W型香菇培育裝置結構有限元分析

盧澤民 王 銳 廖 劍 高星星 龐雄斌 舒虹杰 羅 欣

(武漢市農業(yè)科學院，湖北 武漢 430000)

1 W型香菇培育裝置結構簡介

W型香菇培育裝置主要由機架、電動機、主傳動部件、從傳動部件、循環(huán)鏈條、吊籃(等節(jié)距排列)、張緊調節(jié)機構、過渡鏈輪、托輪等組成，圖1為一個八列的W型香菇培養(yǎng)裝置示意圖。設備動力驅動裝置包括電動機、變頻器、擺線針輪減速機、鏈輪鏈條等組成，通過鏈傳動使吊籃循環(huán)運轉。開機后，在動力驅使下，掛在橫向兩側循環(huán)鏈條銷軸上的吊籃緩慢地隨著鏈條在機架框架空間內前后上下作立體循環(huán)往復運動。裝卸區(qū)域一般設置于機架縱向前端(布置電動機的一端)。在進行菌棒裝卸作業(yè)或菇類采集時，要求作業(yè)人員在裝卸區(qū)域進行作業(yè)。

1-主傳動部件；2-電動機；3-循環(huán)鏈條；4-機架；5-吊籃；6-過渡鏈條；7-從傳動部件；8-張緊調節(jié)螺桿；9-托輪圖1 W型香菇培育裝置

2 W型香菇培育裝置結構機架的分析與研究

2.1 機架的結構設計

W型香菇培育裝置機架由立體框架結構組成，基本尺寸為15800mm×3690mm×4040mm，主要包括立柱、橫梁、縱梁、加強桿(梁)等組成，機架主要承受吊籃及其承載物香菇的重力載荷，圖2為W型香菇培養(yǎng)裝置機架立體三維圖。框架材料為矩形鋼管，相對于其材料厚度尺寸而言，機架部件屬于大跨度柔性結構，且其受到重載的影響，因此，需要分析其強度和剛度，驗算使用的安全性和可靠性，為設計和優(yōu)化提供重要的依據[2]。

圖2 W型香菇培育裝置機架立體三維圖

2.2 機架有限元模型建立

在solidworks環(huán)境下進行建模，生成ansys workbench可識別文檔，導入ansys workbe nch軟件中進行有限元分析，能夠有效實現三維軟件與分析計算軟件之間的數據共享和自動轉換。在生成的集合模型上直接選擇材料屬性、劃分網格、添加約束和載荷并進行求解[3]等。

圖3 三維簡化模型

(1)在solidworks中建立三維模型，W型香菇培育裝置機架可由多列組成，分析過程中，為了減少建模和分析計算時間，本文以五例機架為研究對象；同時，對模型進行合理地簡化處理，忽略一些局部特征[4]，得到三維簡化模型如圖3所示。

(2)將三維模型導入ansys workbench中，定義機架的材料屬性，機架材料為普通碳鋼，在軟件中將材料設置為structural steel。從材料手冊中查得其彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，材料密度為7800kg/m3，屈服強度為σ=220MPa。

(3)定義邊界條件，在有限元靜力分析過程中，必須采用足夠的約束穩(wěn)定模型，在本文中，底梁與地面固定，自由度約束為零，選擇2根底梁的2個面，對底部進行固定約束，如圖4所示。

圖4 定義邊界條件

添加載荷，對機架施加載荷，通過簡化模型，機架鏈條上承受吊籃及其香菇重量的載荷，將此載荷施加在過渡軸上，相當于集中力載荷加載在此處，根據計算可得，每處承受16000N豎直載荷(圖5)。

圖5 添加載荷

對機架進行劃分網格，網格劃分時，單元的多少影響運算速度和結果精度。本文對機架進行實體網格劃分[5]，采用高精度網格單元，節(jié)點數為378736個，單元總數為97892個。機架網格劃分模型如圖6所示。

圖6 網格劃分

2.3 有限元的求解和分析

通過建模、定義邊界調節(jié)、劃分網格及施加載荷以后，在ansys workbench中選擇運行選項，進行靜力學分析，經過ansys workbench分析計算[5]，最后得到機架的等效變形云圖和等效應力云圖，如圖7和8所示。

圖7 等效應力云圖

從圖7等效應力云圖中可以得出，立柱頂端處應力最大，最大等效應力為48.75MPa，小于許用應力[σ]=220MPa。從圖8等效變形云圖中可以得出，立柱中間靠上處變形最大，最大等效變形為5.96mm，小于設計變形量[V]=8mm。從圖中分析可得，當機架承受載荷時，機架應力和變形在設計的工作強度和剛度范圍內，保證了使用的安全性和可靠性。

圖8 等效變形云圖

3 W型香菇培育裝置機架結構改進與優(yōu)化

根據圖2和圖3可以看出，機架結構內部缺少雙邊加強斜撐件，主要考慮鏈條帶動吊籃循環(huán)運動時與雙邊加強斜撐件的空間距離太小，但此結構使得機架框架結構變形稍大、穩(wěn)定性差，故后期改進在機架內部增加了單邊拉桿；同時，為了使得機架整體性能更好，在變形最大處增加了2根整圈圈梁，如圖9所示。

圖9 W型香菇培育裝置機架改進和優(yōu)化立體三維圖

通過同樣的有限元分析，得到改進機架的等效應力云圖和等效變形云圖，如圖10和11所示。從圖10等效應力云圖中可以得出，立柱頂端處應力最大，最大等效應力為41.325MPa，小于許用應力[σ]=220MPa，且小于改進前的最大等效應力48.75MPa。從圖11等效變形云圖中可以得出，頂梁中間的橫撐變形最大，最大等效變形為2.72mm，小于設計變形量[v]=8mm，且小于改進前的最大等效變形5.96mm。從圖中分析可得，改進和優(yōu)化的機架結構更加合理，更能滿足使用的安全性和可靠性。

圖10 等效應力云圖

圖11 等效變形云圖

4 結語

運用solidworks/ansys workbench三維建模和有限元分析方法，對W型香菇培育裝置機架進行了靜力學分析，研究了受力狀態(tài)下機架的應力和變形，并通過結構改進和優(yōu)化，對機架結構進行了合理設計與完善，更加滿足其強度和剛度要求，保證了使用的安全性和可靠性，同時也為后期進一步優(yōu)化設計與改進提供了參考依據。