韋麗嬌，何留偉，黃月芹，婁玉印，牛釗君，黃偉華，張堅(jiān)敏

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東湛江 524091；2.柳州工學(xué)院，廣西柳州 545005；3.廣東廣墾農(nóng)機(jī)服務(wù)有限公司，廣東湛江 524300；4.廣西雙高農(nóng)機(jī)有限公司，廣西南寧 530100）

0 引言

甘蔗是我國(guó)最大的經(jīng)濟(jì)作物之一，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響到廣西、云南、廣東、海南等省區(qū)幾千萬(wàn)產(chǎn)業(yè)農(nóng)民和公認(rèn)的民生問(wèn)題。甘蔗捆扎工作是甘蔗生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容，目前該工作主要靠人工完成，勞動(dòng)力成本高、工作效率低。傳統(tǒng)的甘蔗捆扎機(jī)械大部分是通過(guò)類比或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法具有一定的盲目性和不可靠性。針對(duì)當(dāng)前甘蔗生產(chǎn)中甘蔗捆扎工作存在的普遍問(wèn)題及甘蔗捆扎機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，采用合理、先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及手段研發(fā)一種新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架[1-3]，運(yùn)用有限元理論結(jié)合有限元分析軟件HyperMesh建立甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得出甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架合理機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，結(jié)果表明：經(jīng)有限元拓?fù)浜蟮男滦透收崂υ鷻C(jī)機(jī)架能夠滿足強(qiáng)度、剛度要求；通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證的新型甘蔗捆扎機(jī)的實(shí)用性，新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架能夠滿足使用要求。此設(shè)計(jì)方法對(duì)提高甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的壽命、可靠性以及降低制造成本具有重要的意義。

1 新型甘蔗捆扎機(jī)結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本新型甘蔗捆扎機(jī)主要由機(jī)架、定量裝置、壓緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及捆扎裝置組成[4]。其結(jié)構(gòu)如圖1。機(jī)架主要起到儲(chǔ)存甘蔗以及固定和支撐整機(jī)的作用。機(jī)架的兩側(cè)有斜坡，以方便甘蔗在重力的作用下滑下，使捆扎好的甘蔗滑至地面。根據(jù)砍收剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~后整稈甘蔗長(zhǎng)度大約為1.2 m，因此設(shè)計(jì)甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架高度應(yīng)低于1.2 m?，F(xiàn)設(shè)計(jì)機(jī)架高度1 m，寬度1.5 m。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 新型甘蔗捆扎機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架

定量裝置主要起到確保每次捆綁的甘蔗量為定量，其結(jié)構(gòu)為缺口圓盤(pán)，每次輸送的甘蔗大約為14根，重量為25 kg。半角為15 mm。其缺口圓盤(pán)角度為120度，直徑為0.1 m。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型甘蔗捆扎機(jī)缺口圓盤(pán)

壓緊裝置主要起到加緊裝置輸送過(guò)來(lái)的甘蔗擠壓成捆，以方便打結(jié)器打結(jié)。驅(qū)動(dòng)裝置主要由電動(dòng)機(jī)一、電動(dòng)機(jī)二、電動(dòng)機(jī)三組成，三個(gè)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)以控制定量裝置、壓緊裝置以及送線裝置順次運(yùn)動(dòng)，完成甘蔗捆扎機(jī)的捆扎作業(yè)。捆扎裝置主要起到捆扎甘蔗的作用，其主要由送線裝置和打結(jié)器組成。

1.2 工作原理

本新型甘蔗捆扎機(jī)的主要工作包括定量、壓緊、捆扎三個(gè)工作過(guò)程。定量工況：電動(dòng)機(jī)二驅(qū)動(dòng)定量裝置，獲取所需的定量甘蔗，當(dāng)定量裝置旋轉(zhuǎn)至和機(jī)架弧形位置重合時(shí)，電動(dòng)機(jī)二停止運(yùn)動(dòng)。加緊工況：定量所取的甘蔗在重力的作用下滑至壓緊裝置位置，電動(dòng)機(jī)一、連桿一、連桿二和加緊裝置形成四桿機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)二帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)將松散的擠壓。壓緊機(jī)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)甘蔗擠壓成型后，電動(dòng)機(jī)一停止運(yùn)動(dòng)。捆扎工況：電動(dòng)機(jī)三旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)送線裝置送線，打結(jié)器將甘蔗捆扎打結(jié)。通關(guān)上述三個(gè)工況，完成甘蔗的捆扎作業(yè)。

圖4 新型甘蔗捆扎機(jī)壓緊機(jī)構(gòu)

2 新型甘蔗機(jī)機(jī)架的受力分析

新型甘蔗機(jī)機(jī)架是整機(jī)的主要部件，起到固定和支撐整機(jī)的作用。根據(jù)新型甘蔗捆扎機(jī)每次定量選取14根甘蔗，大約為25 kg。故甘蔗捆扎機(jī)受力大約250 N。取新型甘蔗捆扎機(jī)壓緊工況進(jìn)行受力分析。

2.1 材料選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的材料為45號(hào)鋼。該材料的彈性模量E=2.02 E +05 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10－6kg/mm3，屈服極限σs=355 MPa[5]。

2.2 有限元模型的建立

根據(jù)新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)特性，選取四節(jié)點(diǎn)四邊形2D網(wǎng)格。該網(wǎng)格主要用于沖壓件或中空的塑料件[6-7]。采用automesh智能劃分網(wǎng)格方式，得新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架有限元模型如節(jié)點(diǎn)的數(shù)目17 890，單元數(shù)目為12 530。

2.3 加載和約束

加緊：由甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架受力分析得：甘蔗捆扎機(jī)受力大約250 N。

約束：甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架與地面通過(guò)四顆地腳螺絲連接，將甘蔗捆扎機(jī)地腳螺栓處設(shè)為全約束。

2.4 有限元分析求解結(jié)果

采用HyperMesh仿真計(jì)算出新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架應(yīng)力分布如圖5所示：新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力1.66 E+02 Mpa，發(fā)生在甘蔗捆扎機(jī)架上部焊接處。

圖5 新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架應(yīng)力云圖

新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架仿真計(jì)算受力云圖如圖6所示。機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)變?yōu)?.5 E+01mm，發(fā)生在機(jī)架支撐加緊裝置處，滿足剛度要求。

圖6 有限元分析變形云圖

3 新型甘蔗捆扎機(jī)架機(jī)架的拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 劃定拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域

將新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架螺栓連接處設(shè)為拓?fù)洳蛔儏^(qū)，其余部分設(shè)為拓?fù)鋮^(qū)域。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)

將型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架體積最小設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)

3.3 優(yōu)化條件

將型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架最大應(yīng)力小于1.66+E02 Mpa為約束條件。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)有限元理論結(jié)合有限元軟件HyperMesh得出新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的拓?fù)淠Ｐ腿鐖D7所示，從上述結(jié)果可知：甘蔗機(jī)機(jī)架底部和側(cè)面上下部材料富裕。

圖7 有限元分析拓?fù)浣Y(jié)果

4 新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的二次設(shè)計(jì)

4.1 Pro/E模型構(gòu)建

根據(jù)新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的拓?fù)淠Ｐ?，再次建立新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的Pro/E模型如圖8所示。

圖8 新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架二次設(shè)計(jì)

4.2 新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架有限元分析

采用有限元理論結(jié)合有限元軟件HyperMesh應(yīng)力云圖如圖9所示：新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力1.74 E+02 Mpa，發(fā)生在甘蔗捆扎機(jī)架上部焊接處。雖然，甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的二次設(shè)計(jì)應(yīng)力有所上升，但仍在需要應(yīng)力范圍為，滿足強(qiáng)度條件。

圖9 捆扎機(jī)機(jī)架二次設(shè)計(jì)應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元理論結(jié)合有限元軟件HyperMesh得新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的變形云圖如圖10所示：新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架最大應(yīng)變?yōu)?.6 E+01 mm，發(fā)生在機(jī)架支撐加緊裝置處，滿足剛度要求。

圖10 有限元分析變形云圖

5 實(shí)驗(yàn)分析

本新型甘蔗捆扎機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用額定轉(zhuǎn)速100 r/min，以1 000 kg甘蔗為研究對(duì)象，從中隨機(jī)抽去15捆，進(jìn)行采樣分析，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 甘蔗捆扎機(jī)實(shí)驗(yàn)表格圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：將打捆序號(hào)和打捆時(shí)間轉(zhuǎn)化為圖11所示。

圖11 成捆時(shí)間曲線圖

新型甘蔗捆扎機(jī)成捆的平均周期設(shè)計(jì)值為120 s，通過(guò)對(duì)15組采用分析，成捆時(shí)間最大值為130 s，最小值為110 s，與理論值基本符合。由于多電動(dòng)機(jī)可控運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，和整機(jī)間隙及振動(dòng)，造成打捆時(shí)間和理論值有一定的偏差，其平均時(shí)間為119.6 s，接近理論設(shè)計(jì)值，符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 成捆半徑曲線圖

新型甘蔗捆扎機(jī)設(shè)計(jì)成捆的平均半徑為210 mm，通過(guò)對(duì)15組采用分析，成捆半徑的最大值為235 m，最小值為205 mm。由于甘蔗成捆形狀不規(guī)則性、單甘蔗半徑的誤差以及由于天氣等原因造成的甘蔗膨脹造成甘蔗成捆半徑偏大，其平均值為221.33，與設(shè)計(jì)理論值基本相符，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

1）通過(guò)有限元拓?fù)鋬?yōu)化可知，新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架的主要零件最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度條件。

2）通過(guò)有限元拓?fù)鋬?yōu)化可知，新型甘蔗捆扎機(jī)機(jī)架滿足剛度要求。

3）通過(guò)新型甘蔗捆扎機(jī)實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證的新型甘蔗捆扎機(jī)的實(shí)用性，該機(jī)能夠節(jié)省人力成本，提高勞動(dòng)效率。