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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(dòng)力傳輸依靠摘錠座管的錐齒輪傳動(dòng)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(dòng)，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(dòng)力依靠摘錠座管的傳動(dòng)軸傳遞，主要受來(lái)自摘錠端末錐齒輪的接觸應(yīng)力。此外對(duì)摘錠座管傳動(dòng)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(lái)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(dòng)軸、搖臂、錐齒輪等發(fā)生形變或者摩擦損傷，也會(huì)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(gè)方面：1)來(lái)自采棉機(jī)外部作業(yè)環(huán)境產(chǎn)生的激勵(lì)。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(lì)。3)機(jī)器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的嚙合激勵(lì)，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(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧激勵(lì)。在采棉機(jī)工作過(guò)程中摘錠座管傳動(dòng)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(huì)發(fā)生共振。共振將使摘錠座管傳動(dòng)軸在工作過(guò)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(dòng)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(duì)摘錠座管傳動(dòng)軸進(jìn)行了靜力有限元分析，得到摘錠座管傳動(dòng)軸在工作過(guò)程中的形變情況和應(yīng)力大小。為了使摘錠座管傳動(dòng)軸在工作中能夠保持良好的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)ANSYS軟件運(yùn)行、求解得到摘錠座管傳動(dòng)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(cè)傳動(dòng)軸在各頻段內(nèi)受到各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)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(gè)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(guò)齒輪將動(dòng)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(dòng)軸、摘錠總成、搖臂、支撐套、套筒襯套等部件組成，其傳動(dòng)軸上有18個(gè)(或者20個(gè))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(dòng)力傳輸給摘錠，進(jìn)而采摘棉花。摘錠座管傳動(dòng)系統(tǒng)三維造型如圖2 所示，其內(nèi)部的傳動(dòng)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(dòng)軸上嵌套的錐齒輪與摘錠連接，正常工作時(shí)傳動(dòng)軸受力比較復(fù)雜，受力如圖4所示，依靠傳動(dòng)軸上的錐齒輪傳遞動(dòng)力，將摘錠座管傳動(dòng)軸簡(jiǎn)化為Φ1=18mm、長(zhǎng)度L=760mm的圓軸，其上面分布著18個(gè)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(zhǎng)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(gè)數(shù)。
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