槽型输送带式排肥器锥齿轮副设计与仿真试验.pdf
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1、第 41 卷 第 5 期2023 年 10 月石河子大学学报(自然科学版)Journal of Shihezi University(Natural Science)Vol.41 No.5Oct.2023收稿日期:2023-07-22 基金项目:新疆生产建设兵团重点领域科技攻关计划项目(2020AB002)作者简介:董万城(1982),男,中级实验师,研究方向为农业机械装备设计,e-mail:dongwancheng1982 。通信作者:张立新(1967),男,教授,博士生导师,研究方向为农业智能装备技术研究,e-mail:zhlx2001329 。DOI:10.13880/ki.65-117
2、4/n.2023.21.017文章编号:1007-7383(2023)05-0529-08槽型输送带式排肥器锥齿轮副设计与仿真试验董万城1,卜浩然1,江镇1,余思遥1,张立新1,夏元清2(1 石河子大学机械电气工程学院,新疆 石河子 832000;2 北京理工大学自动化学院复杂系统智能控制与决策重点实验室,北京 100081)摘要:为实现排肥器的稳定排肥和排肥流量可调控,以及排肥器的创新设计与理论研究提供参考,设计一种改善排肥流量均匀性的槽型输送带式排肥器。对槽型输送带式排肥器的关键部件进行了优化设计,确定了排肥器小锥齿轮模数为 3,齿数 14、齿宽 11 mm,并利用 EDEM 离散元软件对
3、排肥过程进行仿真分析,以槽型同步带开度、锥齿同步带轮转速为试验影响因素,以排肥量为评价指标,分析排肥器关键结构因素对排肥量的影响,并对仿真结果进行台架试验验证。结果表明:选取排肥量变化曲线拟合斜率表征排肥流量,发现排肥流量可调控且与槽型同步带开度、锥齿同步带轮转速存在线性关系,线性拟合结果显示校正决定系数分别为 0.998、0.999;试验值与仿真值相对误差值较小,仿真试验结果可靠。关键词:排肥器;槽型输送带式;锥齿轮;离散元中图分类号:S224.2文献标志码:ADesign and simulation test of bevel gear pair of trough conveyor t
4、ype fertilizer dispenserDONG Wancheng1,BU Haoran1,JIANG Zhen1,YU Siyao1,ZHANG Lixin1,XIA Yuanqing2(1 School of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832000,China;2 Key Laboratory of Intelligent Control and Decision Making for Complex Systems,School of Automation,B
5、eijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:In order to realize the stability of fertilizer discharge and the adjustable flow rate of fertilizer discharge,as well as the innovative design and theoretical research of fertilizer discharge device,a trough conveyor belt fertilizer disch
6、arge device was designed to improve the uniformity of fertilizer discharge flow.The key components of the trough conveyor belt fertilizer dispenser are optimized,and the module of the small bevel gear of the fertilizer dispenser was determined to be 3,the number of teeth is 14,and the width of the t
7、eeth was 11 mm.The simulation analysis of the fertilizer dispenser process was carried out by using EDEM discrete element software.The opening of the trough synchronous belt and the rotation speed of the taper synchronous belt wheel were taken as the test influencing factors,and the fertilizer disch
8、arge quantity was taken as the evaluation index.The influence of key structural factors on fertilizer discharge was analyzed,and the simulation results were verified by bench test.The results show that the fertilizer discharge rate can be regulated and had a linear relationship with the opening of t
9、he groove synchronization belt and the speed of the taper gear synchronization belt wheel.The linear fitting results show that the correction determination coefficients are 0.998 and 0.999,respectively.The relative error between the test value and the simulation value is small,and the simulation res
10、ults are reliable.Key words:fertilizer discharger;slotted conveyor belt type;bevel gear;discrete element新疆作为我国棉花作物的重要生产基地1,可挖掘的农业生产潜力巨大。棉花苗在生长的过程中需要对其进行施肥,以促进棉花苗的生长,合理的施肥技术可以满足棉花对营养物质的需要,促进作物的生长发育,增加产量和改善品质。大规模种植的棉花施肥都会用到施肥机械,以提高棉花施肥的效530 石河子大学学报(自然科学版)第 41 卷率,排肥器是施肥机的关键部件,目前,国内外使用的排肥器形式主要有离心式、螺旋式、振
11、动式和外槽轮式等2,外槽轮式排肥器因其操作方便、结构简单等特点被广泛应用。现有外槽轮式排肥器采用直齿轮式传动排肥较多3-4,我们通过分析后认为:直齿轮传动式排肥器相较于锥齿轮式传动排肥器更适应于流动性好的松散化肥颗粒,排肥稳定性相对较差,会出现堵塞、断条、漏施等现象,带来化肥浪费、排肥均匀性降低等问题。基于离散元法的 EDEM 软件能够通过建立颗粒系统的离散元参数化模型,进行颗粒运动行为的模拟,近年来 EDEM 仿真在排肥器的结构参数优化方面的研究应用越发广泛5,顿国强等6设计了一种双齿轮式排肥器,其对双直齿轮关键参数进行设计,并设计离散元仿真试验分析了排肥轮不同压力角对排肥均匀性的影响,优化
12、了双直齿轮式排肥器结构参数;位国建等7设计了一种机械式强制排肥器,建立了排肥性能指标与各影响因素之间的回归方程,确定出最优工作参数组合;汪博涛8应用离散元法,以外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度为试验因素,建立外槽轮排肥器工作参数与排肥量之间的数学模型。归纳上述文献的研究结果后发现,对直齿轮式排肥器关键结构参数设计优化的研究较多,针对带式锥齿传动型排肥器的研究还相对较少,尤其缺少对排肥器锥齿轮传动参数设计优化的相关研究。针对上述研究现状和排肥器存在排肥不稳定、排肥流量较难控制的问题,本文设计一种槽型输送带式排肥器,并对槽型输送带式排肥器的关键部件锥齿轮副进行参数设计和优化,建立锥齿轮传
13、动机构优化的数学模型,采用 Matlab 优化工具箱对目标函数进行优化求解,然后根据求解结果确定槽型输送带式排肥器的关键结构参数,再利用 Solidwoks 软件进行三维建模,并应用 3D 打印技术制造了槽型输送带式排肥器,最后利用 EDEM 软件进行排肥过程仿真,并与实际排肥过程排肥量进行对比验证,旨在为排肥器的设计优化提供理论依据。1 排肥器结构与工作原理槽型输送带式 排肥器 的 结 构 主 要 包 括 肥 箱盖、肥箱、排肥盒等结构,如图 1 所示,其中:肥箱上部为方形下部为梯台形的壳体结构,主要用于储放肥料颗粒;排肥器上壳、排肥器下壳及其内腔安装的矩形传动轴、排量调节板、槽型同步带、锥齿
14、同步带轮、小锥齿轮等结构共同组成排肥盒;排肥盒前后端上下壳体之间设有矩形口,肥料颗粒由此进入排肥盒,可以按照施肥要求将肥料颗粒均匀稳定地排出。图 1槽型输送带式排肥器结构槽型输送带式排肥器工作时,外部动力带动矩形传动轴和轴上的小锥齿轮套转动,从而带动锥齿同步带轮和槽型同步带运动。当肥料箱中的肥料落入排肥盒中,可以通过手动调节排量调节器,从而控制肥料与槽型同步带的接触宽度,以达到控制肥料排量的目的。槽型输送带式排肥器采用锥齿轮和带轮传动的方式进行传动排肥,相较于直齿轮传动等方式排肥更加稳定,更能改善排肥流量的均匀性,从而有效提高施肥质量和减少施肥成本。2 关键部件设计与优化为满足排肥器稳定排肥和
15、均匀排肥的要求,选用传动平稳、传动效率高、传动能力强的锥齿轮传动方式进行排肥传动,同时,锥齿轮副是排肥器中的关键部件,锥齿轮传动的平稳性决定了排肥效率、排肥质量,因此,为了保证排肥装置的平稳运行和排肥效率的稳定,需要对锥齿轮的关键结构参数进行设计与优化。第 5 期董万城,等:槽型输送带式排肥器锥齿轮副设计与仿真试验531 锥齿轮通常用于相交轴或相错轴之间的传动,锥齿轮按齿向分为直齿、斜齿和曲线齿9。本文设计采用直齿锥齿轮且轴交角=90,齿轮材料为ABS 塑料,材料轻便且便于加工。图 2 是直齿锥齿轮传动的几何参数。da 1、da 2大、小齿轮齿顶圆直径;R锥距;b齿宽;d1、d2大小齿轮齿顶圆
16、直径分度圆直径;1、2大小齿轮分度圆锥角图 2直齿锥齿轮传动的几何参数2.1基本参数设计对直齿锥齿轮副进行常规设计时,首先需要进行小锥齿轮齿数 z1的初选,然后根据齿面强度估算公式依次计算出其大端分度圆直径 d1、大端端面模数 m、齿宽 b 等尺寸值,最后齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行校核,如果不满足条件,则需要调整设计参数直到满足强度条件。对排肥器的工作条件进行分析可知:排肥轮最高转速为 60 r/min,最大负载转矩 T 为 1.3 Nm,为满足排肥器工作要求锥齿轮副材料选用 ABS 材料。ABS 材料洛氏硬度为 107HRC10。根据锥齿轮材料查得齿根弯曲疲劳许用应力F=60 M
17、Pa,齿面接触疲劳许用应力H=158 MPa。表 1 是根据齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度准则进行常规设计的锥齿轮基本参数。表 1锥齿轮基本参数基本参数大齿轮小齿轮模数 m2.52.5齿形角/2020齿顶高系数 ha11顶隙系数 c0.20.2齿宽 b/mm1111外锥距 R/mm36.44336.443表1(续)基本参数大齿轮小齿轮齿数 z/个1525分度圆直径 d/mm37.562.5齿顶圆直径 da/mm41.865.0齿根圆直径 df/mm32.359.5节圆锥角/30.44659.5342.2MATLAB 优化设计齿轮优化设计的数学模型建立一般包括三部分11-12:(1)设计变量
18、。一般选用锥齿轮传动的基本几何参数或性能参数,主要包括齿轮齿数、模数、齿宽系数、螺旋角、变位系数等。(2)确定目标函数。常见的目标函数有体积(质量)最小、承载能力最大、工作寿命最长、振动最小等。(3)选定约束条件。一般的约束条件是满足接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、齿数不少于发生根切的最小齿数、传递动力的齿轮的模数不小于 2 mm,齿宽不引起过大的载荷分布不均现象等。2.2.1目标函数和设计变量本文以直齿锥齿轮副体积之和最小为优化目标,可以保证在满足设计要求的同时,尽量节约材料。目标函数可表示为:f(x)=V1(x)+V2(x)=b3(mz12)2+mz1(R-bmz12R)2+(R-bmz12R
19、)cos1+b3(mz22)2+mz2(R-bmz22R)2+(R-bmz22R)cos2;(1)z2=uz1cos2;(2)R=mz21+z222=mz21+(uz1)22;(3)1=arctan1u;(4)2=arctanu。(5)由式(1)可以看出,影响锥齿轮副体积的参数主要有大端端面模数 m、齿数 z 和齿宽 b,所以可将设计变量 X 设为X=m,z1,b=x1,x2,x3。(6)2.2.2约束条件(1)直齿锥齿轮大端端面模数 m 应符合国家标准 GB/T 13572008 的规定,锥齿轮模数的取值范围根据设计要求取 m=28,模数 m 的约束条件为:532 石河子大学学报(自然科学版
20、)第 41 卷G1(X)=2-x1 0;G2(X)=x1-8 0。(2)直齿锥齿轮不采用变位时,不发生根切的最小齿数为 zmin=14,齿数 z1约束条件可为:G3(X)=14-x2 0;G4(X)=x2-25 0。(3)齿轮的齿宽 b 一般取整数,锥齿轮的齿宽系数通常取 R=0.25 0.5,其约束条件为:G5(X)=0.25-x3R 0;G6(X)=x3R-0.5 0。(4)根据设计标准要求13,应满足齿面接触疲劳强度以下条件:H=2KAKVKHKHTRd31u+1uZHZEZ H;(7)G7(X)=H-H 0。式(7)中 KA为使用系数,KV为动载系数,KH、KH分别为接触强度齿间、齿向
21、载荷分配系数;ZH为区域系数;ZE为材料弹性影响系数;Z为接触强度重合度系数。(5)根据设计标准要求,应满足齿根弯曲疲劳强度以下条件:F=2KAKVKFKFTYFaYsaYRm3z21 F;(8)G8(X)=F-F 0。式(8)中 KF、KF分别为弯曲强度齿间、齿向载荷分配系数;YFa为齿形系数;Ysa为应力修正系数;Y为弯曲强度重合度系数。以上参数均根据国家标准选取。直齿锥齿轮优化设计的数学模型为:X=x1,x2,x3minf(x)s.t.Gi(X)0,i=1,2,7,8(9)2.2.3优化求解利用 MATLAB 软件的优化工具箱里的 fmincon函数进行求解。在基础条件下确定出各个参数的
22、数值及函数关系,并编写出优化目标函数文件(aim_1.m)和约束条件文件(const_1.m),并将常规的设计结果作为优化求解的初始点,调用 fmincon 函数来进行求解。参数优化程序 Matlab 代码如下:x0=2.5 15 11;A=;b=;Aeq=;beq=;x1b=2 14 9;xub=8 25 18;options=optimset(Display,iter-detailed,MaxFunEvals,2000);x,fval,exitflag,output=fmincon(aim_1,x0,A,B,Aeq,beq,xlb,xub,const_ 1,opt ions)运行程序后可以
23、得到如下求解结果:X=2.121 4 14.012 6 8.215 3;对最后的运行结果取标准值:m=2,z1=14,b=8。大齿轮齿数:z2=z1u=14 1.7=23.8;取 z2=24;分度圆直径:d1=mz1=2 14=28 mm;d2=mz2=2 24=48 mm;节圆锥角:1=arctan1u=arctan11.7=30.466。2=90-1=90-30.466=59.534。按上述程序优化设计,以直齿锥齿轮副体积之和最小为优化目标,在保证锥齿轮模数、齿宽、疲劳强度等参数满足国家标准和排肥作业要求的约束条件下,并对优化结果取标准值后得到锥齿轮副的结构参数优化结果为:m=2,z1=1
24、4,z2=24,b=8,d1=28,d2=48,1=30.466,2=59.534。3 仿真试验为验证本文槽型输送带式排肥器机构设计的可行性,对排肥装置排肥过程进行仿真试验验证。本文采用中国石油天然气股份有限公司生产的含氮 46.4%的尿素颗粒作为排肥对象,其球形率为93.6%,粒径范围 1.23.0 mm。尿素颗粒属于散粒物料,在仿真试验中的运动为散粒体运动过程。使用离散元仿真软件进行分析时,接触模型是离散元仿真分析的基础,EDEM 常用的接触模型有 Hertz Mindlin 无滑动模型、Hertz-Mindlin 黏结接触模型、线性黏附接触模型线弹性接触模型等。本文主要探讨肥料颗粒之间、
25、肥料颗粒与排肥器之间相互作用情况,因颗粒表面与排肥器内腔材料表面几乎没有粘附力,所以可以采用 Hertz-Mindin 无滑动接触模型模拟各模型与之间的相互作用14。3.1仿真模型建立根据 EDEM 软件仿真的一般方法,需要建立肥料颗粒的离散元模型以及排肥器的三维实体模型。第 5 期董万城,等:槽型输送带式排肥器锥齿轮副设计与仿真试验533 本文对尿素颗粒三维尺寸进行测量,并计算其球形率,得出尿素颗粒样本球形率大于 90%,说明该肥料颗粒整体具有较高球形分布特征,因此可以选择球形作为肥料颗粒的三维仿真模型,肥料粒径范围为 1.23.0 mm 且粒径分布符合正态分布,其粒径均值和标准差分别为 2
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