翟永全 潘仟仟 胡立華 陳仕國 陳學永

（福建農林大學機電工程學院 福建福州 350002）

茶園電動微耕機的虛擬樣機設計

翟永全 潘仟仟 胡立華 陳仕國 陳學永

（福建農林大學機電工程學院 福建福州 350002）

針對茶園工作環(huán)境，設計了一種手扶式茶園電動微耕機，利用電池供電，電機驅動，整機結構精簡、輕巧，能夠有效地提高工作效率，降低勞動強度。此設計采用 Pro/E三維制圖及ANSYSWorkbench有限元分析方法，對車體關鍵部件進行三維建模，并對整車關鍵零部件進行了應力應變分析。分析表明電機支架邊緣變形較大，需要增加厚度或者更換材料來提高電機支架的強度和剛度。

茶園；電動微耕機；ANSYSWorkbench

我國有茶園面積約246.9萬hm2，茶區(qū)分布廣泛[1]。我國茶園機械有一定的發(fā)展，但相對發(fā)展緩慢，茶園機械的研發(fā)生產和實際應用水平很低[2]。目前，國內一些茶園管理機械普遍以柴油機或汽油機作為動力[3]，這樣既污染了環(huán)境又損害了茶的品質。國內也出現一些生產茶園機械的廠家，但機器的工作能力和工作效率還達不到機械化生產的要求，國外廠家生產的茶園機械價格貴又不能很好地適應我國的茶園環(huán)境?，F在我國茶園管理機械化水平很低，大部分還是依靠人工作業(yè)。最近幾年，隨著農村勞動力的流失，致使茶園勞動力短缺，阻礙了茶葉的生產效率。隨著經濟的快速發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，人們對茶葉品質的要求也在不斷地提高，解決并提高茶園機械化生產水平成為必須解決的問題[3]。

針對茶園作業(yè)環(huán)境上，設計一款經濟實用型的茶園電動微耕機，以提高茶園生產效率。所設計的茶園電動微耕機主要由車架、控制單元、電池組等部分組成，采用電池供電，電機驅動。用Pro/E軟件對茶園電動微耕機建立了三維模型，通過ANSYSWorkbench有限元分析方法對車體部分部件進行應力應變分析，檢驗并優(yōu)化設計方案，從而縮減設計成本[4]。

一、總體結構

（一）主要結構組成及特點。該機在微耕機的基礎上研究開發(fā)的，總體設計如圖1所示。

圖1 茶園電動微耕機整體布置圖

1.電動機；2.電池組；3.變速箱；4.剎車；5.換擋器；6.控制器；7.離合器；8.調速桿；9.后支架；10.旋耕刀；11.電池支架12.電機之架；13.支撐輪。該機主要由電動機、電池組、車身支架、變速箱、車輪、手把、控制器、離合器、支撐輪等部件組成。支撐輪可調，整機機架采用螺栓鏈接，方便拆卸及維修。本機在一定程度上減小了微耕機的外部尺寸結構，使整機操作的靈活性得到保障。

（二）工作原理。在茶園作業(yè)時，電動機的動力傳到變速箱，變速箱將動力經蝸輪蝸桿傳到旋耕刀上，使電動微耕機的旋耕刀獲得動力完成旋耕作業(yè)。操作人員通過操縱控制器開關來控制電動機轉速，從而控制茶園電動微耕機的前進速度與刀具切削速度，從而保證了茶園電動微耕機的旋耕效果。

（三）主要技術參數。針對茶樹的種植特點，結合農業(yè)機械相關設計標準，確定的電動微耕機主要技術參數如表1所示[5-8]。

Table1 The main technicalparameters

（四）零部件特征構造。由車體結構可看出主要零件有整機機架、變速箱、控制器盒等。通過 Pro/E軟件對電機支架、電池支架、后支架進行三維建模并進行應力應變分析。建立好模型導入ANSYSWorkbench的模型如圖2、3、4所示。

圖2 電機支架三維實體模型

圖3 后支架三維實體模型

圖4 電池支架三維實體模型

二、應力應變分析

電機支架主要是固定支撐電機以及拖掛電池箱，該車結構小，支架固定處采用螺栓連接，電機支架受整車質量影響，容易產生形變。

ANSYSWorkbench軟件能夠提供結構的受力分析，通過分析即可得到整車結構設計是否安全合理，并可對車身結構進行優(yōu)化。電機機械結構在應力應變分析時,在 Model環(huán)境中劃分網格，點擊Mesh工具欄中MeshControl進行網格劃分，劃分過程共產生有106506個節(jié)點，54760個單元[9]。支架采用了Q235鋼,各結構材料的參數見表2。

Table2 MaterialProperties ofthe Motorframe

經過在ANSYSWorkbench軟件中進行結構分析得到零件的應力應變圖。

圖5 電機支架應力分布

圖6 電機支架的應變分布

圖7 電機支架的形變分布

求解得到的電機支架結構應力分布見圖5,電機支架機械結構的應變和變形分別如圖6和圖7所示。由以上分析結果得出,電機支架結構的最大應力為1866.9MPa,應變?yōu)槲挥谥伟逯虚g部位和支撐板橫向螺栓固定孔處。電機支架機械結構的最大變形位于支撐板邊緣處,為5.3mm，對支架有一定影響，采用增加支撐板厚度或者延長加強筋的方式來提高支架的強度和剛度。

圖8 后支架的應力分布

圖9 后支架的應變分布

圖10 后支架的形變分布

后支架機械結構在應力應變分析時,在Model環(huán)境中劃分網格，點擊Mesh工具欄中MeshControl進行網格劃分，劃分過程共產生有66462個節(jié)點，36255個單元[9]。后支架采用了Q235鋼,其結構材料的參數見表2。

求解得到的后支架結構應力分布見圖8,后支架機械結構的應變和變形分別如圖9和圖10所示。由以上分析結果得出,后支架結構的最大應力為17.06MPa,應變?yōu)槲挥谥伟逯虚g部位和支撐板橫向螺栓固定孔處。后支架機械結構的最大變形位于支架x軸方向邊緣處，最大變形22um，可忽略不計。

圖11 電池支架的應力分布

圖12 電池支架的應變分布

圖13 電池支架的形變分布

電池支架機械結構在應力應變分析時,在Model環(huán)境中劃分網格，點擊Mesh工具欄中MeshControl進行網格劃分，劃分過程共產生有29227個節(jié)點，13630個單元[9]。電池支架采用了304不銹鋼,其結構材料的參數見表2。求解得到的電池支架結構應力分布見圖11,電池支架機械結構的應變和變形分別如圖12和圖13所示。由以上分析結果得出,電池支架結構的最大應力為316.7MPa,最大應變?yōu)槲挥跈M向支架螺栓固定孔處。電池支架機械結構的最大變形位于橫向支架邊緣處，最大變形2.6mm。從云圖結果可以看出，電池支架滿足要求。

三、結論

（一）整機設計結構簡單，以電池作驅動力，節(jié)能環(huán)保，有效地提高了茶園作業(yè)效率。

（二）通過Pro/E軟件建模并在ANSYSWorkbench軟件中對關鍵的連接部件做了應力應變分析，發(fā)現電機支架最大變形為5.3mm，需要增加支撐板厚度或者延長加強筋的方式來提高支架的強度和剛度，從而確保了整機設計安全性與合理性。

（三）結合ANSYSWorkbench軟件分析，有效地縮短了分析周期，為后續(xù)茶園電動微耕機的樣機制造提供了理論依據。

[1]韓余，肖宏儒，宋志禹，等.我國茶園機械化作業(yè)模式研究[J].中國農業(yè)科技導報,2016（3）:74-81.

[2]徐成剛，李兵，李尚慶，等.便攜式茶園微耕機的設計研究[J].農機化研究,2016（5）:107-111.

[3]閆國琦，張鐵民，徐相華，等.我國微耕機技術現狀與發(fā)展趨勢[J].安徽農業(yè)科學，2008（25）：11137-11139+11148.

[4]刁天成，李云伍，陳冀平，等.手扶式田間電動運輸車的虛擬樣機設計[J].拖拉機與農用運輸車,2014（5）:34-36.

[5]王小勇,李兵,李尚慶,等.茶園微耕機的設計分析[J].農機化研究,2016（1）:101-105.

[6]葉強,謝方平,孫松林,等.葡萄園反轉雙旋耕輪開溝機的研制[J].農業(yè)工程學報,2013（3）:9-15.

[7]武廣偉,宋建農,李永磊,等.草地振動式間隔松土機設計與試驗[J].農業(yè)機械學報，2010（2）:42-46+41.

[8]張毅.1WG—4型多用微耕機的研制與試驗[J].中國農機化,2003（5）:41-43.

[9]程小龍,劉俊峰,李建平,等.基于ANSYS Workbench的乘坐式割草機刀盤模態(tài)分析[J].農機化研究,2015（6）:60-62+66.

[責任編輯 鄭麗娟]

S222.29

A

2095-0438（2017）03-0145-04

2016-10-29

翟永全（1990－），男，內蒙赤峰人，福建農林大學機電工程學院2014級碩士研究生，研究方向：機電系統(tǒng)控制及自動化。陳學永(1970－)，男，福建龍巖人，福建農林大學機電工程學院機械系副教授，博士，研究方向:機械制造及其自動化。