柳香雅

（濰坊科技學(xué)院，山東濰坊262700）

基于ANSYS微型電動(dòng)旋耕機(jī)車架的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

柳香雅

（濰坊科技學(xué)院，山東濰坊262700）

給出一種微型電動(dòng)旋耕機(jī)設(shè)計(jì)思路，探討了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)確定方法，利用UG軟件建立了旋耕機(jī)車架的三維模型，基于ANSYS Workbench對(duì)車架的剛度和靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了分析以及模態(tài)分析，把結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用結(jié)果對(duì)比，證明設(shè)計(jì)是安全可行的。

微型電動(dòng)旋耕機(jī)；車架；設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

隨著農(nóng)作物大棚種植面積的增加，以及小區(qū)、別墅綠化需求的增長(zhǎng)，對(duì)于小面積地塊使用耕作機(jī)械的要求也日益增加。當(dāng)前市場(chǎng)上的微耕機(jī)，其結(jié)構(gòu)類似于手扶式的拖拉機(jī)，特別是使用燃油作為動(dòng)力的微耕機(jī)，在使用時(shí)噪音大，還有較多的廢氣排放出來(lái)，對(duì)大棚及小區(qū)、別墅的使用環(huán)境帶來(lái)了較多的不利因素[1]。因此，電動(dòng)微耕機(jī)的市場(chǎng)需求越來(lái)越大。針對(duì)這種情況，文中提出了一種適合用于農(nóng)作物大棚、高檔小區(qū)、別墅綠化耕作的無(wú)污染、高效率、低噪音的四輪電動(dòng)微耕機(jī)，并利用三維軟件結(jié)合有限元軟件對(duì)車架進(jìn)行了建模，做了靜態(tài)和模態(tài)分析。

1 微型電動(dòng)旋耕機(jī)的整體設(shè)計(jì)概述

1.1 電動(dòng)旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)原則

微型電動(dòng)旋耕機(jī)的整體設(shè)計(jì)需要循的以下原則：

（1）考慮大棚及小面積的作業(yè)的空間要求，轉(zhuǎn)向性良好，操作方法簡(jiǎn)單、靈活。

（2）考慮環(huán)境保護(hù)要求，需要采用新的工藝、材料及結(jié)構(gòu)原理，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理、操作使用、維護(hù)更加方便可靠、效率高，能源消耗低。

（3）要充分考慮機(jī)械產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化等基本問(wèn)題。

（4）產(chǎn)品力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量更輕、機(jī)動(dòng)性好。

1.2 電動(dòng)旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)

該電動(dòng)微耕機(jī)由車架部分、電源動(dòng)力部分、旋耕刀及工作裝置、調(diào)節(jié)耕深部分及整體控制部分及組成。其中，電源驅(qū)動(dòng)部分由兩個(gè)電機(jī)和兩組鋰電池組組成，兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)輪轂和旋耕刀，各自有一組鋰電池組供電，作為微耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)及耕作的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)通過(guò)輪胎內(nèi)安裝的無(wú)刷永磁直流輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)；旋耕刀工作裝置由擋泥板、變速箱、旋耕刀及安裝軸等組成，在旋耕刀電機(jī)通電時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)變速箱把轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞給旋耕刀安裝軸，帶動(dòng)旋耕刀實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)耕作運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)旋起來(lái)的泥土由擋泥板擋住，防止泥土的飛濺和揚(yáng)塵；調(diào)節(jié)耕深裝置是利用了電動(dòng)絲桿滑臺(tái)的原理，配合旋耕刀連接板實(shí)現(xiàn)，在車架上安裝絲杠滑臺(tái)，調(diào)整滑塊高度可以改變旋耕刀的高度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制微耕機(jī)耕深的目的；控制裝置主是控制箱內(nèi)的主控制器。

具體的工作原理如圖1所示，在微耕機(jī)只行走，不需要旋耕作業(yè)的情況下，主控制器只需要給行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的直行、轉(zhuǎn)向等基本動(dòng)作；在微耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，主控制器同時(shí)給旋耕刀驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)和耕深調(diào)節(jié)電機(jī)供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)行走、耕作和調(diào)節(jié)耕深的功能，滿足作業(yè)要求。

圖1 微型電動(dòng)旋耕機(jī)的工作原理示意圖

由于本設(shè)計(jì)是電動(dòng)微耕作業(yè)設(shè)備，機(jī)器本身的體積、重量不大，消耗的功率也不高，特別是，一般的農(nóng)作物大棚或別墅、小區(qū)的耕作空間也比較小，所以，本機(jī)器的旋耕作業(yè)基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 微型電動(dòng)旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

2 電動(dòng)旋耕機(jī)主要參數(shù)計(jì)算

由于微耕機(jī)在進(jìn)行旋耕作業(yè)，行駛速度低，只需考慮滾動(dòng)阻力所消耗的功率即可[2]。電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)受力分析如圖2所示。

圖2 微耕機(jī)旋耕作業(yè)時(shí)受力分析圖

在圖2中：G為電動(dòng)微耕機(jī)整機(jī)重量（N），作用在質(zhì)心位置（a，h）處；V為旋耕機(jī)耕作時(shí)的平均速度（km/h）；Fq為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力（N）；Ff為前進(jìn)時(shí)的阻力（N）；FN為地面的支持力（N）.

由圖2可知，電機(jī)輸出功率主要是用來(lái)克服前進(jìn)阻力，因此，輸出功率比前進(jìn)阻力大，可由以下公式[3]求得。

式（1）中：PN2為電機(jī)功率（W）；V為行駛速度（km/h），一般為1.08 km/h；ηN為電機(jī)到驅(qū)動(dòng)軸的效率，一般可取0.9；β為電機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)，取β=1.3.

耕作時(shí)的前時(shí)阻力Ff為工作阻力水平方向上分力，計(jì)算公式為：

式（2）中：F為驅(qū)動(dòng)輪在地面上的摩擦阻力系數(shù)，一般可以取為0.12.

行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，主要考慮電動(dòng)微耕機(jī)的離地間隙至少為15 cm，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，故最終選擇15尺寸額定功率為350 W的輪轂電機(jī)。旋耕刀電機(jī)的選擇，主要考慮質(zhì)量輕、可靠性高、效率高等因素，因此選擇在這些方面性能都比較優(yōu)越的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

作為當(dāng)前主流的電池品種，鋰離子電池具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，在使用壽命、質(zhì)量、工作效率等多方面都要優(yōu)于其他電池，所以，旋耕機(jī)電池選用鋰離子電池作為電機(jī)電源。

3 旋耕機(jī)車架的建模

3.1 電動(dòng)旋耕機(jī)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)旋耕機(jī)車架進(jìn)行分析，利用UG軟件建立模型，再導(dǎo)入到ANSYS Workbench有限元分析軟件中，對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析研究電動(dòng)微耕機(jī)車架的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，同時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析。

車架結(jié)構(gòu)分為承重和非承重兩部分區(qū)域，承重部分對(duì)控制器、電池和耕深調(diào)節(jié)裝置起著承重作用，非承重部分主要起到連接、固定作用。車架由鍍鋅方管焊接而成，方管的規(guī)格為40 mm×40 mm×3 mm，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)旋耕機(jī)車架的三維模型圖

其中，車架的兩端放置鋰電池，中間安裝絲杠滑臺(tái)，輪轂電機(jī)的底座也是通過(guò)螺栓與車架連接。

3.2 劃分網(wǎng)格并施加載荷與約束

該微耕機(jī)車架所用方管材料為Q235，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.33，楊氏模量為2.1×1011Pa.模型建立后，為了取得較好的分析結(jié)果，采用ANSYS Workbench默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分Relevance值取100，采用Medium方式關(guān)聯(lián)，網(wǎng)格尺寸設(shè)為8.通過(guò)劃分，產(chǎn)生54 266個(gè)單元，211 093個(gè)節(jié)點(diǎn)。

電動(dòng)微耕機(jī)在耕作時(shí)，車架所承受載荷分布如下：車架質(zhì)量約16 kg，鋰電池質(zhì)量為12 kg，車架后部鋰電池組質(zhì)量約為16 kg，電池的重量以均布載荷的形式施加支撐方管上。旋耕機(jī)裝置及電動(dòng)滑臺(tái)質(zhì)量約為32 kg，其質(zhì)心位置通過(guò)UG軟件獲得后，以用Remote Force（遠(yuǎn)端力）的形式施加。為了便于計(jì)算，以Fixed Support的方式對(duì)車架下面的兩根縱向方管上的螺孔加以固定。

4 微型電動(dòng)微耕機(jī)車架的力學(xué)分析

4.1 車架的強(qiáng)度和剛度分析

分析計(jì)算時(shí)，設(shè)置車架等效應(yīng)力和總變形這兩個(gè)求解項(xiàng)，進(jìn)行求解，即可得到等效應(yīng)力云圖和總變形云圖，如圖4所示。

圖4 車架的應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果

圖4 中，最大應(yīng)力位于車架中間橫向和豎向方管的焊接處，其值為3.709 MPa，遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力375 MPa，說(shuō)明強(qiáng)度滿足要求；最大變形量發(fā)生車架上面的中間橫管，其值為0.032 62 mm，變形量較小，剛度也能滿足要求。

4.2 微耕機(jī)車架的模態(tài)分析

Model（模態(tài)）分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[4]。可以在上面靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過(guò)在Model模塊中選擇Solve進(jìn)行求解，即可得到模態(tài)分析結(jié)果。各階模態(tài)云圖從略。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 車架模態(tài)分析結(jié)果

電動(dòng)微耕機(jī)在工作時(shí)的振源主要有兩個(gè)：首先是源于地面的不平整所帶來(lái)的隨機(jī)振動(dòng)，其大小取決于土質(zhì)狀況，一般可以設(shè)置為1~20 Hz；其次，是旋耕刀在碎土?xí)r帶來(lái)的振動(dòng)，旋耕刀的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為120 r/min，即頻率為2 Hz.從上面的分析可以看出，車架的最低固有頻率值為138.25 Hz，大小與車架的激勵(lì)頻率相差較大，因此不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，車架的結(jié)構(gòu)完全能夠滿足安全需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制造了一種微型電動(dòng)微耕機(jī)，對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并利用三維軟件結(jié)合有限元分析，對(duì)車架進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)分析，得出了車架夠滿足強(qiáng)度、剛度等要求；同時(shí)，車架的最小固有頻率也遠(yuǎn)超過(guò)激勵(lì)頻率，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作應(yīng)用，與上述結(jié)果完全一致。

[1]同國(guó)琦，張鐵民，徐相華．我國(guó)微耕機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（25）：11137－lll39．

[2]高蕾.棚室電動(dòng)旋耕機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[3]杜昌盛.棚室電動(dòng)微耕機(jī)設(shè)計(jì)[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]劉學(xué)林，王晶，高輝松.基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)微耕機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)與分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（14）：6557-6560.

Design of Electric Micro Tillage Frame and Mechanics Analysis

LIU Xiang-ya
（Weifang University of Science&Technology，Weifang Shangdong 262700，China）

The paper made the overall design scheme of electric micro tillage machine，and explored the calculation method of the power train of the main parameters.The electric micro tillage machine frame has been created by 3D software and the static strength、stiffness and modal analysis are conducted based on ANSYS Workbench software.Through comparing the simulation results with experiment results analysis，the electric micro tillage machine matching is safe and feasible.

electric tillage；machine frame；design and simulation analysis

S222.3

A

1672-545X（2017）06-0123-03

2017-03-18

柳香雅（1980－），女，山東平度人，講師，研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。