集約化養蠶裝置鎖緊機構的設計和仿真分析

黃 崢，黃澤界，鄧位喜

（遵義職業技術學院機電與信息工程系，貴州 遵義 563000）

中國是最早發明蠶桑產業的國家，早在20 個世紀70 年代，我國已經成為世界上第一大蠶繭生產國。受到疫情影響，2021 年我國桑園雖然有所減少，面積為79.67×104hm2，但桑蠶繭產量卻有所提升，達到了71.72×104t，桑蠶繭產值達367.15×108元。在2000 年國家經貿委和商務部提出的“東桑西移”工程的作用下，西部地區的蠶桑產業得到了飛速的發展。2021 年，西部8 省區市的蠶繭產量占到了的80.89%[1]。但是由于工業化、城鎮化發展導致的農村勞動力老齡化嚴重、勞動人口短缺以及土地資源稀缺、生產成本不斷上升等問題，以及氣候、技術、市場、環境等因素制約蠶桑產業的發展。蠶桑產業在我國依然是勞動密集型產業，生產規模化以及機械化、集約化、工廠化的生產方式推進緩慢，發展程度也較低，大部分地區仍然以傳統家庭式作坊為主，使用設備的機械化、自動化程度較低[2-8]。根據六部門印發的《蠶桑絲綢產業高質量發展行動計劃（2021-2025年）》中提到了建設規模化、集約化的蠶桑基地。通過產業政策引導，在蠶桑主產區持續推動蠶桑規模化、集約化發展。建立適合機械化作業、自動化操作的標準化蠶桑種養新體系[9，10]。為響應國家養蠶機械的發展需要，進一步提高養蠶機械的機械化、自動化水平，實現集約化養蠶。現為集約化養蠶設備設計了鎖緊機構。

本鎖緊機構應用于某集約化養蠶裝置中，主要用途是實現接沙盤的自動鎖緊以及解鎖。接沙盤的作用在于收集養蠶過程中產生的蠶沙。在傳統的養蠶方式中，需要工人定期更換蠶箔來清理蠶沙，防止蠶箔內蠶沙的堆積，避免蠶箔內細菌和病毒的滋生。但蠶箔的尺寸和質量往往都比較大，而且在清理過程中需要避免誤傷到蠶，因此花費的時間和精力比較大。故除沙作業是養蠶過程中勞動強度較高的環節之一。本設計方案目的在于進一步提高養蠶的機械化自動化水平，實現除沙的自動化，降低養蠶的勞動強度。

1 方案簡介

1.1 安裝位置、結構以及工作原理

1.1.1 安裝位置

本設計方案的鎖緊機構安裝位置見圖1。用于養蠶的蠶箔放置在蠶架內，兩個鎖緊機構對稱安裝在蠶架兩側的上下框，并通過螺栓與蠶架上、下框固定。

圖1 鎖緊機構安裝位置示意圖Fig.1 Locking mechanism installation position diagram

1.1.2 鎖緊機構工作原理

鎖緊機構的具體結構見圖2，外形尺寸250 mm×150 mm×150 mm。鎖扣安裝固定在接沙盤上，鎖扣通過鎖緊機構內部結構鎖緊固定，在該養蠶裝置兩端固定安裝有電動機構。當需要解鎖時，控制單元向電動機構發出動作指令，電動機構開始推動滑塊運動，實現鎖扣從鎖體分離，從而實現接沙盤的解鎖。當接沙盤完成作業并恢復到初始位置時，電動機構和滑塊復位，從而實現鎖緊接沙盤。

圖2 鎖緊機構結構示意圖Fig.2 Structure diagram of locking mechanism

1.1.3 鎖緊機構內部結構以及工作原理

鎖緊機構的內部機構見圖3。

圖3 鎖緊機構內部結構示意圖Fig.3 Internal structure diagram of locking mechanism

鎖緊機構工作原理如下：①解鎖作業。在滑塊的作用下，上連桿向下運動，從而帶動左連桿和右連桿分別推動左鎖塊和右鎖塊做擠壓彈簧的運動，從而實現鎖扣和鎖體的分離。在接沙盤下落到恢復到初始位置之前，鎖緊機構內部零件在滑塊的作用下保持該狀態；②鎖緊作業。在接沙盤恢復到初始位置之后，滑塊復位。在左彈簧和右彈簧的作用下，左鎖塊和右鎖塊復位與鎖扣接觸，并鎖緊鎖扣。同時，在鎖體兩端均有緊定螺釘，由于調節右彈簧和左彈簧的鎖緊力。

滑塊與上連桿的接觸位置示意圖見圖4。由于滑塊和上連桿的接觸面為斜面，所以在滑塊的橫向運動下，會帶動上連桿做上下運動。

圖4 滑塊與上連桿的接觸位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the contact position between the slider and the upper connecting rod

2 計算分析

2.1 受力情況

在接沙盤被鎖緊的狀態下，要保持鎖緊狀態，鎖扣應受到向上的拉力為49 N。來自接沙盤和蠶沙的重力。其中，預估接沙盤在裝滿蠶沙的最大質量為10 kg。鎖緊機構的安裝位置為蠶框中間位置。

2.2 彈簧設計

根據彈簧受力以及彈簧安裝空間，設計選用彈簧。彈簧的工作長度為20 mm，則設計選用的彈簧材料為碳素鋼絲B級，直徑為d=1 mm，中經為D=8 mm，旋繞比為C=8，剛度系數為k=2.76 mm。有效圈數n=7，總圈數n1=n+1.5=8.5。

3 仿真分析

3.1 ADAMS仿真分析

利用ADAMS 軟件對鎖緊機構在解鎖過程中連桿的受力變化進行分析。設計推動滑塊的電動機構的速度12 mm/s，并保持勻速推動滑塊。則將鎖塊解鎖需要的時間為約為1 s。通過仿真得到，在解鎖過程中，彈簧的受力變化見圖5。隨著解鎖過程的進行，彈簧的壓力在逐漸增大，當完成解鎖時，壓力達到最大值48.6 N。經驗證，設計彈簧滿足要求。

圖5 彈簧受力變化圖Fig.5 Spring force change diagram

在解鎖過程中，上連桿的橫向受力見圖6。初始的最大受力為543.6 N，解鎖完成時的受力為326.0 N。

圖6 上連桿受力變化圖Fig.6 Stress change diagram of upper connecting rod

左連桿和右連桿為二力桿。左連桿和右連桿受力變化見圖7。初始的最大受力為331.6 N，解鎖完成時的受力為282.8 N。

圖7 左連桿和右連桿受力圖Fig.7 Left link and right link force diagram

3.2 ANSYS仿真分析

針對ADAMS 仿真分析中上連桿的受力狀況，利用ANSYS 仿真軟件，對上連桿在初始狀態下的應變和應力進行仿真分析。

初始狀態下，上連桿的載荷以及約束見圖8。上連桿受到滑塊的橫向推力543.6 N，收到左連桿和右連桿向上的推力的合力468.0 N。則上連桿受到滑塊向下的壓力同樣為468.0 N，上連桿的應變圖見圖9。

圖8 上連桿的載荷和約束分布圖Fig.8 Load and constraint distribution diagram of upper connecting rod

圖9 上連桿的應變圖Fig.9 Strain diagram of upper connecting rod

經仿真分析，上連桿的最大應變為0.002 mm，最大應力為421.9 MPa，上連桿的應力圖見圖10。

圖10 上連桿的應力圖Fig.10 Stress diagram of upper connecting rod

為滿足零件強度要求，上連桿、左連桿、右連桿統一選用材料40 Cr。40 Cr的屈服強度為785 MPa，能夠滿足零件強度要求。

用于連接連桿與連桿以及連接連桿與滑塊的銷軸同樣采用40 Cr。

經仿真分析，本設計方案的中零件選用的材料以及結構能夠滿足設計要求。