盧煜海，曾昭文，馬桂香，馬俊生

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)的有限元分析

盧煜海，曾昭文，馬桂香，馬俊生

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：針對(duì)大規(guī)模香蕉種植基地香蕉收割機(jī)具的研發(fā)比較缺乏，研制了一種多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)。該機(jī)可收割各型株高的香蕉，具有自鎖、多自由度動(dòng)作及小型運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。通過分析該機(jī)的工作原理，對(duì)其關(guān)鍵零部件建立有限元模型，進(jìn)行基于ANSYS的有限元分析。結(jié)果表明：收割機(jī)關(guān)鍵零部件的剛度和強(qiáng)度滿足工作要求。自鎖式多自由度香蕉收割機(jī)的研制可為其他類似農(nóng)作物收割機(jī)具的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：香蕉收割機(jī);自鎖;多自由度;ANSYS

0引言

香蕉種類繁多，廣泛栽培于我國的廣東、廣西、海南、臺(tái)灣等地區(qū)，品種豐富，色香味美，深受廣大消費(fèi)者喜愛，擁有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的消費(fèi)市場(chǎng)。目前，大規(guī)模香蕉種植基地香蕉的收割與基地運(yùn)輸沒有比較成熟的機(jī)具，普遍是人工鐮刀收割、肩挑運(yùn)出基地方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。因此，研制一種集收割運(yùn)輸一體，操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、輕巧牢固，可作業(yè)各型株高的香蕉收割機(jī)十分必要。為使該機(jī)結(jié)構(gòu)合理、輕巧牢固，可承受較大的負(fù)載，且為今后香蕉收割機(jī)具的研發(fā)提供有效的設(shè)計(jì)參考，利用有限元理論，結(jié)合ANSYS軟件，對(duì)多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)和材料是否滿足工作要求。此方法對(duì)降低研發(fā)成本，明確收割機(jī)的負(fù)載范圍，提高機(jī)具使用壽命具有重要的指導(dǎo)意義。

1工作原理

多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及收割系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

動(dòng)力系統(tǒng)由蓄電池為直流電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)收割機(jī)前行，代替了傳統(tǒng)的柴油機(jī)，節(jié)能減排。進(jìn)給系統(tǒng)擁有3個(gè)自由度，采用手動(dòng)方式，通過開式齒輪齒條結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X方向進(jìn)給、自鎖式螺桿傳動(dòng)螺母移動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Y方向進(jìn)給、剪叉升降-螺旋傳動(dòng)自鎖復(fù)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Z方向進(jìn)給，把收割系統(tǒng)輸送到所要作業(yè)的位置。收割系統(tǒng)擁有2個(gè)自由度，由小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀具對(duì)香蕉進(jìn)行收割。收割機(jī)的下半機(jī)體設(shè)計(jì)有空間，可放置收割后的香蕉對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸。

圖1　多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2動(dòng)力系統(tǒng)力學(xué)分析

動(dòng)力系統(tǒng)通過蓄電池為直流電機(jī)提供電源驅(qū)動(dòng)整機(jī)前進(jìn)。電機(jī)的輸出端與小鏈輪連接，小鏈輪通過鏈條與固定在大輪車軸中間的大鏈輪連接。當(dāng)收割機(jī)的路況不佳、鏈條以低鏈速(v≤0.6m/s)傳動(dòng)時(shí)，其主要失效形式為靜力破壞。鏈傳動(dòng)的靜力破壞限制鏈傳動(dòng)能夠承受的最大載荷，因此需要對(duì)鏈傳動(dòng)關(guān)鍵零部件鏈輪及鏈條的靜力破壞進(jìn)行有限元分析。

2.1鏈傳動(dòng)的受力分析

如圖2所示，鏈傳動(dòng)在工作時(shí)，存在緊邊拉力和松邊拉力。如果不計(jì)傳動(dòng)中的動(dòng)載荷，則緊邊拉力和松邊拉力分別為

F1=Fe+Fc+Ff

(1)

F2=Fc+Ff

(2)

式中Fe—有效圓周力(N)；

Fc—離心力引起的拉力(N)；

Ff—懸垂拉力(N)。

有效圓周力為

(3)

式中P—傳遞的功率(kW)；

v—鏈速(m/s)。

離心力引起的拉力為

Fc=qv2

(4)

式中q—鏈條單位長度的質(zhì)量(kg/m)。

圖2　鏈傳動(dòng)原理圖

如圖3所示，假想下方懸垂鏈條從中部斷開，對(duì)鏈與鏈輪的起始接觸點(diǎn)取力矩，則由平衡條件得

(5)

(6)

式中q—鏈條單位長度的質(zhì)量(kg/m)；

g—重力加速度(N/kg)；

a—鏈傳動(dòng)中心距(m)；

f—下垂度(m)。

2.2鏈傳動(dòng)的參數(shù)選擇

按照鏈輪傳動(dòng)額定功率曲線，收割機(jī)在負(fù)載地形工作，承受沖擊載荷。優(yōu)選地，z1取17，且鏈輪齒萃硬。由于鏈節(jié)數(shù)通常是偶數(shù)，為使鏈條和鏈輪磨損均勻，常取鏈輪齒數(shù)為奇數(shù)，并盡可能與鏈節(jié)數(shù)互質(zhì)，收割機(jī)不需要很大減速比，z2取19。收割機(jī)采用額定功率1.5kW的電機(jī)，根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作情況、小鏈輪齒數(shù)及鏈條排數(shù)，將鏈傳動(dòng)所傳遞的功率修正為當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率，則有

式中KA—工況系數(shù)，取1.1；

KZ—小鏈輪齒數(shù)系數(shù)，取0.53；

Kp—多排鏈系數(shù)，取1；

P—傳遞的功率(kW)。

根據(jù)Pca=2.52kW以及最低設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速n1=80r/min,鏈型可選16A，則鏈條節(jié)距p=25.4mm。

圖3　懸垂拉力計(jì)算簡(jiǎn)圖

a0=(30～50)p=762～1 270mm

取a為920mm，相應(yīng)的鏈長節(jié)數(shù)為

因此，取鏈長節(jié)數(shù)Lp為90節(jié)。

鏈速v為0.6m/s時(shí)，有效圓周力為

鏈條常用材料為45Mn，線密度q為6.38kg/m，則離心力引起的拉力為

Fc=qv2≈2.30N

鏈條下垂度為30mm時(shí)，鏈條的懸垂拉力為

所以鏈條的緊邊拉力為

F1=Fe+Fc+Ff=2722.80N

鏈條松邊拉力為

F2=Fe+Ff=2720.50N

3小鏈輪的有限元分析

3.1材料特性

鏈輪輪齒要具有足夠的耐磨性和強(qiáng)度。由于小鏈輪輪齒的嚙合次數(shù)比大鏈輪多，所受沖擊也比較大，故小鏈輪應(yīng)采用較好的材料制造。國內(nèi)常用的材料為45Mn優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較高強(qiáng)度、硬度、耐磨性及良好的韌性。其主要力學(xué)性能，如圖4所示。

圖4　45Mn鋼的力學(xué)性能

3.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分是指將模型劃分為許多具有簡(jiǎn)單形狀的有限單元，這些有限單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接在一起。網(wǎng)格的質(zhì)量決定了有限元分析的精度，網(wǎng)格質(zhì)量由網(wǎng)格類型、網(wǎng)格參數(shù)和局部網(wǎng)格控制幾個(gè)因素保證。小鏈輪網(wǎng)格類型選擇三角形面片，單元大小按零件大小智能劃分，全局網(wǎng)格控制方式，有限元模型如圖5所示。

圖5　小鏈輪網(wǎng)格劃分圖

3.3有限元計(jì)算

選取小鏈輪與緊邊鏈條嚙合的一個(gè)輪齒，在其與鏈條滾子嚙合處施加載荷，計(jì)算鏈輪在低速(v≤0.6m/s)傳動(dòng)下，輪齒的應(yīng)力分布情況。平均負(fù)載計(jì)算至少為480.40N，現(xiàn)在給輪齒施加500N載荷。

經(jīng)有限元計(jì)算，小鏈輪應(yīng)力分布情況如圖6所示。輪齒與鏈條滾子嚙合處所受的最大應(yīng)力，圖6中應(yīng)力條頂部所示最大應(yīng)力為7.379e+006MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力1.850e+008MPa，所以小鏈輪強(qiáng)度滿足要求。

圖6　小鏈輪應(yīng)力圖

經(jīng)有限元計(jì)算，小鏈輪形變分布情況如圖7所示。圖7中應(yīng)變條頂部所示最大形變?yōu)?.562e-003mm，在材料彈性范圍內(nèi)變形極微小，所以小鏈輪剛度滿足要求。

4外鏈板的有限元分析

4.1材料特性

鏈條傳動(dòng)是具有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，外鏈板的兩端受到緊邊拉力的作用。鏈板的使用性能要求有較高的抗拉強(qiáng)度及韌性，國內(nèi)普遍選用45Mn制造，材料特性如圖4所示。

4.2網(wǎng)格劃分

外鏈板網(wǎng)格類型選擇三角形面片，單元大小按零件大小智能劃分，全局網(wǎng)格控制方式，有限元模型如圖8所示。

圖7　小鏈輪形變圖

圖8　外鏈板網(wǎng)格劃分圖

4.3有限元計(jì)算

鏈條的兩側(cè)分別有一塊外鏈板，所以單側(cè)外鏈板所承受的拉力為緊邊拉力的1/2，則

而單側(cè)鏈板承受拉力的部分為外半圓周，計(jì)算拉力為1 361.40N，現(xiàn)在外半孔心處施加圓周向外1 400N載荷。

經(jīng)有限元計(jì)算，鏈板外半圓周部分應(yīng)力圖如圖9所示。圖中應(yīng)力條頂部所示最大應(yīng)力為4.723e+007MPa，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力1.850e+008MPa，外鏈板強(qiáng)度滿足要求。

經(jīng)有限元計(jì)算，鏈板外半圓周部分形變分布情況如圖10所示。圖10中應(yīng)變條頂部所示最大形變?yōu)?.599e-004mm，在材料彈性范圍內(nèi)變形極微小，所以外鏈板剛度滿足要求。

5結(jié)論

1)多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要零部件最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

2)多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要零部件形變極小，在材料彈性范圍內(nèi)，滿足剛度要求。

3)多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)可在路況不佳情況下，以低鏈速前行。

圖9　外鏈板應(yīng)力圖

圖10　外鏈板形變圖

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0065-EA

Finite Element Analysis to Banana Harvester with Multi Degree of Freedom and Self Looking

Lu Yuhai, Zeng Zhaowen, Ma Guixiang, Ma Junsheng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Due to the lack of research and development for large banana planting base of banana harvesting equipment, a multi degree of freedom and self-locking banana harvester was designed. The machine can harvest the various types of bananas. It has the characteristics of self-locking, multi degree of freedom movement, small transport etc. Through the analysis of the working principle of the machine, the finite element model is established for the key parts, and finite element analysis based on ANSYS is done. The results show that: the stiffness and strength of the harvester key parts can meet the requirements of the job. Design of banana harvester with multi degree of freedom and self locking can be provided as a reference to other similar crop harvesting machinery.

Key words：banana harvester； self locking, multiple degrees of freedom； ANSYS

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0065-04

中圖分類號(hào)：S225.93；S59

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：盧煜海(1970-)，女，廣西桂平人，講師，(E-mail)lyuhai@163.com。通訊作者：曾昭文(1988-)，男，江西吉安人，碩士研究生，(E-mail)zzw2015tg@sohu.com。

基金項(xiàng)目：廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(1305109S03)

收稿日期：2015-02-10