籽瓜挖瓤機槽輪機構的有限元模態分析*

丁賽飛，熊世磊，王啟慧，許家源，黃曉鵬

(1.甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

籽瓜，即“籽用西瓜”的簡稱，籽瓜具有入心脾胃，肉有降心脾胃熱，止消渴的作用，該功效已被眾多消費者所認同，主要種植于我國西北地區的旱沙田[1-3]。傳統上的籽瓜主要用于破碎后取籽，大部分成份被浪費[4-6]。因此，籽瓜的綜合加工利用是一個值得解決的問題，這個問題的解決也必將改善生態環境。近幾年，籽瓜清洗、分級、去除等綜合加工工序也日漸成熟，挖瓤工序在綜合加工工藝中是一個重要環節，而籽瓜挖瓤機的研究卻少之又少，大部分現有的挖瓤機體積都比較笨拙，潤滑及維修都不方便[7]。因此為了滿足生產加工的需要，提高生產效率，設計一種新型挖瓤機已經勢在必行。為了設計合理的籽瓜挖瓤機，必須要對其核心部件進行深入研究。筆者基于ANSYS19.0軟件，對課題組自主研發的籽瓜挖瓤機插瓜轉位裝置中的槽輪機構進行有限元模態分析，探究其振動特性，為整機的優化和改進提供理論依據。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

籽瓜挖瓤機的整機結構示意圖如圖1所示，其主要包括上瓜輸送裝置、插瓜架轉位裝置、挖瓤裝置、以及傳動機構四部分組成。其中上瓜輸送裝置是由擺桿、盤形凸輪、托架等機構組成；插瓜架轉位裝置是由插瓜架、槽輪等機構組成；挖瓤裝置是由挖刀架、挖刀等機構組成。各個運動裝置與執行機構之間必須按照對應的時序要求協調配合，才能完成挖瓤任務。

圖1 籽瓜挖瓤機整機結構圖1.擺桿 2.機架 3.盤形凸輪 4.帶輪1 5.帶輪2 6.帶輪3 7.兩圓銷-四槽輪1 8.插瓜架 9.挖刀 10.挖刀架 11.凸緣聯軸器 12.電動機1 13.齒輪1 14.平底式盤形凸輪 15.齒形帶 16.帶輪4 17.齒輪2 18.帶輪5 19.帶輪6 20.電動機2 21.帶輪7 22.齒輪3 23.撥盤 24.兩圓銷-四槽輪2 25.帶輪8 26.切刀 27.托架

1.2 工作原理

從圖1可以看出，籽瓜挖瓤機在正常工作時，籽瓜先由上瓜輸送裝置輸送至固定位置，完成送瓜至固定位置后，經固定在機架上切刀將籽瓜切為兩半。與此同時，槽輪機構轉動，插瓜架帶動兩個半瓜轉動至上方豎直位置，保持一段時間的靜止。隨后，挖瓤架開始向下運動，挖瓤刀在傳動機構的作用下高速旋轉。當凸輪14轉過回程角時，刀架向下移動，實現同步挖瓤；當凸輪14轉過近停程角時，挖瓤刀靜止在最低點，此時是為了保證較好的挖瓤率。隨后，挖瓤架上升，槽輪機構轉動，同時將瓜皮和瓜瓤送入分離導軌，完成挖瓤工作。

2 槽輪機構的有限元模態分析

2.1 槽輪機構的有限元模型的建立

先利用Solidworks2018軟件對籽瓜挖瓤機進行整機三維建模，隨后提取槽輪機構的進行分析。為了簡化分析與計算，對槽輪機構做出如下假設：槽輪機構的材料為各向同性且密度均勻分布，槽輪機構的材料為Q215-A普通碳素結構鋼，其材料屬性參數如表1所列。

表1 Q215-A碳素結構鋼的材料特性參數

將在Solidworks2018軟件中建立的槽輪機構三維建模另存為.x_t格式文件，并導入至ANSYS19.0軟件中。由于物體的振動頻率與物質自身屬性有關，與外界的載荷并無多大關系。故在ANSYS19.0軟件中，選擇自由模態分析模塊，然后開始對槽輪機構進行有限元網格劃分，網格劃分尺寸設為20 mm。網格劃分結果為14 242個網格節點，6 890個網格。具體劃分結果如圖2所示。

圖2 槽輪機構的有限元模型

2.2 槽輪機構的模態分析

通過自由模態分析，得到了該槽輪機構的固有頻率、振型云圖、以及所對應的最大振幅。取非0的前6階振型進行分析。具體的前6階振型特征如表2所列，固有頻率及振幅變化趨勢如圖3所示，前6階振型云圖如圖4所示。

圖3 固有頻率及振幅變化趨勢

圖4 槽輪機構前6階振型云圖

表2 槽輪機構前6階的模態頻率及振型特征

從表2中可以看出，該槽輪機構的主要振型是彎曲、擺動和扭轉。前6階頻率中最大為1 515.7 Hz，最小為422.16 Hz。頻率隨階數的增加而增加，這表現出符合模態分析無阻尼振動的隨機性[8]。

從圖3中可以看出，該槽輪機構的前6階固有頻率先緩緩增加，隨后逐漸趨于平穩，最后快速上升。其所對應的最大振幅先上升再緩慢降低，變化趨勢近似為二次多項式分布。

從圖4中可以看出，該槽輪機構的1階模態的振型主要是槽輪機構左右部分沿X軸前后擺動，最大變形量為13.8 mm；2階模態振型是機槽輪機構對角部分沿Y軸方向左右扭轉擺動，最大變形量是19.926 mm；3階模態振型是槽輪機構對角部分沿X軸方向前后彎曲擺動，最大變形量是23.738 mm；4階、5階振型變化基本相似，主要是槽輪機構對角部分沿Y軸方向左右扭轉振動，最大變形量分別是26.398 mm和26.198 mm；6階模態振型是槽輪機構對角部分和中心槽，分別沿Y軸和X軸左右扭轉擺動和前后彎曲擺動，最大變形量是22.516 mm。

由于該機構的前6階固有頻率相對較大，遠遠大于籽瓜挖瓤機運動部件的激振頻率，故不會引起共振現象的產生。

3 結 論

(1) 通過有限元模態分析可得，隨著階數的增加，該槽輪機構的振型變化趨勢為由槽輪機構左右部分的前后擺動轉變為槽輪機構整體的扭轉擺動和彎曲擺動。且該槽輪機構在第4階振型特征為對角部分沿Y軸方向左右扭轉振動，最大變形量分別是26.398 mm。

(2) 該槽輪機構的前6階固有頻率先緩緩增加，隨后逐漸趨于平穩，最后快速上升。其所對應的最大振幅先上升再緩慢降低，變化趨勢近似為二次多項式分布。

(3) 該槽輪機構的前6階固有頻率相對較大，遠遠大于籽瓜挖瓤機運動部件的激振頻率，故不會引起共振現象的產生。