圖4 臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉范圍圖Fig.4 The rotation range graph of the horizontal lever cassava pull up device in the horizontal direction

圖4中,由于只模擬了1/2的旋轉范圍，則由圖4可以得到臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉范圍為

θ=2×(30°-0°)=60°

其中，θ為臥式杠桿木薯拔起裝置在水平方向上的旋轉范圍。

2.2.2 裝置的鉛直方向上的動態仿真

在鉛直方向上的運動是裝置的主運動，起到裝置的調整與拔起作用，因此設計時要充分考慮到夾持手柄在鉛直方向上的旋轉范圍及整體裝置的強度問題。在多自由度木薯拔起機構中，通過往下壓把手，以轉動軸的軸心為支點，作用在把手上的力為動力，夾持手柄上的力為阻力，形成一個杠桿機構，從而實現木薯的拔起工作。在充分利用杠桿原理的同時，還應盡量使得裝置整體結構緊湊，設計合理，符合實際的生產要求。利用UG對臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的運動仿真的旋轉范圍，如圖5所示。

圖5 臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的旋轉范圍圖Fig.5 The rotation range graph of the horizontal lever cassava pull up device in the vertical direction

圖5中，標出的兩個極點的角度范圍即是臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的運動仿真的旋轉范圍，其值為

φ=196.7°-132.8°=63.9°

其中，φ為臥式杠桿木薯拔起裝置在鉛直方向上的運動仿真的旋轉范圍。

3 對臥式杠桿木薯拔起裝置的仿真結果分析

在仿真運動的過程中，充分考慮了零件干涉以及實際工況會出現的各種問題，由此得出了的雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的旋轉角度范圍圖(見圖3)，可從中得出雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的旋轉角度范圍為0°～53.4°。此處的最大值為夾持手柄為極限位置，但在實際的工作中極少情況會用到那么大的夾持角度。若以最大角度，由于運動的連續性，此時需要旋轉轉動手輪的圈數為

那么，此時轉動手輪的轉動圈數在0～4.15圈之間。在實際的測試中，由于需要的雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的旋轉角度范圍很小(20°左右)，那么此時的旋轉圈數為

式中r，—實際需要的轉動圈數；

φ，—實際測量中單個夾持手柄的旋轉范角度。

4 對臥式杠桿木薯拔起裝置的實驗及分析

經過對木薯生活環境及生長規律進行研究，不斷優化產品的機構，確定各零件的具體數值及裝配工藝，進行實驗和采收效率測試，以保證臥式杠桿木薯拔起裝置的采收效率明顯高于人工采收且能夠最大限度減輕勞動強度。對臥式杠桿木薯拔起裝置進行實地測試，可得到該裝置采收的速度為10～15s/棵木薯，采收木薯的速度比純手工采收快將近兩倍，且臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好、夾持力度大，對木薯的夾持及拔起有很好的適應性。其實物圖如圖6、圖7所示。

圖6 臥式杠桿木薯拔起裝置整體實物圖Fig.6 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the overall physical diagram

圖7 臥式杠桿木薯拔起裝置部分實物圖Fig.7 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the portion physical diagram

5 結論

經過仿真及對裝置的實地測試可知:臥式杠桿木薯拔起裝置具有良好的工作可靠性和適應性，其實際工作效率10～15s/棵木薯，是純手工采收的將近兩倍。同時，臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好，夾持力度大，對木薯的夾持及拔起有很好的適應性，具有明顯優于傳統手工的優勢，可滿足社會生產需要，極具發展前景。

[1] 鄭賢，陳科余，楊 望，等.木薯收獲機塊根拔起機構自適應控制算法研究[J].農機化研究，2017，39(4):12-20.

[2] 黃 暉，張 園，李 明，等.降低木薯收獲機碎署率的機械結構改進[J].農機化研究，2013，35(8):119-124.

[3] 余瑞明，廖宇蘭，劉世豪，等.木薯收獲機夾持輸送機構設計與力學分析 [J].農機化研究，2015，37(8):74-80 .

[4] 楊怡，廖宇蘭，鄭侃，等.木薯田間機械化作業研究現狀分析[J].廣東農業科學，2015，42(8):137-140.

[5] 方 佳，濮文輝，張慧堅.國內外木薯產業發展近況[J].中國農學通報，2010，26(16):353-361.

[6] 蔣瑞,黃暉,崔振德.國內外木薯機械化種植技術的研究現狀和發展動態[J].中國熱帶農業，2012(3):58-60.

[7] 劉潔. 蝸輪蝸桿傳動優化設計研究[J].機械傳動，2008， 32(2):53-54.

[8] 周少秋，王彥軍. 基于Pro/E的蝸輪蝸桿參數化設計[J].寧德師范學院學報:自然科學版，2015，27(2):180-184.

[9] 姜海軍. 基于UG的直齒圓錐齒輪三維建模研究[J]. 煤礦機械，2005，26(7):74-76.

[10] 黃躍娟，矯健，肖明喆.基于UG的復合輪系齒輪傳動三維建模及運動仿真分析[J].林業機械與木工設備，2015，43(2):41-44.

Based on the UG for the Horizontal Lever Cassava Pull up Device Design and Movement Simulation

Wang Yong, Ye Ziwang, Lu Di, Dong Zhen, Ma Yanjie

(College of Mechanical Engineering , Guangxi University , Nanning 530004 , China )

Currently, cassava pull up the bulk of the work is still using the manual method, although there is a large cassava harvesting device, but these large equipment is not suitable for the foothills of the Guangdong , Guangxi , Guizhou and other regions, and large equipment investment cost is high, the product promotion in rural areas there are a lot of resistance. In order to solve the farmers harvest cassava manual harvesting in the process of slow speed, easy to hurting hands, etc., this paper puts forward a horizontal lever cassava pull up device of machinery, and before applying for the national invention patent, this paper will use UG to the mechanical design and simulation movement, realizes the mechanization of cassava pull up clamping and pull up and reduce the labor intensity of cassava pull up, at the same time also can improve the efficiency of cassava harvest, improve the economic benefits of cassava crop production and the production level, meet the growth needs of cassava.

cassava pull up device; motion simulation; UG

2016-12-05

地區科學基金項目(51465005)

王 勇(1972-)，男，湖南安化人，講師，碩士，(E-mail)wangy72@gxu.edu.cn。

董 振(1981-)，男，安徽宿州人，工程師，(E-mail)cybhdz508@163.com。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0014-05