单自由度新型自动割胶机设计与减重优化研究

作     者：年乐奇 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋欣

授予年度：2023年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：自动割胶机 单自由度 结构设计 仿真分析 减重优化设计 

摘      要：天然橡胶是重要的战略物资,当前我国的天然橡胶产量无法满足国内需求,因此,扩大橡胶自主生产有着很大的必要性。随着橡胶树种植规模的扩大,逐渐突显了国内普遍采用的人工割胶方式的弊端和不足,为解决橡胶产业的劳动力不足、生产成本高、生产可靠性低以及减少橡胶产业的需求缺口等问题,自动割胶机的应用成为必然趋势。与现有多电机控制割胶机对比,单自由度新型自动割胶机在降低成本和提高使用可靠性方面具有优势。本文以TRIZ创新设计理论为辅助工具,得出单自由度自动割胶机的需求和设计方向,对整机进行了结构设计并进行了运动学仿真和减重优化。具体研究内容如下:(1)对橡胶机的使用环境进行了分析,确定了割胶角度、割胶深度和耗皮量等数据,对运动要求和设计参数进行总结。运用TRIZ理论对自动割胶机进行系统分析,得出自动割胶机的发展趋势和设计方向,而后确定了系统的组成,结合割胶机割胶作业的实际工作要求,合理选择了割胶机的驱动方式和传动方式,为自动割胶机整机设计与仿真提供了基础。(2)根据橡胶树的割胶特点,对自动割胶机进行了整机设计,针对割胶运动的要求对关键结构进行设计和割胶机动力结构部分进行选型和计算,通过三维建模软件Solid Works对设计结构进行干涉检验,并利用有限元方法验证割胶机刀头结构满足强度要求。利用ADAMS软件进行虚拟样机仿真分析,通过分析各构件在作业中的实际运动情况,添加相应的运动副、驱动、载荷等验证设计方案的正确性,最终得到自动割胶机机的运动学仿真数据,验证了自动割胶机设计的合理性。(3)最后,可进行减重设计的构件在自动割胶机中经过质量比较和可行性确定后,采用拓扑优化、惩罚函数法等方法进行减重设计。对于进给平台,以变密度法进行优化,结合模型合理性和可制造性,再二次重建优化后的模型,并对其进行有限元静力学分析,验证其满足强度和刚度使用要求;利用惩罚函数法对齿轮传动装置进行优化,拟选出合适的传动比。最终割胶机的质量减轻0.534kg,占割胶机质量11.56%,在大规模制造使用时下具有重要意义。从仿真分析结果看,本文设计的自动割胶机具有良好的割胶性能,降低了割胶的劳动强度,经过减重优化后可进一步降低制造成本,提高了橡胶的市场竞争力。