高粱秸稈剪切試驗裝置設(shè)計【說明書+CAD】

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沈陽化工大學科亞學院 本科畢業(yè)論文 題 目: 高粱秸稈剪切實驗裝置設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 1102 學生姓名： 桂美譜 指導教師： 侯志敏 論文提交日期：2015 年 6 月 1 日 論文答辯日期：2015 年 6 月 4 日 摘要 高粱在北方擁有非常好的經(jīng)濟效益和家庭效益而被十分重視，然而高粱種植普遍在農(nóng)村，但高粱的秸稈在農(nóng)村以直接焚燒或者就是燒鍋煮飯炒菜了。雖然國內(nèi)提倡努力發(fā)展農(nóng)村沼氣，讓它發(fā)酵。但發(fā)酵時間過于漫長，而高粱的需求量很大在農(nóng)村植種隨即廣泛，根本上用于沼氣的高粱秸稈微乎其微；然而別的處理方式：如喂養(yǎng)家畜，取暖等，需求量也不大，對秸稈的處理也無濟于事。倘若直接集中燃燒，那可能會直接引發(fā)出好多環(huán)境污染甚至可能會引發(fā)大型火災，所以當前如何處理高粱秸稈使之還田覆蓋技術(shù)能使原有保持的農(nóng)業(yè)循環(huán)有利發(fā)展也能很好地解決好高粱秸稈的出處迫在眉睫。因此本文研究的高粱秸稈的切割性能參數(shù)和實驗裝置設(shè)計。 國內(nèi)研究秸稈的覆蓋還田技術(shù)比較短。其中國內(nèi)科研人員像張彥河對高粱秸稈進行了徑向剪切和軸向剪切實驗，吳子岳等人自行通過研究高粱秸稈在秸稈前后無支撐力的條件下切斷速度和耗費功率的切碎實驗等等。但我國的高粱秸稈切割實驗臺是根據(jù)實驗要求而研究的。然而國外，特別是歐美發(fā)達國家是率先提出還田覆蓋技術(shù)，所以有關(guān)還田機器研究較早,現(xiàn)在他們一次就能對高粱秸稈收獲和秸稈粉碎，在這方面研究及應用，我們應積極學習國外技術(shù)并能夠有創(chuàng)新。 此次設(shè)計的高粱秸稈剪切實驗臺對高粱秸稈剪切特性研究為主，切割方向有斜切、砍切、和滑切。了解到切割方式從而設(shè)計出實驗臺路線又考慮到場地和設(shè)備的有限，以擺切式實驗臺為例調(diào)試出實驗臺參數(shù)。隨后就著手準備機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先設(shè)計出擺桿并計算出速度并驗算，隨后設(shè)計機架和轉(zhuǎn)動軸及軸承，最后設(shè)計出調(diào)整架及夾持裝置。擺桿及調(diào)整架校核，運用Pro/MECHANICA并分析應力和校核結(jié)果。測量系統(tǒng)是對實驗臺過程中的擺角、切割力和切割速度分為電測量和機械測量。切割力測量的設(shè)計首先了解它的測量原理并設(shè)計出傳感器并計算出它。切割速度測量設(shè)計要了解光電編碼器工作原理和光電編碼器的選用。 本文設(shè)計的高粱秸稈剪切實驗裝置能達到最初設(shè)計的要求及相關(guān)參數(shù)。切割速度能達到7.6m/s，斜切角調(diào)整范圍位，最大切割間隙為150mm。由有限元件校核分析重要零件，能夠使實驗臺的強度和穩(wěn)定性達到實際工作要求。此次設(shè)計的測量系統(tǒng)主要以電測量為主，機械測量為輔，使測量精度大大提高，這樣測量對數(shù)據(jù)的采集和后期分析計算十分方便，可以成為高粱秸稈剪切實驗裝置的設(shè)計并完成相關(guān)實驗。 關(guān)鍵詞： 機械系統(tǒng)； 切割； 測量系統(tǒng) Abstract Sorghum has a very good economic and family benefits in the north is very seriously, but widespread planting of sorghum in rural areas, but in rural sorghum straw directly burning or cooking is cooking a pot roast. Although the domestic efforts to promote the development of rural marsh gas, let it ferment. But the fermentation time is too long, and a great demand sorghum planting seed in the countryside immediately widespread biogas sorghum stalks minimal for fundamental; however, other treatments: such as feeding livestock, and heating demand is not large, Straw treatment did not help. If direct centralized combustion, that could directly lead to a lot of environmental pollution and may even lead to a large fire, so how to deal with the current sorghum field covered so as to further favorable development of agricultural recycling technology allows to keep the original can be well solved Sorghum provenance imminent. Therefore, this paper is cutting performance parameters and test equipment design sorghum straw. Domestic research straw mulching technology is relatively short. Which domestic researchers like Zhang Yan He sorghum straw radial and axial shear test shear, Wu Zi Yue themselves and others through research sorghum cutting speed and power consumption of chopped straw before and after the experiment at no supporting force conditions, etc. . However, China's sorghum cutting bench is based on the experimental requirements and research. But abroad, particularly in Europe and developed countries to field first proposed covering technology, now they will be able to once harvested sorghum stalks and straw crushed and applied research in this area, we should actively learn foreign technology and to have innovati Cut the stalks of sorghum bench design research sorghum shear properties of the main direction of miter cut, slash, and sliding cut. Cutting learned way to design a bench routes and taking into account the limited space and equipment to put Case-cut bench debug the bench parameters. Then we begin to prepare the mechanical system design. First designed pendulum and calculate the speed and checking, then design the rack and the rotating shaft and the bearing, the final design of the frame and adjust the clamping device. Check and adjust the pendulum frame, usingPro / MECHANICA and analyze stress and check the results. Measurement system is a bench during the swing angle, cutting force and cutting speed into electrical measurement and mechanical measurements. Cutting force measurement design to first understand its measuring principle and sensor design and calculate it. Cutting speed measurement designed to understand the working principle of optical encoders and optical encoder selection. Sorghum shear test apparatus designed in this paper can achieve the original design requirements and associated parameters. Cutting speed can reach 7.6m / s, the miter angle adjustment range position, the maximum cutting gap is 150mm. Checking by the finite element analysis of the important parts, enabling bench strength and stability to achieve actual work requirements. The design of the measuring system is mainly based electrical measurements,mechanical measurements, supplemented by the measurement accuracy is improved greatly, so that the measurement data acquisition and post analysis and calculation is very convenient, it can become a design sorghum shear test apparatus and complete the relevant Experimet. Keyword： Mechanical Systems; cutting; measuringsy 目錄 第一章緒論 1 1.1 問題的提出 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 3 第二章總體方案設(shè)計 5 2.1 試驗臺設(shè)計要求 5 2.2 試驗臺設(shè)計路線 6 2.3 試驗臺技術(shù)參數(shù) 6 第三章機械系統(tǒng)設(shè)計及校核 8 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 3.1.1 擺桿設(shè)計及速度驗算 8 3.1.2 機架設(shè)計 10 3.1.3 轉(zhuǎn)動軸及軸承設(shè)計 11 3.2 調(diào)整架及夾持裝置設(shè)計 12 3.3 擺桿及調(diào)整架校核 13 3.3.1 使用Pro/MECHANICA的一般過程 13 3.3.2 應力分析 14 3.3.3 校核結(jié)果 19 第四章測量系統(tǒng)設(shè)計 20 4.1 切割力測量設(shè)計 20 4.1.1 切割力測量原理 20 4.1.2 傳感器的設(shè)計與計算 21 4.2 切割速度測量設(shè)計 23 4.2.1 光電編碼器工作原理 23 4.2.2 光電編碼器的選用 25 第五章結(jié)論 28 參考文獻 29 致謝 30 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 緒論 第一章緒論 1.1 問題的提出 高粱秸稈直接作為覆蓋還田保護農(nóng)作的主要技術(shù)之一，從而能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和促進環(huán)境保護，而備受關(guān)注。此項技術(shù)很好的解決了發(fā)展并保護性農(nóng)作的目的，既能轉(zhuǎn)變傳承的農(nóng)作耕作方式，又能對高粱秸稈的再次利用，降低農(nóng)耕的成本和資源使用率，與此同時也能很好解決長久存在的疑難的社會問題。 高粱是我國北方的主食種植面很廣，等到高粱成功收獲后，處理高粱秸稈的方式一直讓耕種者苦惱。雖然高粱秸稈曬干后重量很輕，它的體積依然很大，而且它幾乎沒有什么營養(yǎng)，現(xiàn)在生活不斷提高，原先通過高粱秸稈焚燒供暖和用作家畜的食物的長期用途慢慢的被天然氣、沼氣可持續(xù)發(fā)展的能源取代和加工成型的飼料所代替。雖然沼氣項目在農(nóng)村發(fā)展建設(shè)并能夠使高粱秸稈轉(zhuǎn)化為可持續(xù)無污染能源，但是高粱在北方的種植過于廣泛，使得秸稈的生成量很高再加上秸稈的產(chǎn)出時間集中，迫使處理高粱秸稈問題日益突出。然而許多無效率胡亂處理秸稈最后使得秸稈胡亂堆放直接燃燒等環(huán)境污染甚至會引發(fā)火災。所以農(nóng)作中提出可持續(xù)性高粱秸稈覆蓋還田技術(shù)既能使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)良性發(fā)展又能解決好當下高粱秸稈的出處并能保護環(huán)境和避免不必要的安全隱患。 為了能夠滿足高粱秸稈處理使得秸稈切碎后的覆蓋地表和長度，使之使用保護性耕作技術(shù)，所以使高粱收獲裝置和秸稈切碎還田裝置增加了融為一體可能。然而在運用過程中高粱秸稈在受到各種秸稈自身和外界因素影響到其運動規(guī)律，所以對影響高粱秸稈在秸稈切碎裝置中剪切因素的研究對于高粱秸稈切碎還田裝置的研究、創(chuàng)新、生產(chǎn)具有重要引導作用。 切割秸稈是一種重要的操作過程，現(xiàn)場作業(yè)的聯(lián)合收割機切割性能直接影響實際運行效率和糧食豐收的損失率。同時，秸稈切割性能的措施是現(xiàn)場高粱切削參數(shù)的重要依據(jù)。隨著不斷更新的作物品種，特別是大面積推廣超高產(chǎn)高粱，秸稈粗往導致收獲機械刀具增加了功耗，加速磨損。高粱秸桿切割測試臺設(shè)計，本文主要用于切割實驗高粱秸桿，實現(xiàn)不同的切割方式的測試要求，并通過傳感器來實現(xiàn)采樣和記錄切削力，切削力可以得到峰值的時間過程和平均數(shù)據(jù)，也可以很容易地改變切刀切割位置和測試的切割速度，以便獲得吸管切削參數(shù)提供可靠的測試裝置數(shù)據(jù)，提供了基礎(chǔ)刀具的設(shè)計和驅(qū)動機。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 高粱作物保護的研究時間相對較短,因此,高粱桿設(shè)備領(lǐng)域的研究工作研究和生產(chǎn)指導在1970年代末開始。大多數(shù)農(nóng)業(yè)機械介紹模型是基于第一種的引入機和模仿,本地化創(chuàng)新在此基礎(chǔ)上,逐步實現(xiàn)本地化。根據(jù)這一模型,國家外高粱和高粱秸稈機械收割機械技術(shù)基礎(chǔ)上,中國開發(fā)了高粱,根粉推薦字段和高粱破碎棒作為一個整體也高粱桿領(lǐng)域研發(fā)工作意味著關(guān)注程度持續(xù)提高,國內(nèi)高粱秸稈結(jié)構(gòu)、力學能、高粱秸稈切設(shè)備在操作和原理。張炎河高粱秸稈軸向和徑向剪切剪切試驗品種的高粱、水分含量、外觀接觸大小和其他因素之間的力學性能進行了研究,以確定高粱秸稈徑向和軸向剪切的影響主要特點的不同因素。高粱的含水率主要影響徑向破壞性的高粱,高粱莖主要影響軸向連接和高粱破壞性的徑向軸向破壞毀滅容易實現(xiàn)。凌馬蘇通過改良高粱秸稈揉切特測試床,用于高粱秸莖的能源消耗和其他參數(shù)測試。以下結(jié)論:削減之間移動分解裝置固定刀空間碎片有重大影響摩擦和降低能源消耗削減部分稻草對能源消費的影響相比,更多的水分意義重大。德國和其他由吳子月高粱高粱桿、切碎的兩端測試站沒有支持條件切削速度和功率的測試。研究表明,雖然最重要的因素是高粱秸稈數(shù)量減少的影響量,減少樣式(切削減或削減幻燈片)是確定切削速度的最重要的因素。按照高粱根萊恩場地設(shè)備設(shè)計要求和實際操作條件雙根高粱切割速度單一因素測試以確定高粱秸稈的兩端不支持的條件下,雙根高粱莖和切斷需要維護的邊緣線13.6米/秒的速度。春天高粱碎秸含水率低，樹蔭可以適當降低速度,刀片線速程度一般為4.5米/秒；秋天,高粱碎秸含水率高、葉片所需的高速度,一般到5.4米/秒。國內(nèi)秸稈切割所需的測試站是基于測試人員開發(fā)，可分為大小兩種類型的大規(guī)模試驗裝置來模擬實際環(huán)境中主要的工作領(lǐng)域,它的體積通常是大型、復雜的結(jié)構(gòu),對于復雜的實驗研究,如圖所示。小型試驗裝置主要是削減和trolley-style主要通過擺動切削仿真環(huán)境來確定實驗的影響因素。開發(fā)成本較高的大規(guī)模測試床,NA在小規(guī)模的研究中,現(xiàn)有swing-c試驗裝置調(diào)整切削角不能滿足需求,和測量裝置主要是機械測量精度和測量精度得到改善。 圖1 幾種秸稈切割試驗臺 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 因為發(fā)達國家如歐洲和美國的首先提出和保護性耕作的研究，因此返回相關(guān)機械的研究調(diào)查也開始比較早，高粱秸稈柜臺場技術(shù)和相關(guān)設(shè)備已經(jīng)達到國際研究先進水平的。美國所有國家公司在早期的20世紀60年代是想掛在聯(lián)合收割機切碎裝置的粉干高粱打破，然后成功地研制60型破碎機，機器上的拖拉機95千瓦設(shè)置;在早期的20世紀80年代由收割機英國于直接粉碎高粱秸稈，攜手并進深加工；日本還用高粱結(jié)合后鉸直接破碎裝置，可以一次完成高粱收獲和秸稈粉碎。美國，加拿大等國家，由于原因，如耕種，土地，小麥和高大部分小米秸稈和土壤中的部分于青喂養(yǎng)。由于保護性耕作技術(shù)廣泛的概念然后，在美國，稻草退換不限于，小麥，高粱，如茄子秸稈計數(shù)器字段集操作。國外切碎農(nóng)作物，干在一定深度的功能該研究。 Dogherty人如稻草手工切割根數(shù)，通過測試參數(shù)等因素對移動刀切割的分析該方法的影響，并指出的切莖高粱根數(shù)是影響的主要因素，以切斷電源，通過切割同時雙根大約37 N比單電耗多。國外科學家還斜肌和斜剪進行了研究，對能源消耗的影響調(diào)查，得出的結(jié)論是，無論我們多么增加截面積，斜角切削的切削傾斜，切削阻力和功耗比降低相切更多。如在相對高粱秸桿切割器軸45°角傾斜的切割，切削阻力可以減少到切線相應的功耗的60％ - 70％的削減，切傾斜阻力時切削阻力可以降低到切線40%。 3 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體方案設(shè)計 第二章總體方案設(shè)計 秸稈切割試驗臺研究高粱秸稈的剪切性能為主，先后完成了切割速度，切割角高粱秸桿度，切割間隙和無底刃切割效果測試的功能，由于設(shè)計和測試臺所需要的動態(tài)測試設(shè)備，完成了力量、速度、角度，做工作的測量。 2.1 試驗臺設(shè)計要求 高粱切割工藝和切割器，高粱物理和機械性能，絞吸和刀具在所有的速度的相對位置的屬性有著密切的關(guān)系。用高粱的切割過程的物理和機械性能包括：切削切削阻力，耐彎曲性和耐斷裂性，彈性模量和摩擦系數(shù)，用高粱樣品，成熟度和很寬的濕度范圍內(nèi)變化的這些功能。切割方式主要是指刀具的方向進料，其中主要包括以下二個 （1）砍切，也叫正切，刀刃切割面和切割方向均與秸稈軸線方向垂直，如（a）；（2）滑切刀刃切割面和切割方向均與秸稈軸線不垂直，二者之間有一角，該角為滑切角α，如圖（b）；斜切，刀刃切割面與秸稈軸線不垂直，二者之間有一夾角，但切割方向與秸稈軸線的水平投影相垂直，該角為斜切角β，如圖 （c）。 a砍切 b滑切 c斜切 圖2 切割實現(xiàn)方式 秸稈削減現(xiàn)有的實驗臺主要是研究削減,削減主要的下滑大量的實驗研究表明滑動削減的切割刀具切削時相同的材料相同的材料深度,減少滑量越大，即下擺裁成圓角的滑大的力量要求降低較小。以便它可以執(zhí)行不同的動葉片和底部邊緣切割沖擊試驗經(jīng)驗,以及切削角、切削速度的沖擊試驗。而在滑板上削減和斜十字測試。 2.2 試驗臺設(shè)計路線 分為機械系統(tǒng)的設(shè)計和測試床的設(shè)計，測試系統(tǒng)的設(shè)計以兩個階段，主要的機械系統(tǒng)設(shè)計要進行各部分的設(shè)計和檢查；主要測試系統(tǒng)的測試值設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計的，采用電阻應變計和光電編碼器測量。 剪切力 電阻應變力 計 算 機 試 驗 臺 剪切速度 光電編碼器 機械系統(tǒng) 測量系統(tǒng) 圖3 設(shè)計路線框圖 2.3 試驗臺技術(shù)參數(shù) 考慮到試驗場地試驗設(shè)備的限制，以擺切式試驗臺為模型，對調(diào)整裝置、夾持裝置、測量裝置進行重新設(shè)計，使其能滿足試驗要求，達到調(diào)整簡單，夾持牢固，測量數(shù)據(jù)可靠的目的。通過查閱相關(guān)文獻，并結(jié)合試驗臺工作實際，確定參數(shù)如表 表1 試驗臺技術(shù)參數(shù) 項 目 參 數(shù) 動刀切割速度 m/s 切割間隙調(diào)整范圍 ~㎜ 滑切角調(diào)整范圍 ~ 斜切角調(diào)整范圍 ~ 最大升角 6 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計及校核 第三章機械系統(tǒng)設(shè)計及校核 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 實驗臺機械部分由機架，擺桿，調(diào)整架，夾持裝置，夾緊裝置等五部分構(gòu)成。其中起到調(diào)整作用的主要為機架和調(diào)整架，通過二者的配合可實現(xiàn)不同切割角度的變換。夾持裝置和夾緊裝置用來固定秸稈和調(diào)整架的位置，保證其在切割過程中的穩(wěn)定性，從而達到試驗的要求。 參數(shù)化功能定義實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示。使用 Pro/ENGINEER對試驗臺三維建模1.刻度盤2.擺 3.夾持裝置 4.動刀片5.機架6轉(zhuǎn)動軸7.定刀8.調(diào)整 9夾緊裝置10.光電編碼器。 圖4 試驗臺總體 3.1.1 擺桿設(shè)計及速度驗算 裝有動刀片的擺桿是此次實驗臺的主要工作部件之一。擺桿的上端與轉(zhuǎn)動軸連接在一起，軸通過深溝球軸承與軸承座固定，刀架下端是可以拆卸的刀刃刀槽，可進行不同類型動刀的切割實驗。工作時可以繞轉(zhuǎn)動軸擺動的擺桿裝有動刀片，旋轉(zhuǎn)角度能在刀架上指示出來。固定動刀片用螺釘與刀架來，更換方便。根據(jù)高粱秸稈切斷的相關(guān)特性， 確定最低端的刀桿載荷在擺動：當?shù)稐U由最高點下擺切斷秸稈時，有牛頓第二定律知，擁有一定的動能，向上擺動成一定角度，氣切割功為： A=mgr（cos-cos） （3-1-1) 式中 A——切割功 m——動刀刀架組質(zhì)量 G——重力加速度 R——動刀刀架組重心回轉(zhuǎn)半徑 ——將擺桿提升任其下落空轉(zhuǎn)時擺桿的上擺角 ——切割秸稈后的擺角，為驗算方便，取 秸稈切割力為： F= (3-1-2) 式中 F——切割力 S——為秸稈的直徑，取S為0.05 取刀架的密度取7.8g/cm，刀的密度取7.9g/cm，用Pro/ENGINEER鍵?？汕蟮脼? 3.2kg，r為0.6m 代入數(shù)據(jù)計算得載荷F為375N，為保證試驗臺強度，去安全系數(shù)為去1.2，計算得載荷為450N。 為了保證試驗裝置切割秸稈時提供的速度滿足秸稈切斷的要求，在設(shè)計時需進行驗算，保證切刀的速度大于等于高粱秸稈含水率較高時的切斷臨界速度。動刀片開始切割秸稈時的速度與擺桿提升角有直接關(guān)系，根據(jù)守恒定律可得 Mgr（1-cos）= (3-1-3) 花簡得 (3-1-4) 式中 I——動刀刀架組轉(zhuǎn)動慣量 ——擺桿開始切割秸稈時所在的垂直位置上，動刀片切割點的瞬時速度 （m/s） R——動刀片切切割點的回轉(zhuǎn)半徑 ——擺桿的提升角度，取0 ——擺桿每轉(zhuǎn)1所消耗的空轉(zhuǎn)動，即 (3-1-5) ——擺桿的提升角度 ——擺桿提升角時所具有的機械能 ——擺桿提升角時所具有的機械能 (3-1-6) (3-1-7) 由于實際試驗中和相差很小，為了使計算方便，可以近似地認為則式（1）可化簡為 (3-1-8) 用Pro/ENGINEER建?？汕蟮茫? 代入式（2）可求得 (3-1-9) 求得速度可滿足秸稈切割的速度要求。 擺桿Pro/ENGINEER建模如圖。 圖5 擺桿 3.1.2 機架設(shè)計 機架由底座、立柱和整體式軸承座組成。機架上有一組設(shè)計導槽，可供調(diào)整架在機架上調(diào)整角度并進行夾緊。軸承座用來固定轉(zhuǎn)動軸，軸承采用雙向安裝，用軸承蓋固定在軸承座上固定。如圖所示。 圖6 機架 3.1.3 轉(zhuǎn)動軸及軸承設(shè)計 轉(zhuǎn)動軸連接光電編碼器和擺桿，使光電編碼器和擺桿保持同步轉(zhuǎn)動，軸通過軸承和軸承蓋與機架固定，從而限制軸的移動軸向。實際工作中的實驗臺所受載荷主要為徑向載荷和一定的沖擊載荷，由于徑向載荷力為300N為較小載荷，并且滾動軸承摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且已經(jīng)標準化；選用、潤滑、維護都十分方便，所以選用滾動軸承。根據(jù)懸臂梁的直徑和載荷初選軸承型號為深溝球軸承 61806 型對軸承壽命進行驗算： 試驗臺工作時軸承承受徑向載荷為400N，軸向載荷可忽略不計計算其當量動載荷為 (3-2-1) 根據(jù)載荷系數(shù)表 P=1.2×400=480N (3-2-2) 查機械設(shè)計手冊可知6210型軸承的基本額定動載荷值C為35KN 根據(jù)公式 (3-2-3) 式中 n——轉(zhuǎn)速，由于刀架擺動為非連續(xù)性轉(zhuǎn)動，用刀架擺動到最低點的轉(zhuǎn)速值作為n取值，計算得n為52r/min ——球軸承，取3 計算得，，滿足試驗要求。 圖7 轉(zhuǎn)動軸尺寸 圖8 轉(zhuǎn)動軸裝配圖 3.2 調(diào)整架及夾持裝置設(shè)計 實驗臺基座框架的核心部件是調(diào)整為幀的一組槽，可以與機箱被調(diào)整來看，其門面安裝底部邊緣，并且可以更換底部邊緣，切削實驗對完全不同的底邊的效果?？烧{(diào)整的整個幀仍然具有剪切力的測量的效果，在其上的電阻應變計，見具體計算和設(shè)計過程三個測量系統(tǒng)的設(shè)計，調(diào)整3 D建?？蚣芏茧x開了。 秸稈夾緊裝置用于夾緊秸稈和稻草固定位置，可以調(diào)整移動在框架上幻燈片的門面上進行。通過調(diào)整位置可調(diào)試在切割刀片的位置。夾緊裝置用螺釘連接緊板和框架的夾緊調(diào)節(jié)。高粱秸稈夾緊裝置為圓弧狀，還可以通過與調(diào)節(jié)支架連接螺釘，能夠固定并同時保持秸稈位置的完整性，如下圖9 圖9 調(diào)整架 夾持裝置 3.3 擺桿及調(diào)整架校核 為了能使實驗臺能正常運轉(zhuǎn)，在切割試驗進行中有很好的穩(wěn)定性，需要對關(guān)鍵部件進行應力應變校核，由于要分析的機架模型是在 Pro/ENGINEER 環(huán)境下建模的，我們采用 Pro/MECHANICA 進行有限元分析。 3.3.1 使用Pro/MECHANICA的一般過程 Pro/MECHANICA 是美國 PTC 開發(fā)的有限元軟件。該軟件可以實現(xiàn)和Pro/ENGI NEER的完全無縫集成。與其他有限的軟件相比，Pro / ENGINEER軟件可以完全實現(xiàn)幾何建模和有限元法整合分析。有限元軟件功能的幾何模型絕大多數(shù)較弱，通常采用有限元軟件IGES格式或STEP格式進行數(shù)據(jù)交換，然而這樣做最大的弊端之一就是容易造成數(shù)據(jù)丟去，所以往往需要花費大量的人力和物力去維修工作的幾何模型。使用PRO/MECHANICA正好可以解決這個問題，該軟件可以直接使用的Pro/ENGINEE幾何模型的有限元分析。由于在Pro/ENGINEE具有強大的參數(shù)等功能Pro/MECHANICA工具，您可以使用參數(shù)，敏感性分析的優(yōu)勢，為模型和優(yōu)化該組使用Pro/MECHANICA 的一般過程： 建立幾何模型：在 Pro/ENGINEER 中創(chuàng)建幾何模型。識別模型類型：將幾何模型由 Pro/ENGINEER 倒入 Pro/MECHANICA 中，此步需要確定模型的類型，默認的模型類型是實體模型。設(shè)定模型的材料、約束和載荷設(shè)定模型的材料物性。在裝配件分析中，可以為不同的零件分配不同的材料屬性。在分析應力中，必需的材料特性是楊氏模量和泊松比。為能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)實中的模型功能，必須設(shè)定約束模型。為了限制模型的自由度個數(shù)采用定義約束。 設(shè)定模型載荷（載荷種類有點載荷、邊載荷以及面壓力載荷等）。 有限元網(wǎng)絡劃分：由 Pro/MECHANICA中的AutoGEM(自動網(wǎng)絡劃分器)工具完成有限元網(wǎng)絡的自動劃分。 分析任務中運行分析：首先建立起分析任務，然后利用Pro/MECHANICA 進行錯誤檢查，進行計算，采集計算結(jié)果數(shù)據(jù)和計算過程信息。圖形顯示計算結(jié)果可以簡單明了的表現(xiàn)出變形情況、應力分布以及模態(tài)振型等計算結(jié)果。 3.3.2 應力分析 具體分析步驟如下： 步驟一：打開模型 （1）啟動 Pro/ENGINEER. （2）打開機架模型 步驟二：進入 Pro/MECHANICA （1）在主菜單上選擇“應用程序中”的 Mechanica。 （2）在彈出的“Mechanica 模型設(shè)置”對話框中單擊“高級”按鈕，對話框如下圖10。在“模型類型”下拉列表中選擇“結(jié)構(gòu)”選項，在“類型”選項組中選“3D”選項，單擊確定之后進入結(jié)構(gòu)分析模塊。 圖10 “ 模型設(shè)置”對話框 步驟三：定義材料屬性 （1）在屬性菜單中選擇“材料”。 （2）系統(tǒng)彈出材料對話框。 （3）單擊創(chuàng)建新材料選項，填寫各數(shù)據(jù)如下圖11： 圖11 “材料定義”對話框 （4）系統(tǒng)返回材料對話框中的確定按鈕，完成模型材料的定義。 步驟四：定義約束 (1)單擊右側(cè)工具欄上的（位移約束）命令圖標，系統(tǒng)彈出“約束”定義對話框，如下圖12。 圖12 “約束”對話框 (2)保留默認的約束名稱 Constraints1 和默認的約束組名ConstraintSet1。 （3)選機架的的底面為參照曲面，單擊確定按鈕關(guān)閉選擇對話框。 （4)保留默認坐標系設(shè)置。 （5)由于要將底面固定，所以需要將 6 個自由度完全約束，因此保留如下圖默認的約束形式。 （6)單擊確定按鈕完成約束的定義。 步驟五：定義載荷。 直接單擊右側(cè)工具欄中的（力/力矩載荷）命令圖標，系統(tǒng)彈出 Loads 定義對話框，如下圖所示。 圖13 “載荷”對話框 （2)保留默認的載荷名稱 Load1 和默認的載荷名稱 LoadSet1。 （3）單擊軸承曲面為參照面，建立懸臂梁載荷的理想化模型。 （4）保留默認的坐標系設(shè)置。 （5)在力下方的列表框中選擇分兩，分別給出各個分力的大小。 （6)由步驟五計算出的載荷大小，且載荷的方向是垂直向下所以在 x 的文本框中填入數(shù)字 450。 （7）單擊預覽按鈕可以預覽載荷的位置及狀態(tài)。 （8）單擊確定按鈕關(guān)閉載荷對話框。 （9）完成載荷定義，載荷定義完畢后的模型效果如下圖14所示。 圖14 加載后的模型 步驟六：劃分網(wǎng)格 單擊“Mechanica 操作”工具欄中的（創(chuàng)建）按鈕，彈出示AutoGEM 對話框，單擊創(chuàng)建按鈕，彈出“AutoGEM”對話框，如下圖15所示。 圖15 “AutoGEM”對話框 從圖中可以看到已建立模型，三次單擊關(guān)閉按鈕，在單擊彈出的對話框中的“是”按鈕，完成網(wǎng)格的劃分。如下圖16 圖16 機架的網(wǎng)格劃分 步驟七：建立分析任務，進行有限元分析 （1） 單擊“Mechanica 操作”工具欄中的（Mechanica 分析/研究）按鈕彈出“分析和設(shè)計研究”對話框。 （2）單擊對話框中的“文件”“新建靜態(tài)分析”命令，在彈出的“靜態(tài)分析定義”對話框，在“方法”下拉列表中，選擇“多通道自適應”方式進行分析和計算，設(shè)定多項式的最大值為6.1，“收斂百分比”為5.5%，如下圖17所示。單擊“確定”按鈕，并單擊（開始運行）按鈕，運行分析。 圖17 “靜態(tài)分析定義”對話框 步驟八：顯示計算結(jié)果 （1）運行分析后，結(jié)果觀察窗口的建立觀察機架的受力和變形情況。單擊“分析和設(shè)計研究”對話框中的（結(jié)果）按鈕，彈出“結(jié)果窗口定義”對話 框，具體如下圖18所示。 圖18 “結(jié)果窗口定義”對話框 單擊“確定并顯示”按鈕，機架的應力云圖、局部放大圖如下圖19左圖，右圖所示 圖19 機架的應力云圖 局部放大圖 (3）單擊（結(jié)果）按鈕，在“量”下拉列表中選擇“位移”選項，機架的應力位移云圖如下圖20所示。 圖20 機架的位移云圖 （4）單擊（結(jié)果）按鈕，在“量”下拉列表中選擇“應變”選項，機架的應變云圖如下圖21所示。 圖21 機架的應云變圖 根據(jù)以上步驟對調(diào)整架進行校核，其應力、位移、應變云圖如下圖22所示。 圖22 調(diào)整架校核 3.3.3 校核結(jié)果 對分析圖形可看出，在有不同顏色的懸臂梁上的地方，根據(jù)不同種的顏色，可 以看出擺桿、調(diào)整架在受力后所受到的應力、應變、位移值。對照色卡可看出，擺 桿與固定端的聯(lián)接處應力最大，為310Mpa，調(diào)整架立面與底面的連接處為其應力最大處，為240 MPa，均小于其許用應力380MPa。 28 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 測量系統(tǒng)設(shè)計 第四章測量系統(tǒng)設(shè)計 測量系統(tǒng)主要完成對實驗過程中的擺角、切割力和切割速度的測量，分為機械測量和電測量兩部分。機械測量主要指示擺桿的轉(zhuǎn)動角度，電測量用來測量和記錄切割力、切割速度的變化和峰值。 機械測量主要是靠刻度盤和安裝在擺桿上的指針完成，刻度盤固定在整體式軸承座上，刻度盤上裝有定指針，動指針安裝在擺桿上，隨擺桿擺動，推動定指針在刻度盤上轉(zhuǎn)動。用來指示擺桿開始切割和切割完成后的角度，便于觀測和記錄。下面主要針對電測量進行詳細設(shè)計。 4.1 切割力測量設(shè)計 切割力是秸稈切割的重要指標，比較不同的切割方式是依據(jù)切割力的大小和力的變化，本設(shè)計是采用電阻應變儀對切割力進行測量。 4.1.1 切割力測量原理 動刀片作用在秸稈上的力為非電量，非電量電測是利用力使電阻應變片產(chǎn)生變形，經(jīng)傳感器作用，以信號的形式向外輸出，信號經(jīng)過放大、記錄、和數(shù)據(jù)處理，即可獲得切割力的大小。 在測量剪力時，由于應變片只能測量正應力引起的應變，不能直接測量剪應力引起的剪應變，所以我們想測剪力，只能利用由剪力引起的正應力來進行測量。為在一懸臂梁上作用一橫剪力。為了測量這個橫剪力，在距其作用點 a的截面上粘貼一片測量應變片。根據(jù)力學知識可知，此截面所受到的彎矩力，并且，即得 (4-1-1-1) 式中 粘貼處的應變值 E--試件材料的彈性模量 M--截面的抗彎截面模量 我們只要測出應變片量，即可用式 3-1 算出橫剪力Q 的大小。這種測量的方案的缺點是，當橫剪力 Q 的作用點變化時（即值發(fā)生變化），就要影響 Q 的測量準確度，而且在有些情況下a值無法量得。因此采用圖23所示的測量方案。這個方案是在懸臂梁上粘貼兩片測量應變片，其距剪力作用點的距離分別為， 因為 (4-1-1-2) 則 (4-1-1-3) 又 分別為應變片粘貼處的應變值），代入上式得： (4-1-1-4) 此時輸出只和值大小成正比，而和剪力的作用點無關(guān)。 圖23 剪力的測量 4.1.2 傳感器的設(shè)計與計算 根據(jù)實驗臺調(diào)整架的實際使用情況，考慮到秸稈在上下位置會有一定程度的變化，所以采用測量原理進行設(shè)計。又由于應變片只能測正方向的力，當進行滑切實驗時，調(diào)整架與刀刃的切割方向有一定夾角，且考慮到切割力的方向與切割速度方向可能存在不平行的情況，所以在立面調(diào)整架上共粘貼八片應變片，共測出兩個方向的合力，再求合力。如下圖24所示。 圖24 應變片粘貼位置 為保證傳感器的分辨力清晰，取應變片1和應變片2，應變差為300，兩個應變片的距離為100 mm，應變片2距離底端的距離為50 mm，取b為15 mm。由式 3-2可得 知 (4-1-2-1) E取210GPa，代入數(shù)據(jù)可得： (4-1-2-2) 由于調(diào)整架為矩形截面，截面的抗彎截面模量W為 (4-1-2-3) 代入數(shù)據(jù)可求得h=17.1mm，從而確定調(diào)整架的尺寸。 為保證在粘貼電阻應變片上，使其應變均勻不產(chǎn)生突變，根據(jù)圣維南原理確定秸稈 夾持位置距粘貼應變片位置應大于其截面長度 2~3 倍，取值為 30 mm。電阻應變片選用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的 BX120-5AA 型，采用全橋式連接，接橋圖如下25圖所示。 圖25 接橋示意圖 其測量原理如下式所示： (4-1-2-4) 式中 --輸入應變量 --橋壓 K--應變片靈敏度系數(shù) --放大器的增益 --低漂移儀表放大器的輸出電壓 電阻應變片的參數(shù)如下： 電阻：120 靈敏系數(shù)：2.08 精度等級：A 柵長柵寬： 電阻應變儀選擇 YK-DDZ-01 型數(shù)字式電阻應變儀 4.2 切割速度測量設(shè)計 衡量切割的另一重要指標是切割速度的變化，切割過程中損失的能量可以通過切割前后速度的變化能夠計算出來，本次設(shè)計測量光電編碼器的切割速度。 4.2.1 光電編碼器工作原理 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換輸出軸位移到脈沖或機械幾何形狀的一種數(shù)字傳感器。一個光柵板和光電探測測量裝置是光電編碼器。在一定直徑的圓形盤上開了一些長方形的是洞光柵板。電機轉(zhuǎn)動時，光柵板與馬達轉(zhuǎn)速，發(fā)光二極管（LED），電子元件的檢測裝置測量的脈沖信號，數(shù)低于其原理圖的輸出，通過每秒光電編碼器輸出的脈沖計算次數(shù)可以反映當前電機轉(zhuǎn)速。 如下圖26、27所示。 光源 透鏡 光柵盤 透鏡 光敏元件 放大整形 轉(zhuǎn)軸 圖26a 光電編碼器工作原理示意圖 圖27b 增量式光電編碼器基本波形 根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。依據(jù)它的刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式。 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A，脈沖 B ，脈沖 Z 相；A、B兩組脈沖相位相差 90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而