4SZ-1型酸棗采收機(jī)機(jī)架有限元分析

李世偉，鄭美朝，鄭德聰

(1.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原030027； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西 太谷030801)

0 引言

酸棗是中國北方廣泛分布的一種林果資源，其棗肉具備豐富的營養(yǎng)價(jià)值，棗核則是著名的中醫(yī)藥材[1-2]。為提高酸棗采收效率、解決人工采收的諸多難題，設(shè)計(jì)并試制了4SZ-1型酸棗采收機(jī)。

4SZ-1型酸棗采收機(jī)是通過使樹干高頻振動(dòng)，棗果受到較大的慣性力作用，完成棗果與樹枝的分離和采收[3-5]。

工作時(shí)，機(jī)具安裝的環(huán)境條件復(fù)雜，外部影響因素較多，對(duì)機(jī)架的工作性能也提出了較高要求[6]。由于工作中支座支撐反力較大，不僅要求機(jī)具與地面的錨固連接要可靠，機(jī)架本身的強(qiáng)度和剛度也必須嚴(yán)格控制，以保持機(jī)具在生命周期內(nèi)不至于損壞和保證采收工作質(zhì)量[7]。

本文通過ANSYS Workbench軟件平臺(tái)，以4SZ-1型酸棗采收機(jī)機(jī)架為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，為機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)[7-9]。

1 4SZ-1型酸棗采收機(jī)結(jié)構(gòu)

4SZ-1型酸棗采收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由夾緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、汽油機(jī)和棗果收集裝置等組成。

工作時(shí)，將棗果收集裝置布置于樹根四周，機(jī)架的4個(gè)支腳插入地下，使整機(jī)固定于樹旁，夾緊機(jī)構(gòu)夾緊樹干。汽油機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)作高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使酸棗棗果與樹枝分離，落入收集裝置完成采收。

2 機(jī)架有限元分析模型

2.1力學(xué)模型

4SZ-1型酸棗采收機(jī)機(jī)架力學(xué)模型如圖2所示。以其中一個(gè)固定支腳O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立右手直角坐標(biāo)系。4個(gè)支撐點(diǎn)分別為約束點(diǎn)。外載荷主要為汽油機(jī)自重、汽油機(jī)連接支撐反力、曲柄軸承座支撐反力和滑塊軸承座支撐反力等。

4SZ-1型酸棗采收機(jī)傳動(dòng)部件是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可選定滑塊位于兩極限位置作為機(jī)架有限元靜力學(xué)分析的工作狀態(tài)[10]。如圖3所示，當(dāng)滑塊4位于最遠(yuǎn)端時(shí)，設(shè)為工況a；當(dāng)滑塊4位于最近端時(shí)，設(shè)為工況b。

不同的工況下機(jī)架所受載荷數(shù)據(jù)也不同，根據(jù)機(jī)構(gòu)曲柄以1 200 rmin運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，獲取機(jī)架所受外載荷數(shù)據(jù)，如表1所示[4]。

表1 機(jī)架所受外載荷

2.2幾何模型

根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，利用ANSYS Workbench建立機(jī)架有限元幾何模型，結(jié)果如圖4所示。

2.3有限元分析模型

機(jī)架分析的有限元模型如圖5所示[11]。網(wǎng)格劃分結(jié)果為252 632個(gè)節(jié)點(diǎn)、131 580個(gè)四面體單元，全局單元尺寸設(shè)定為3 mm。

3 機(jī)架有限元靜力學(xué)分析

3.1機(jī)架材料參數(shù)

機(jī)架材料參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)架材料力學(xué)性能

3.2邊界條件處理

根據(jù)機(jī)架力學(xué)模型的簡化結(jié)果，位移邊界條件為4個(gè)支腳部位，設(shè)定6個(gè)位移分量為0。載荷邊界條件的處理根據(jù)靜力等效原則將實(shí)際載荷移置到支座連接孔處，如圖2所示[12-14]。不同工況下載荷移置結(jié)果不同，移置結(jié)果如表3、表4所示。

表3 工況a時(shí)載荷移置數(shù)據(jù)

表4 工況b時(shí)載荷移置數(shù)據(jù)

邊界條件處理后，通過軟件可直觀體現(xiàn)機(jī)架的載荷添加情況和約束情況，處理結(jié)果如圖6、圖7所示[15-16]。

3.3計(jì)算結(jié)果和分析

通過軟件內(nèi)置求解器進(jìn)行求解運(yùn)算，得出求解結(jié)果并進(jìn)行結(jié)果后處理，獲取機(jī)架在不同工況下位移、應(yīng)力和應(yīng)變變化云圖[17-19]。工況a的后處理結(jié)果如圖8～10所示，工況b的后處理結(jié)果圖11～13所示。

工況a位移云圖表明，機(jī)架滑塊軸承座固定處外下方存在z軸負(fù)方向位移變化較大，其值為0.285 3 mm，滑塊導(dǎo)軌連接座厚度遠(yuǎn)大于機(jī)架鋼板厚度，不影響滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)正常工作[20-21]。曲柄支撐板頂端內(nèi)側(cè)位移較大，其值為0.499 4 mm，此處距離曲柄軸承安裝位置較遠(yuǎn)，不影響軸承正常工作。

工況a應(yīng)力云圖表明，機(jī)架滑塊軸承座固定處外下側(cè)(螺栓孔5、6處)和機(jī)架曲柄軸承座下方的應(yīng)力水平較高。機(jī)架正前方滑塊導(dǎo)軌固定處外側(cè)角鋼邊緣存在應(yīng)力極值，其值為239.63 MPa，小于機(jī)架材質(zhì)屈服極限，其他部位應(yīng)力極小且分布均勻，約為3.8×10-4MPa。

鑒于機(jī)架是同一材質(zhì)的板材和型材組成焊接式結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變發(fā)生部位和大小與其應(yīng)力變化呈正相關(guān)，機(jī)架正前方滑塊導(dǎo)軌固定處外側(cè)的角鋼邊緣存在應(yīng)變極值，其值為0.001 3，其他區(qū)域應(yīng)變極小且分布均勻，忽略不計(jì)，約為1.96×10-9。

工況b位移云圖表明，機(jī)架支撐平面中心(螺栓孔6、8、10處附近)z軸負(fù)方向位移變化較大，其值為0.473 2 mm，滑塊軸承座厚度遠(yuǎn)大于機(jī)架鋼板厚度，不影響滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)正常工作。曲柄支撐板頂端邊緣存在位移變化極值，其值為0.946 4 mm，該部位距離曲柄軸承安裝位置較遠(yuǎn)，不影響軸承正常工作。

工況b應(yīng)力云圖表明，機(jī)架滑塊導(dǎo)軌固定處側(cè)方和機(jī)架支撐平面(螺栓孔12處附近)應(yīng)力水平較高。機(jī)架右側(cè)滑塊導(dǎo)軌固定處角鋼邊緣存在應(yīng)力極值，其值為200.05 MPa，小于機(jī)架材質(zhì)屈服極限，其他部位應(yīng)力極小且分布均勻，約為3.8×10-4MPa。

鑒于機(jī)架是同一材質(zhì)的板材和型材組成焊接式結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變發(fā)生部位和大小與其應(yīng)力變化呈正相關(guān)，機(jī)架右側(cè)滑塊軸承座固定處角鋼邊緣存在應(yīng)變極值，其值為0.001 2，其他區(qū)域應(yīng)變極小且分布均勻，忽略不計(jì)，約為1.91×10-9。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)靜力學(xué)等效原則，完成不同工況時(shí)的載荷移置。確定了曲柄滑塊式搖樹機(jī)構(gòu)在曲柄工作轉(zhuǎn)速為1 200 rmin，滑塊運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)極限位置時(shí)機(jī)架受力，并將其作為邊界條件添加在有限元分析模型上，為機(jī)架有限元分析提供基礎(chǔ)參數(shù)。

(2)4SZ-1型酸棗采收機(jī)機(jī)架在滑塊運(yùn)動(dòng)到機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)端位置時(shí)，應(yīng)力范圍為3.8×10-4～239.63 MPa，應(yīng)變范圍為1.96×10-9～1.3×10-3，位移變化范圍為0～0.499 4 mm，應(yīng)力極值小于機(jī)架材質(zhì)屈服極限，滿足機(jī)具正常工作的剛度和強(qiáng)度要求。

(3)4SZ-1型酸棗采收機(jī)機(jī)架在滑塊運(yùn)動(dòng)到機(jī)構(gòu)近端位置時(shí)，應(yīng)力范圍為3.8×10-4～200.05 MPa，應(yīng)變范圍為1.91×10-9～1.2×10-3，位移變化范圍為0～0.946 4 mm，應(yīng)力極值小于機(jī)架材質(zhì)屈服極限，滿足機(jī)具正常工作的剛度和強(qiáng)度要求。

根據(jù)靜力學(xué)等效原則，完成了不同工況時(shí)的載荷移置，通過ANSYS Workbench軟件分析4SZ-1型酸棗采收機(jī)機(jī)架在不同工況下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變情況，既是對(duì)機(jī)架剛度和強(qiáng)度的校核計(jì)算，也是為今后機(jī)型的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有力支撐。