采棉機發動機罩網自動清理裝置設計與分析

吳天松，胡 蓉，趙慶展，王永爍

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.兵團工業技術研究院，新疆 石河子 832000)

0 引言

作為以棉花種植為主的農業大省，為了提升棉花收獲的總體經濟效益，新疆不斷增加機采棉引進及推廣應用，使農機化水平獲得進一步提升[1]。新疆地處干旱區域，晝夜溫差較大，氣候較為干熱，采棉機工作環境復雜[2]。采棉機工作時，周圍會產生棉絮、砂粒、灰塵等雜質，且由于采棉機發動機渦輪在旋轉時會產生負壓，對發動機渦輪周圍的棉絮等雜質產生吸力，因此采棉機發動機外側裝有防護罩網，防止雜質進入機箱內造成發動機故障[3]。一旦防護罩網上網孔被雜質堵塞，不能及時清理，發動機產生熱量不能及時散發出去，發動機渦輪產生的負壓也會急劇變化，發動機進氣受阻，溫度迅速上升，就會造成發動機故障[4]。清掃機在國外使用較早，發展也很迅速，用途較為廣泛，技術上基本趨于成熟。M.Abdel Wahab等[5]根據實際有過被擠壓的垃圾難以被清理的現象，分析了盤刷刷毛與垃圾顆粒接觸的原理和能量的轉換關系，獲得刷毛與垃圾顆粒的最佳接觸形式。Vanegas Useche，L.V等[6]創建了清掃車盤刷的物理模型，將刷毛依照分析懸臂梁形式進行建模。郭梟等[7]結合自動除塵系統工作狀態中相應遮擋對其光伏元件輸出影響和達到的除塵效果做了研究，提出導光伏元件自動除塵系統運行啟動時刻與持續時間的設置,進而獲得了良好的除塵效果。根據實地調研統計，采棉機在采收0.4～0.533hm2地時，采棉機駕駛員或其工作人員就會用清掃工具來清掃粘附在防護罩網上的雜質，不僅耗費人力，且清掃頻率只是人為預估，并不能保證防護罩網上的雜質得到及時清理。為此，針對采棉機工作的實際需求，設計出了一種采棉機發動機防護罩網自動清理裝置，旨在降低了采棉機工作人員的勞動強度，避免了人工清掃的不確定性，從而降低采棉機發動機的故障率，為采棉機發動機防護罩網自動清理裝置后期進一步研發提供支持。

1 材料與方法

1.1 設計方案與工作原理

1.1.1 設計方案

采棉機防護罩網自動清理裝置用于清掃采棉機發動機防護罩網上的雜質，主要包括機械結構設計和控制系統設計兩部分[8]， 如圖1所示。該自動清理裝置主要由電機、滑軌 、刷滾軸、絲杠、聯軸器、PLC控制盒，以及用于與連接固定的螺栓、支撐座、軸承座等組成，可以對采棉機防護罩網進行往復清掃，清掃頻率和時間可以根據具體環境設定。

1.1.2 工作原理

工作時，相應傳感器實時監測網孔上雜質的吸附情況，當防護罩網上的雜質吸附量達到預定的警戒值時，傳感器將感應到的物理量信號轉換成相應的電信號給控制核心；控制核心發出指令控制電機A和電機B轉動，電機A轉動驅動刷滾軸轉動，刷滾軸上的刷毛清掃防護罩網上粘附的雜質，電機B正轉，驅動絲杠桿正向轉動，驅動螺母沿驅動桿自前而后運動,則刷滾軸開始自前而后清掃采棉機發動機防護罩網的表面；當刷滾軸到達最后端后，PLC控制盒控制其電路使電機反轉；驅動螺紋驅動桿反向轉動,驅動螺母沿驅動桿自后而前運動,則刷滾軸開始自后而前再次清掃采棉機發動機防護罩網的表面；當刷滾軸到達最前端之后，觸發電路行程開關，切斷電機反轉回路，電機轉動停止，1個清掃周期完成。

1.軸承座 2.螺栓B 3.電機A 4.聯軸器 5.刷輥軸 6.滑塊 7.支撐座 8.螺栓A 9.試驗臺板 10.滑軌 11.固定導向桿 12.刷滾軸軸承套 13.刷毛 14.電機B 15.電機B支撐座 16.移動絲杠 17.絲杠螺母 18.試驗臺支架 19.采棉機發動機防護罩網 20.雜質收集槽 21.PLC控制箱圖1 采棉機發動機防護罩網自動清理裝置的結構軸測圖

1.2 關鍵部件的設計

1.2.1 刷輥軸的設計

目前使用的刷輥類型多種多樣，常用刷絲直徑約0.05～2mm，刷體最小直徑為25mm，刷體最長 5.5m[9]。設計的采棉機發動機防護罩網清理裝置，要邊清掃邊運動，考慮到刷桿的強度，選用圓柱實心毛刷輥;又由于為所洗物材質為碳鋼結構的發動機防護罩網，所以刷毛用尼龍610，刷輥用 45鋼。使用尼龍材質刷毛清掃發動機外側的防護罩網進行清掃，不僅要求減少被清掃物的損傷，而且要求刷絲要有良好的彈性和一定的抗壓性。所選尼龍610刷絲不僅彈性好，而且抗磨損性能和抗壓性能良好。毛刷輥如圖 2所示。

1.2.2 滾動軸承的設計

本裝置根據設計要求選擇深溝球軸承，其軸承座如圖3所示。圖3中，止推環用來固定軸承；圓槽的作用是密封，選用O形封圈。本設計使用深溝球軸承，選用滾動軸承座，并用1個止推環來固定軸承[10]。

圖2 清掃刷輥

圖3 滾動軸承座

1.2.3 運動導軌的設計

選用的滑軌為直線運動滾動導軌，主要由滑塊、滾珠、端蓋、導軌和回流模組組成，如圖4所示。其特點是滑塊和導軌之間用滾珠作為動力傳輸，可無限做摩擦較小的循環滾動，而且把滑塊緊緊固定在導軌上，可以使清掃裝置中的電機A沿導軌做高精度及高速的直線運動。

圖 4 直線運動滾動導軌示意圖

1)基本靜額定負荷。當直線導軌處于靜止狀態時，如果受到大的沖擊載荷，其珠道或者滾動體可能發生嚴重變形，影響導軌正常使用，因此要按靜額定負荷對導軌來選型。基本靜額定負荷為

C0≥FS·P0

(1)

式中C0—額定靜負荷(kgf)；

P0—單個滑塊上的靜負荷或沖擊負荷(kgf)；

FS—負荷安全系數,大小按表1選擇。

表1 靜載荷安全系數

2)基本動額定負荷。當直線導軌處于工作狀態時，如果其滾珠或珠道面承受了變力的作用發生了損傷，那么要按動額定負荷對導軌來選型[11]。

直線運動滾動導軌受到的載荷為p，其工作總行走距離L與其基本動額定負荷C的關系為

(2)

式中L—總行走距離(壽命)(km)；

C—基本動額定負載荷(kgf)；

P—導軌受到的載荷(kgf)。

因為實際的工作情形或許同實驗條件有一定的差別，如其工作載荷會因實際狀況改變等因素，所以把式(2)修改成

(3)

式中L—總行走距離(壽命)(km)；

C—基本動額定負載荷(kgf)；

fh—硬度系數；

ft—溫度系數；

fc—接觸系數；

fw—負荷系數；

PC—計算負荷(kgf)。

在設計時，壽命用時間來表示。設滾動導軌進行往復運動的行程為ls(m),每分鐘的往復行程數為n1,工作總行走距離L(km)和時間壽命Lh(h)二者的關系表示為

(4)

2 清掃刷輥的模態分析

模態分析可以確定一個結構或機械零件的振動特性(即結構的固有頻率和振型)，避免與其他工作部件發生共振。刷輥作為清理裝置的重要部件，如果電機、清理裝置等各部件的振型頻率與刷輥的頻率相同，刷輥較容易發生共振，因此要對刷輥進行合理的模態分析。

2.1 模型的導入與材料屬性的定義

將SolidWorks建立的刷輥模型導入ANSYS Workbench軟件中，并設置模型的單位為mm[12]。為了便于計算，需要對有限元的模型給與簡化，如圖5所示。由于主要是分析刷輥軸的特性，所以本模型將刷輥上的刷毛簡化掉，將軸承座及軸套用圓柱面約束進行了替代。根據相關計算及實際需求，刷輥材質采用Q235A較為合適。

圖5 清掃刷輥

2.2 網格劃分

網格劃分是建立有限元模型的一個重要環節，建立正確合理的網格模型對計算結果的精度影響較大，所以網格劃分需要合適的方法[13]。刷輥模型采用的是四面體網格劃分，使用的是patch conforming算法。網格劃分完成后共有55 857個節點和30 855個單元，如圖6所示。

圖6 刷輥網格劃分

2.3 約束的設置與求解

根據刷輥實際工作狀態，在刷輥模型兩端施加固定約束，位移邊界條件是在軸承座及軸套位置施加圓柱面約束，約束軸向和徑向的自由度，放開切向自由度。

圖7 前6階模態振型云圖

階數頻率/Hz階數頻率/Hz120.377220.544321.470421.491542.004655.134

2.4 約束模態結果分析

隨著模態順序的增加，清潔刷輥的變形程度先減小后增大。由表2中的刷輥的前6個模態頻率的數據可以看出：刷輥的第1和第2、第3和第4階的頻率是相似的，它們兩兩之間的振型變化也較為接近；前2階的變形主要是某一端的彎曲變形，3階和4階主要變形發生在整個刷輥彎曲變形，第5階時出現了大的圓周變形，第6階時振動幅度最為明顯，變形情況最為嚴重。

由于刷輥設計的工作轉速在240/min以下，屬于低速范圍，轉速對刷輥軸固有頻率基本沒有影響，因此旋轉速度對刷輥臨界速度的影響可以忽略。根據刷輥模態分析得到的固有頻率，由式(5)計算刷輥的臨界轉速，即

n=60f

(5)

式中n—臨界轉速(r/min)；

f—固有頻率(Hz)。

刷輥軸模態第1階臨界轉速n1=60×20.377=1 222.62r/min,該計算轉速大于刷輥的最高工作轉速240r/min；而前6階固有頻率在20.377～55.134之間，固有頻率較高，其固有頻率沒有與清理裝置其他零部件接近或耦合的頻率。這表明，說明該主軸設計是合理的，能有效地避開共振區，刷輥不會發生共振[14]。

3 吸附雜質和刷輥刷毛特性分析

3.1 吸附雜質的物理特性

根據在石河子農八師136團采棉機工作現場實地跟蹤調研，采棉機發動機外側的防護罩網表面吸附的雜質主要有灰塵、棉絮、砂粒等，物理性質各不相同[15]。為了保證清掃裝置設計的準確性，需要對輕掃雜質的物理特性進行分析。本文主要針對雜質中顆粒物的特性進行分析。

1)顆粒密度。表觀密度是指材料質量與表觀體積的比值，由于顆粒之間有空隙存在，因此影響雜質收集槽的設計。真密度指的是單位體積的顆粒質量，這影響到刷輥速度的確定。兩個密度之間的關系可用公式表述為

ρε=(1-ε)ρ

(6)

式中ρε—顆粒的表觀密度(kg/m3)；

農業機械的保養要按照“防重于治、養重于修”的原則，切實執行技術保養規程，動力機械要按主燃油消耗量確定保養周期，按時、按號、按項、按技術要求進行保養，達到技術保養標準，確保機具處于完好的技術狀態。

ε—空隙率；

ρ—顆粒的真密度(kg/m3)。

表3為常見顆粒物的表觀密度和真密度。

表3 常見顆粒物的表觀密度和真密度

2)顆粒粒徑。顆粒粒徑是顆粒物的基本特性之一，其體積是判斷顆粒物粗細的指標，而體積的大小歸根結底為粒徑的分析。由于道路上的顆粒物形狀均不規則，所以分析粒徑時應做出適當轉化，在清掃裝置的研究中主要轉換方法為當量粒徑。當量粒徑采用等體積法(利用光散射法測定)，將不規則顆粒物轉化為體積相等的球體，該球體的直徑即為當量粒徑。當量粒徑的計算公式為

(7)

式中V—顆粒的實際體積(m3)；

d—當量粒徑(m)。

3)顆粒球形度。研究垃圾顆粒物運動等情況時，都是把顆粒物假設成圓球體來進行研究，而實際上它們都是不規則的顆粒狀，因此會導致計算結果與實際情況存在一定誤差，會對刷輥的一些結構參數的確定有一定影響[16]。所以，引用球形度來作為矯正系數，表示顆粒與球體的接近程度。它們之間的關系可用公式表述為

κ=A/Ac

(8)

式中κ—顆粒球形度；

A—顆粒表面積(m2)；

AC—當量球體表面積(m2)。

常見顆粒物的球形度如表4所示。

表4 常見顆粒物的球形度

根據以上顆粒物理特性及主要顆粒物占的百分比，為了使本研究更具有準確性，選擇顆粒物中所占百分比較高的砂粒為分析對象。

3.2 刷輥刷毛的力學特性

刷毛的分布類型與所清掃的對象密切相關，因本文對象是砂粒顆粒物，所以刷輥類型選擇清掃效果較好的圓柱形刷輥[17]。其刷毛沿圓柱體上分段密集分布，可使垃圾顆粒物在被刷毛分散彈起時又有種向刷輥中心聚攏的趨勢，避免了二次揚塵，從而達到較好的清掃效果。圓柱體分段分布刷輥的清掃作業是刷毛與砂粒顆粒的非線性接觸問題，刷毛的彎曲變形產生在橫向截面XY平面和縱向截面YZ平面。圖8為刷毛與砂粒顆粒橫向截面內的接觸示意圖。其中，砂粒的法向接觸力Fn和切向摩擦力Fτ使刷毛產生彎矩M,γ為刷絲與垂直方向的夾角，R為刷輥半徑。由于刷絲為尼龍塑料，剛度小、彈性變形量大，當刷絲與砂粒剛發生點接觸時，兩者仍處于靜平衡狀態，接觸點的彎矩為零。隨著刷輥的轉動，刷絲與砂粒間開始相互運動，兩者間的接觸點與其產生的彎矩零點也隨之變化。

圖 8 刷毛與砂粒橫向截面接觸

圖9為刷毛在縱向截面的受力分析。為充分研究砂粒在縱向截面內的受力，將刷毛作用力F分解為縱向力FY和橫向力FZ。FY將砂粒拋入刷輥使之繞刷輥做圓周運動，FZ將砂粒沿刷輥軸心線方向中心靠攏。當φ=0時,FZ=0，FZ則將砂粒只能垂直于刷輥做圓周運動，無法橫向運動；當φ增大時，橫向力FZ隨之增大，但橫向力FZ過大會導致刷輥轉動橫向滑移速度增大，加快刷毛的磨損。

圖9 刷毛在縱向截面的受力分析

4 試驗驗證

為檢驗該采棉機發動機防護罩網自動清理裝置清掃效果，特在新疆生產建設兵團農八師136團和新疆新建現代農業工程開發有限公司機庫進行試驗對比。圖10為兵團農八師136團調研圖，圖11為自動清理裝置試驗臺，圖12為人工掃把清掃罩網和清理裝置清掃刷輥清掃效果對比情況。

圖 10 兵團農八師136團調研現場

圖11 清理裝置試驗臺

圖12 人工清掃和清理裝置清掃刷輥清掃罩網對比圖

試驗選用的采棉機型號為迪爾9970，是新疆目前應用較為廣泛的一種機型。其發動機防護罩網平面形狀為長方形，長104.2cm,寬51.5cm。罩網上均勻分布許多小孔，罩網厚度3.44cm。隨后，選同一個型號采棉機罩網，分別多次進行人工罩網清理，把清理裝置清掃刷輥的清理效果和清理效率進行對比。試驗完成之后 ，收集試驗區域掉落在地上的雜質、罩網上未清理掉的雜質并稱重，根據式(9)測得清理裝置的清掃率，即

(9)

式中S—清理裝置刷輥工作過程中的清掃率(%)；

m1—試驗區域內掉落在地上雜質的質量(kg)；

m2—罩網上未清理掉的雜質質量(kg)。

試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果

5 結論

1)設計了一種采棉機發動機防護罩網自動清理裝置，可實現發動機防護罩網粘附雜質的自動清理作業，從而減小采棉機發動機故障率。

2)在SolidWorks軟件中創建清理裝置的三維模型，并導入ANSYS Workbench中對其刷輥進行模態分析，發現刷輥不會發生共振，滿足使用要求。探討分析了刷輥刷毛的清掃性能，主要包括垃圾顆粒的物理特性和刷毛的力學特性分析。

3)為檢驗清理裝置清掃率等性能，對清理裝置清掃刷輥清掃率和人工的清掃率進行試驗對比分析，結果表明：人工清掃雜質清掃率在80%～85%之間，而清理裝置刷輥工作過程中雜質清掃率大于 90% ，裝置在工作過程中可靠性高，各項性能均滿足要求[18]。