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采摘頭是采棉機(jī)工作的關(guān)鍵部件，采收棉花時(shí)首先利用摘錠自身的鉤齒將棉花鉤住，然后高速旋轉(zhuǎn)將棉花纏繞在摘錠上，隨著采棉滾筒旋轉(zhuǎn)將棉花從棉株中拽出。摘錠退出采棉室后，采棉滾筒與高速反向旋轉(zhuǎn)的脫棉盤相遇，脫棉盤從摘錠上將棉花反方向脫下，脫下的棉花經(jīng)輸棉管道送入集棉箱。
摘錠的動力傳輸依靠摘錠座管的錐齒輪傳動系統(tǒng)，由于摘錠自身的高速旋轉(zhuǎn)和采摘滾筒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動，導(dǎo)致錐齒輪嚙合間隙變大，造成摘錠之間發(fā)生干涉，使其壽命大大降低，摘錠座管作為主要受力部件，其動力依靠摘錠座管的傳動軸傳遞，主要受來自摘錠端末錐齒輪的接觸應(yīng)力。此外對摘錠座管傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或材料選擇不合適都可能導(dǎo)致其強(qiáng)度不足，造成采摘頭結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響采棉質(zhì)量。作用在采摘頭上來自外界的各種激振力也是影響采摘頭正常作業(yè)的主要原因，可能導(dǎo)致摘錠座管內(nèi)部元件比如傳動軸、搖臂、錐齒輪等發(fā)生形變或者摩擦損傷，也會使棉花采摘效果和質(zhì)量大大降低。
產(chǎn)生激振力的原因主要有以下幾個方面：1)來自采棉機(jī)外部作業(yè)環(huán)境產(chǎn)生的激勵。2)在采棉機(jī)工作時(shí)采摘頭仿形機(jī)構(gòu)與地面接觸產(chǎn)生的激勵。3)機(jī)器在工作過程中產(chǎn)生的嚙合激勵，如錐齒輪之間連接、變速箱齒輪的嚙合、皮帶與帶輪的連接等。4)在行進(jìn)過程中發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的簡諧激勵。在采棉機(jī)工作過程中摘錠座管傳動軸的某一階固有頻率與激振力的激振頻率接近或者相等時(shí)就會發(fā)生共振。共振將使摘錠座管傳動軸在工作過程中產(chǎn)生共振載荷進(jìn)而造成較大的位置偏移，最終影響采棉機(jī)運(yùn)行可靠性和棉花采收的質(zhì)量。
為了使摘錠座管傳動軸在工作中能夠保持足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，本文運(yùn)用ANSYS WorkBench對摘錠座管傳動軸進(jìn)行了靜力有限元分析，得到摘錠座管傳動軸在工作過程中的形變情況和應(yīng)力大小。為了使摘錠座管傳動軸在工作中能夠保持良好的動態(tài)特性，進(jìn)而對其進(jìn)行了模態(tài)分析，通過ANSYS軟件運(yùn)行、求解得到摘錠座管傳動軸的固有頻率、總振幅和主振型模態(tài)特性參數(shù)，可以預(yù)測傳動軸在各頻段內(nèi)受到各種振源作用下實(shí)際振動響應(yīng)情況，為后期結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化提供依據(jù)和參考。
每一個采棉機(jī)采摘頭由18根摘錠座管圍繞立柱組成，中間立柱通過齒輪將動力傳輸給摘錠座管，采摘頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。
摘錠座管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)由摘錠座管傳動軸、摘錠總成、搖臂、支撐套、套筒襯套等部件組成，其傳動軸上有18個(或者20個)銷孔，孔依靠圓卡銷與錐齒輪連接，摘錠座管的錐齒輪再與摘錠的錐齒輪連接將其動力傳輸給摘錠，進(jìn)而采摘棉花。摘錠座管傳動系統(tǒng)三維造型如圖2 所示，其內(nèi)部的傳動關(guān)系三維造型如圖3所示。
每根摘錠座管上有18根摘錠，依靠傳動軸上嵌套的錐齒輪與摘錠連接，正常工作時(shí)傳動軸受力比較復(fù)雜，受力如圖4所示，依靠傳動軸上的錐齒輪傳遞動力，將摘錠座管傳動軸簡化為Φ1=18mm、長度L=760mm的圓軸，其上面分布著18個間隔40mm的孔與錐齒輪配合，水平摘錠的直徑Φ2=12mm，假設(shè)采摘棉花所需要的采摘力F=1500N·m，則每一根摘錠所產(chǎn)生的力矩M為：
M=F·Φ2=18N·m
則單位長度上的圓軸扭矩：
T=Ma/L=18×18÷0.76=450N·m(2)
式中：a表示孔的個數(shù)。
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