陜西西安科技大學工程訓練中心　張可朋　郝昱宇　王鵬

采收船振動挖掘系統(tǒng)的結構設計研究

陜西西安科技大學工程訓練中心張可朋郝昱宇王鵬

通過對荸薺采收船振動挖掘系統(tǒng)主要零部件——滾筒和中心軸的結構設計，計算得出其零部件的主要尺寸參數(shù)，根據(jù)激振頻率和激振力的估算，為后續(xù)選擇激振器提供基礎，進而進行計算校核，最終得出激振器的相關尺寸，并根據(jù)激振系統(tǒng)的振動強度，設計了橡膠減振器。

振動挖掘系統(tǒng)；荸薺采收船；結構設計

引言

荸薺作為一種藥用和食用價值較高的作物，是我國江南一帶農(nóng)村重要的經(jīng)濟作物。目前荸薺的采收工作主要為手工和半機械化作業(yè)，機械采收的研究較少，因此存在采收工作量大、收獲時間緊及作業(yè)條件差等缺點。本文針對荸薺的采收工作提出采收船的結構設計，通過現(xiàn)有振動式泥土分離的方法，確定該采收機的基本結構和工作過程，化解其采收工作的難度等問題。

1　振動挖掘系統(tǒng)零部件結構的設計及選用

振動挖掘系統(tǒng)是荸薺采收船的主要工作部件，主要包含滾筒、挖掘齒、中心偏心軸、帶鏈傳動部分等，在挖掘時提供激振力，通過輸出不同的激振力及激振頻率，來保證挖掘效果。

滾筒為5mm的鋼板卷制而成，其外側均布4排挖掘齒和振動齒，如圖1所示。其結構尺寸為：挖掘齒和振動齒采用φ15× 400mm圓鋼，挖掘齒的鏟齒在入土時角度大約為20°，而振動齒可加大振動范圍，在采收運送荸薺時起導向作用，防止荸薺滑落水中。

圖1　挖掘滾筒結構

圖2　中心軸結構及安裝位置

中心軸是振動挖掘系統(tǒng)提供動力的振動源，軸端左側與帶輪相連，兩側為滾子軸承，電機（P=7.35kW）帶動偏心塊產(chǎn)生振動力，電機轉速為n=6000r/min，傳遞扭矩T=9.55MPa/n≈12.7kN·mm，中心軸主要承受激振力：F=（5～7）G2=19.5～27.5kN，取F=28kN。

式中：τT—扭轉切應力，MPa；WT—軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；n—軸的轉速，r/min；P—軸傳遞的功率，kW；d—計算截面處的直徑，mm；［τT］—許用扭轉切應力，MPa。

采用內(nèi)偏心軸的主要設計目的是方便激振力的調(diào)整，在驗證校核時，中心軸按45鋼實心軸，調(diào)質(zhì)處理至HB38～45，查表確定［τT］=25MPa，計算求得d應該大于等于13.5mm?？紤]到軸上的鍵槽及軸的長度，中心軸的最小直徑為dmin=20mm。通過校核中心軸的剛度和撓度，最終確定中心軸直徑d=50mm。

由于挖掘器在工作過程中，振動軸承所承受的負荷較大，因此需要選擇專用的振動軸承，這里選擇雙排圓柱滾子軸承（NU2210E），主要參數(shù)：內(nèi)圓直徑d=50mm，外圓直徑D=90mm厚度B=23mm，Cr=74.2kN，C0r=88.8kN，采用油脂潤滑。

2　激振頻率及激振力的計算

激振頻率與荸薺生長的自然頻率有關，兩者相同或接近，此時能達到共振，激振效果較好且激振力較小。一般采用實驗的方法來進行估測自然頻率，根據(jù)荸薺生長的土壤特性及含水分、沙量等，試驗得出在頻率為100Hz附近，土壤的液化時間和效果均比較理想，故選擇100Hz為激振頻率。

機械激振器又名慣性激振器，是利用偏心塊旋轉，產(chǎn)生離心力作為激振力，其優(yōu)點有激振力大、結構簡單、易于調(diào)節(jié)等，主要形式有單軸式偏心機械激振器和雙軸式偏心機械激振器兩種。

機械激振器偏心單軸激振力的計算：激振頻率ωn=100Hz激振質(zhì)量m估=400kg，一般激振力F=（5.5～8）G2，取最大值，則激振力F=19.8～28.6kN，ω=2π，ωn=6370rad/s。

3　減振器的計算與選擇

采收荸薺時，振動能有效加快土壤液化，提高采收速度。但過大的振動對駕駛室的操作不利，所以需要在懸臂與挖掘器之間添加減振機構。減振方式有：隔離法、阻尼法、動力減振法、沖擊法等?？紤]到減振的位置、成本及效果，采用橡膠減振器進行減振。

圖3　橡膠減振器安裝位置

根據(jù)減振的效果選擇丁腈橡膠（NBR）為減振器材料，丁腈橡膠（NBR）經(jīng)常作為動力機械與工作機械的減振器，具有耐油耐熱性好，阻尼較大，與金屬的粘合性好等特點。根據(jù)安裝零件的位置和形狀，其結構形式為圓柱形。NBR的參數(shù)如下：

硬度：邵氏硬度H=30～70；

溫度影響系數(shù)：λt通過查溫度變化曲線圖獲得；

彈性模量：H=55～70時，G=（10～17）×105N/m2，E=（38～65）× 105N/m2；

靜態(tài)彈性模量：Es=λtmE，Gs=λtmG；

形狀影響系數(shù)：m=f（n），一般取2～5；

動態(tài)彈性模量：Ed=dλtmE，Gd=dλtmG；

動態(tài)系數(shù)：d=1.5～2.5；

靜態(tài)載荷下：壓縮變形＜15%，剪切變形＜25%；

動態(tài)載荷下：壓縮變形＜5%，剪切變形＜8%。

綜合以上參數(shù)分析計算，該丁腈橡膠（NBR）減振器總體尺寸為：外圓直徑D=180mm，內(nèi)圓直徑d=90mm，長度L=85mm，內(nèi)圈與金屬粘結固定軸承。

4　小結

本文首先對荸薺采收船主要零部件——中心軸和減振器進行了設計研究，對振動挖掘系統(tǒng)主要的零部件（滾筒和中心軸）進行了結構設計，并對主要的形狀和安裝尺寸進行了校核計算；其次考慮到挖掘速度過低、激振速度過慢的問題，選擇計算合適的激振頻率和激振力，并根據(jù)該系統(tǒng)的振動強度，設計了橡膠減振器，為后續(xù)的研究奠定了基礎。

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張可朋，1986年出生，陜西省華陰市人，助理工程師，研究方向：機械設計制造、數(shù)控加工技術等。