釀酒葡萄修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)與有限元分析

韓會敏，周 艷，賈首星，何 磊，代亞猛，蔡文龍，李 帆

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引言

葡萄為多年蔓生作物，其枝條能纏繞他物攀援上升，枝蔓的中下部被遮擋而得不到充足的風(fēng)及陽光[1]。如果對其進(jìn)行合理的修剪，能確保一定數(shù)量的芽眼，長出良好的新生枝蔓，減少營養(yǎng)的流失，并能使果實(shí)充分著色，提升果實(shí)的外觀和品質(zhì)。因此，合理的葡萄修剪是使葡萄獲得穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的必要條件。目前，我國葡萄修剪作業(yè)主要以人工修剪為主，只有少數(shù)使用氣動或電動修剪機(jī)具[2]。人工修剪需要大量的勞動力，且存在勞動強(qiáng)度大、效率低及修剪質(zhì)量難以保證等諸多問題[3]。

針對這一現(xiàn)狀，在國內(nèi)外修剪機(jī)械研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種葡萄修剪機(jī)械。高度調(diào)節(jié)裝置是整個修剪機(jī)械的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)的好壞將事關(guān)整個機(jī)器能否順利運(yùn)行。調(diào)節(jié)裝置主要通過液壓油缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一種微型高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可在液壓油缸調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上根據(jù)葡萄實(shí)際高度來調(diào)節(jié)修剪機(jī)械的修剪高度。該高度調(diào)節(jié)裝置承受著整個修剪裝置的重力和工作中的緩沖載荷，因此需要經(jīng)過全面合理的分析、計(jì)算、優(yōu)化和驗(yàn)證[4]。

本文結(jié)合工作要求在SolidWorks中建立三維模型，然后運(yùn)用Ansys Workbench有限元分析軟件進(jìn)行靜力學(xué)、模態(tài)分析，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

1 釀酒葡萄種植模式與調(diào)節(jié)裝置

1.1 釀酒葡萄種植模式

釀酒葡萄的種植模式主要有[5]棚架式、籬壁式、柱架式，而新疆葡萄的種植模式主要為單臂籬壁式[6]，如圖1所示。其株距L1一般為0.5～1m，行距L2為2.5～3.5m，葡萄枝藤寬度L3為1.5m，高度L5為1.8m，樹樁的高度L4為2m。

圖1 釀酒葡萄種植模式

1.2 調(diào)節(jié)裝置主要結(jié)構(gòu)及模型的建立

由于葡萄種植管理的不同，后期葡萄的長勢會有很大的差別。為了便于修剪不同高度的枝條，設(shè)計(jì)了一種伸縮桿式的調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)葡萄修剪要求微調(diào)節(jié)修剪機(jī)修剪范圍。

釀酒葡萄修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置由主橫梁、下連接管、上刀架內(nèi)套管、前刀架外套管、主擺架連接板、加強(qiáng)筋、前支板及側(cè)橫梁管等組成，如圖2所示。其中，主橫梁兩端連接兩側(cè)部修剪裝置采用龍門式修剪，可同時(shí)修剪葡萄藤的兩側(cè)，根據(jù)修剪要求調(diào)整兩側(cè)部修剪裝置間的距離。下連接管處和頂部修剪裝置相連接，修剪高度由前刀架外套管和上刀架內(nèi)套管調(diào)整而得。

1.主橫梁 2.下連接管 3.上刀架內(nèi)套管 4.主擺架連接板 5.前支板 6.側(cè)橫梁管 7.加強(qiáng)筋 8.前刀架外套管圖2 調(diào)節(jié)裝置三維結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

調(diào)節(jié)裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)裝置相關(guān)參數(shù)

2 調(diào)節(jié)裝置靜力學(xué)分析

2.1 調(diào)節(jié)裝置的受力分析

釀酒葡萄修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置所受載荷主要包括調(diào)節(jié)裝置自重、左右兩側(cè)修剪部裝，以及工作時(shí)停止、啟動和運(yùn)行中的慣性載荷。為了便于分析，現(xiàn)把修剪裝置看作一個整體[7]，對其在正常工作狀態(tài)下進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)裝置受力簡圖

調(diào)節(jié)裝置豎直方向上主要承受的載荷為

Q=KG0+G1+G2+Fa

其中，G0為調(diào)節(jié)裝置自重(N);K為重量轉(zhuǎn)化系數(shù)，一般取K=1.2；G1、G2為左右切削部裝自重的作用力(N)；Fa為工作過程中的慣性力，F(xiàn)a=m0a。

利用SolidWorks中評估功能，評估出所需零部件的質(zhì)量。其中，m0=142kg，m1+m2=86kg。由于豎直方向上慣性加速度相對比較小,取a=0.018m/s2，F(xiàn)a=m0a=2.556N,Q=2 515.276N。

2.2 有限元模型建立、網(wǎng)格劃分

本文采用SolidWorks 三維繪圖軟件建立高度調(diào)節(jié)裝置模型，并在該軟件中進(jìn)行裝配；模型創(chuàng)建完成后，為了與Ansys 有限元分析軟件對接[8]，將該模型保存為IGES格式，避免了再次建模，節(jié)約了繪圖時(shí)間，提高了效率[9]。為了便于建立有限元模型，現(xiàn)對結(jié)構(gòu)中局部細(xì)節(jié)進(jìn)行合理簡化，并采用實(shí)體單元SOLID95對修剪機(jī)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]。定義材料屬性如表2所示。

表2 模型屬性參數(shù)

為了減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，采用自動網(wǎng)格劃分，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)共劃分311 401個節(jié)點(diǎn)、16 210個單元。

2.3 添加載荷、求解分析結(jié)果

按照調(diào)節(jié)裝置的受力分析，對其施加載荷，分別求解調(diào)節(jié)裝置的總變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示。

圖4 修剪裝置的網(wǎng)格劃分

圖5 總變形云圖

圖6 應(yīng)力云圖

在修剪工作狀態(tài)中，調(diào)節(jié)裝置最大變形量為1.536 6mm，主要發(fā)生在上刀架內(nèi)套管與前刀架外套管連接處。由于受到上刀架部裝對孔的壓力和扭矩，因此該處發(fā)生形變位移最大。

調(diào)節(jié)裝置的最大應(yīng)力發(fā)生在前支板處，最大應(yīng)力為216MPa。根據(jù)許用應(yīng)力的計(jì)算公式[11-12]，則

其中，σb為材料的屈服極限，nb為安全系數(shù)，[σ]為許用應(yīng)力。

根據(jù)零件材料取σb=235MPa，nb=1，代入上述公式，則[σ]=235MPa，[σ]max=216MPa<[σ]=235MPa。因此，該調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

3 調(diào)節(jié)裝置的模態(tài)分析與安全系數(shù)分析

3.1 調(diào)節(jié)裝置模態(tài)分析

對修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行模態(tài)分析，是為了更好地在試制樣機(jī)前預(yù)測產(chǎn)品的動態(tài)性能，同時(shí)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果抑制或消除振動和外界噪聲的影響，避免工作時(shí)的激振頻率與自然頻率相近而引起共振現(xiàn)象，或使工作頻率避開一定范圍的激振頻率。因此，現(xiàn)利用Ansys 有限元分析軟件對修剪機(jī)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行模態(tài)仿真分析[13]。為了便于分析計(jì)算、減少運(yùn)行內(nèi)存，現(xiàn)取前6階模態(tài)進(jìn)行分析[14]。1～6階模態(tài)如圖7～圖13所示。

圖7 調(diào)節(jié)裝置1～6階的固有頻率

圖8 1階模態(tài)頻率振型

圖9 2階模態(tài)頻率振型

圖10 3階模態(tài)頻率振型

圖8中 ，主橫梁兩端處變形量最大，偏移量為479.26mm。圖9中，下連接管端口處變形量最大，偏移量為786.87mm。圖10中，下鏈接管上端口處變形量最大，偏移量為799.43mm。

圖11 4階模態(tài)頻率振型

圖12 5階模態(tài)頻率振型

圖13 6階模態(tài)頻率振型

圖11～圖13中，主橫梁兩端處變形量最大，偏移量分別為574.73、551.82、657.49mm。由此可以看出，模態(tài)頻率對變形量的影響很大。為了防止共振現(xiàn)象產(chǎn)生，可對偏移量發(fā)生較大的位置采取加筋板等方式加強(qiáng)處理。

為了確認(rèn)調(diào)節(jié)裝置在工作時(shí)是否發(fā)生共振現(xiàn)象，現(xiàn)對其進(jìn)行激振分析。激振頻率公式[15]為

其中，μ為修剪機(jī)前進(jìn)速度；λ為地面弧度波長。

取μ=6km/h，λ=0.2m，代入上述公式得F=8.33Hz。

在圖7調(diào)節(jié)裝置的固有頻率中，固有頻率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而最小1階頻率50Hz遠(yuǎn)大于激振頻率8.33Hz，所以該高度調(diào)節(jié)裝置在工作中不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

3.2 調(diào)節(jié)裝置安全系數(shù)分析

安全系數(shù)是確保修剪機(jī)械安全、可靠的重要因素，現(xiàn)對調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行安全仿真分析，結(jié)果如圖14所示。其中，最小安全系數(shù)1.15大于1，結(jié)果驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的安全合理性[16]。

圖14 安全系數(shù)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由上文高度調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)力、模態(tài)分析及安全系數(shù)分析結(jié)果可知，釀酒葡萄修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)符合工作要求。在此基礎(chǔ)上對其加工、組裝，并進(jìn)行田間測試試驗(yàn),如圖15所示。

圖15 田間試驗(yàn)

2017年9月,在新疆石河子的葡萄園進(jìn)行了樣機(jī)田間試驗(yàn)，樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)符合修剪機(jī)各項(xiàng)要求指標(biāo)。

表3 樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

續(xù)表3

5 結(jié)論

1)運(yùn)用SolidWorks三維繪圖軟件對釀酒葡萄修剪機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行實(shí)體建模，利用數(shù)據(jù)交換將其導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，并針對工作要求對形變、應(yīng)力進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)果表明：最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

2)對高度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行前6階模態(tài)分析，其振動頻率均大于外界激振頻率，故不會發(fā)生共振現(xiàn)象。安全系數(shù)仿真結(jié)果均大于1，因此該設(shè)計(jì)滿足安全性和可靠性要求。