基于有限元法對多自由度劍麻收割機(jī)的分析與實(shí)驗(yàn)

董 振，孟 強(qiáng)，蘆 迪，黎毓鵬，葉自旺

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

劍麻為硬質(zhì)纖維制造業(yè)的主要原料，在現(xiàn)行高速發(fā)展的工業(yè)促進(jìn)下，需求量極大，但劍麻自身帶刺且硬度較大，使得收割成為困難。為此，本實(shí)驗(yàn)室研究出了多自由度劍麻收割機(jī)的機(jī)械。雖然該機(jī)械進(jìn)行試制后已經(jīng)可以保證其使用功能的實(shí)現(xiàn)，但對該機(jī)械中零件的安全系數(shù)及使用壽命還是未知，對機(jī)器的商品化成為阻礙。

為此，本實(shí)驗(yàn)是先運(yùn)用實(shí)體實(shí)驗(yàn)對多自由度劍麻收割機(jī)的工況進(jìn)行測量，得到該機(jī)械的工況參數(shù)，再運(yùn)用ANSYS Workbench基于有限元法對其進(jìn)行虛擬仿真，對其零部件進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析，以便得到多自由度劍麻收割機(jī)的使用安全系數(shù)以及使用壽命。通過實(shí)體試驗(yàn)和ANSYS Workbench有限元分析法大幅度地降低了檢驗(yàn)時(shí)間和檢驗(yàn)成本。

1 多自由度劍麻收割機(jī)的實(shí)體檢測

1)對多自由度劍麻收割機(jī)的工況進(jìn)行測量。通過轉(zhuǎn)速傳感器可以測得多自由劍麻收割機(jī)在空負(fù)荷條件下的轉(zhuǎn)速為1 200r/min，在與劍麻相接觸時(shí)，因克服劍麻口的摩擦力而使得轉(zhuǎn)速下降至800r/min左右。因此，多自由度劍麻收割機(jī)的工作電機(jī)轉(zhuǎn)速可以近似地取n=800r/min。通過測力計(jì)緩慢拉動(dòng)在劍麻葉中的刀具，發(fā)現(xiàn)測力計(jì)在30～50N的范圍進(jìn)行波動(dòng)，為保證機(jī)械的安全性和壽命的檢測，可取測量過程中的極大值為劍麻收割機(jī)的工作負(fù)荷，即F=50N。

2)對多自由度劍麻收割機(jī)的零件幾何尺寸進(jìn)行測量。首先，通過在刀具涂抹顏料，可以測得刀具在工作過程的接觸面的面積為S=8.29×10-5m2；通過在嚙合齒輪齒面涂粉，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以知道在多自由建模收割機(jī)工作中，嚙合齒數(shù)為2 。

多自由度劍麻收割機(jī)的實(shí)物拍攝，如圖1所示。

圖1 多自由度建模收割機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Multi degree of freedom model combine physical figure

2 刀具強(qiáng)度與疲勞分析

2.1 刀具仿真模型的確定

首先，根據(jù)刀具的實(shí)際尺寸，用UG建立三維模型，再導(dǎo)入ANSYS Workbench中創(chuàng)建網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 刀具網(wǎng)格模型圖Fig.2 Cutter grid model diagram

創(chuàng)建靜力學(xué)模型，首先以刀具頂端為固定約束創(chuàng)建約束，由壓強(qiáng)公式可得刀具在切割過程中摩擦力所形成的負(fù)荷，即

(1)

因此，可在刀具刀面施加一個(gè)大小為P的壓強(qiáng)，為此創(chuàng)建刀具的載荷力。

最后完成刀具的仿真模型，并對刀具的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行仿真求解，以便得到刀具的安全系數(shù)云圖和壽命云圖，并對刀具進(jìn)行分析。

2.2 刀具應(yīng)力與應(yīng)變分析

1)由以上的靜力學(xué)模的仿真結(jié)果可得到刀具的應(yīng)力云圖如3所示。

圖3 刀具引力云圖Fig.3 Cutting tool cloud gravity

由刀具的應(yīng)力云圖可知：在刀具工作過程中最大應(yīng)力為4.393 1×106Pa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa。由此可知，刀具在工作過程中是安全的。

2)由以上的靜力學(xué)模的仿真結(jié)果可得到刀具的應(yīng)變云圖如4所示。

圖4 刀具應(yīng)變云圖Fig.4 Tool strain contours

由刀具的應(yīng)變云圖可知：在刀具工作過程中最大應(yīng)變?yōu)?.822×10-6m，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m。由此可知，刀具在工作過程中是安全的。

2.3 刀具安全系數(shù)與壽命分析

1)由以上的刀具應(yīng)變云圖和刀具應(yīng)力云圖可以得到刀具的安全系數(shù)云圖，如圖5所示。

圖5 刀具安全系數(shù)云圖Fig.5 Cloud tool safety coefficient

由刀具安全系數(shù)云圖可知：刀具在工作過程中的最小安全系數(shù)為15，與機(jī)械設(shè)計(jì)最大安全系數(shù)相等，可知刀具在工作過程中是過安全的。

2)對上述模型進(jìn)行疲勞分析，可以得到刀具在所規(guī)定的工況下的使用壽命，如圖6所示。

由圖6可知：刀具在規(guī)定工況下的最小循環(huán)次數(shù)為1×106。由機(jī)械設(shè)計(jì)可知，刀具可進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞曲線的無限壽命階段，即可以認(rèn)為刀具使用壽命是良好的。

圖6 刀具使用壽命云圖Fig.6 The service life of the cutter cloud

3 大齒輪強(qiáng)度與疲勞分析

3.1 大齒輪仿真模型的確定

首先建立三維模型，通過UG可進(jìn)行大齒輪的三維造型的建立，然后倒入ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格處理，得到仿真需要的三維模型，如圖7所示。

圖7 大齒輪網(wǎng)格圖Fig.7 Big gear meshes

建立力學(xué)模型。由實(shí)體試驗(yàn)可知，大齒輪在嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，嚙合齒數(shù)為2；且由于為錐齒輪，等效力矩有計(jì)算難度，所以采取逆向分析，即以嚙合齒面為固定約束，以安裝孔面為載荷負(fù)載。

由刀具所受到的摩擦力為F，且刀具半徑R為8cm，由扭矩守恒定力可知，在大齒輪安裝孔面的轉(zhuǎn)矩M為

M=F·R=4N·m

(2)

則在大齒輪安裝孔面施加大小等于M的轉(zhuǎn)矩即完成力學(xué)模型的建立。

最后，完成大齒輪的仿真模型，并對大齒輪的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行仿真求解，以便得到大齒輪的安全系數(shù)云圖和壽命云圖，并對大齒輪進(jìn)行分析。

3.2 大齒輪應(yīng)力與應(yīng)變分析

1)由以上的靜力學(xué)模的仿真結(jié)果可得到大齒輪的應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 大齒輪應(yīng)力云圖Fig.8 Big gear stress nephogram

由大齒輪的應(yīng)力云圖可知：在大齒輪工作過程中最大應(yīng)力為8.104 8×107Pa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa。由此可知，大齒輪在工作過程中是安全的。

2)由以上的靜力學(xué)模的仿真結(jié)果可得到大齒輪的應(yīng)變云圖如圖9所示。

圖9 大齒輪應(yīng)變圖Fig.9 Big gear strain diagram

由大齒輪的應(yīng)變云圖可知：在大齒輪工作過程中最大應(yīng)變?yōu)?.339 2×10-5m，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m。由此可知，大齒輪在工作過程中是安全的。

3.3 大齒輪安全系數(shù)與壽命分析

1)由以上大齒輪應(yīng)變云圖和大齒輪應(yīng)力云圖可以得到大齒輪的安全系數(shù)云圖，如圖10所示。

由大齒輪安全系數(shù)云圖可知：在工作過程中，大齒輪的最小安全系數(shù)為1.063 6，雖然沒有達(dá)到最大安全系數(shù)，但是在極限符合的條件下，依舊有大于1的安全系數(shù)，可取。

2)對上述靜力學(xué)模型進(jìn)行疲勞分析，可以得到大齒輪在所規(guī)定的工況下的使用壽命，如圖11所示。

圖10 大齒輪安全系數(shù)云圖Fig.10 Big gear safety coefficient of cloud

圖11 大齒輪壽命云圖Fig.11 Big gear cloud service life

由大齒輪壽命云圖可知：大齒輪在極限工況下，大齒輪的最小循環(huán)次數(shù)為1×106。雖然大齒輪的最小安全系數(shù)沒有達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)的最大安全系數(shù)，但大齒輪的最小使用壽命依舊達(dá)到了機(jī)械設(shè)計(jì)的無限壽命階段，可以認(rèn)為大齒輪的壽命是良好的。

4 小齒輪強(qiáng)度與疲勞分析

4.1 小齒輪仿真模型的確定

首先建立三維模型，通過UG可進(jìn)行小齒輪的三維造型的建立，然后倒入ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格處理，得到仿真需要的三維模型，如圖12所示。

建立力學(xué)模型，由實(shí)體試驗(yàn)可知，小齒輪在嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，嚙合齒數(shù)也為2；并且齒數(shù)比可知，小齒輪與大齒輪的傳動(dòng)比為i=2。由齒輪傳遞規(guī)律可知，小齒輪的傳遞扭矩為

(3)

與齒輪的分析條件一樣，也采用逆向的分析方法，即采用相嚙合的兩個(gè)齒面為固定面，構(gòu)成固定約束，在小齒輪的安裝孔面上施加大小為M'的力矩構(gòu)成載荷。

最后，完成小齒輪的仿真模型，并對小齒輪的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行仿真求解，以便得到小齒輪的安全系數(shù)云圖和壽命云圖，并對小齒輪進(jìn)行分析。

圖12 小齒輪網(wǎng)格圖Fig.12 A small gear meshes

4.2 小齒輪應(yīng)力與應(yīng)變分析

1)由以上的靜力學(xué)模的仿真結(jié)果可得到小齒輪的應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖13 小齒輪應(yīng)力云圖Fig.13 Small gear stress nephogram

由小齒輪的應(yīng)力云圖可知：小齒輪在極限工況下工作過程中最大應(yīng)力為9.560 8×107Pa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa。由此可知，小齒輪在工作過程中是安全的。

2)由以上的靜力學(xué)模的仿真結(jié)果可得到大齒輪的應(yīng)變云圖如圖14所示。

由小齒輪的應(yīng)變云圖可知：小齒輪在極限工況下工作過程中最大應(yīng)變?yōu)?.242 5×10-6m，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m。由此可知，大齒輪在工作過程中是安全的。

4.3 小齒輪安全系數(shù)與壽命分析

1)由以上小齒輪應(yīng)變云圖和小齒輪應(yīng)力云圖可以得到小齒輪的安全系數(shù)云圖，如圖15所示。

圖14 小齒輪應(yīng)變圖Fig.14 Pinion strain diagram

圖 15 小齒輪安全系數(shù)云圖Fig.15 Cloud pinion safety coefficient

由小齒輪安全系數(shù)云圖可知：在工作過程中，大齒輪的最小安全系數(shù)為0.901 6，雖然安全系數(shù)比1小，但是安全系數(shù)近似的等于1；同時(shí)，多自由度劍麻收割機(jī)并不是一直處在極限工況下，而是只有極少數(shù)的情況才會達(dá)到，所以小齒輪的安全系數(shù)也是符合設(shè)計(jì)要求的。

2)對上述靜力學(xué)模型進(jìn)行疲勞分析，可以得到小齒輪在所規(guī)定的工況下的使用壽命，如圖16所示。

圖16 小齒輪壽命云圖Fig.16 Pinion cloud service life

由小齒輪壽命云圖可知：小齒輪在極限工況條件下的最小循環(huán)次數(shù)為5.507 9×105，為機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞曲線中的有限壽命階段?？紤]到多自由劍麻收割機(jī)不會長時(shí)間的工作在極限，只是在極小的時(shí)間段，為此小齒輪的使用壽命會得到延長，并接近于無限壽命階段。但可以確定的是，在多自由度劍麻收割機(jī)中，最先可能更換的零件為小齒輪。

5 多自由度劍麻收割機(jī)實(shí)質(zhì)實(shí)驗(yàn)

因劍麻種植的方式有大田種植和山地種植兩種方式，且因?yàn)榉N植方式的不一樣，劍麻生長特性有所不一，則有因自由度劍麻收割機(jī)的電機(jī)魯棒特性及其機(jī)械設(shè)備因地形的限制的移動(dòng)特性的不一致，而表現(xiàn)出不一樣的工作性能。

5.1 山地種植特性分析

對于在廣西等以山地種植為主的種植方式生長的劍麻，其應(yīng)種植收到地理環(huán)境的影響和氣候的影響較大，有以下特點(diǎn)：

1)種植地表不平整，且種植的間距較大，對機(jī)械移動(dòng)特性提出挑戰(zhàn)，并降低了收割效率。

種植的劍麻因受到氣候的影響較大，人為干預(yù)較少，劍麻的生長環(huán)境較為偽劣，所以劍麻的硬度較大，使得機(jī)械工作的條件惡劣，并且降低了機(jī)械的收割速率。

因?yàn)樯降胤N植，土壤人工干預(yù)較少，相對比較貧瘠，劍麻生長條件惡劣，使得劍麻長勢相對稀疏且較短，降低了機(jī)械的收割效率。

5.2 大田種植特性分析

海南等地區(qū)以大田種植的方式為主，生長環(huán)境受到的人為干預(yù)較多，其主要的特性如下：

1)種植的地表十分的平整，所以種植間隔等距且間隔較小。由于為有規(guī)律的條形種植，有利于機(jī)械的移動(dòng)，縮短了機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間，相應(yīng)地挺高了機(jī)械收割效率。

2)由于種植土壤條件受到人為干預(yù)較多，土壤條件相對較為均勻，劍麻的長勢相對均衡，縮短了多自由劍麻收割機(jī)的自由度調(diào)整的次數(shù)和調(diào)整時(shí)間，提高可多自由度建模收割機(jī)的收割效率。

3)因土壤常年?duì)I養(yǎng)充足，劍麻長勢較好，單顆生長較為茂盛，提高了多自由度劍麻收割機(jī)的收割效率。

4)因大田種植土壤的蓄水量受到人為的干預(yù)，波動(dòng)范圍較小，劍麻硬度角度，提高了收割速率。

5)因大田種植整體的工作條件相對友好，對多制度劍麻收割機(jī)的使用壽命有大幅度提高。

5.3 劍麻收割的實(shí)質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為確定兩種不同的種植方式的劍麻收割機(jī)的工作表現(xiàn)，本文將以廣西和海南地區(qū)的一塊試驗(yàn)地進(jìn)行實(shí)質(zhì)檢測，其測試結(jié)果如表1所示。

表1 多自由度建模收割機(jī)工作特性

6 結(jié)論

通過運(yùn)用實(shí)體試驗(yàn)對多自由度劍麻收割機(jī)的工況進(jìn)行測量，得到該機(jī)械的工況參數(shù)，再運(yùn)用ANSYS Workbench基于有限元法對其進(jìn)行虛擬仿真，對其零部件進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析相結(jié)合的方法，對多自由度劍麻收割機(jī)的三大可能有安全系數(shù)和壽命問題的零件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)均具有一定的安全余量和良好的壽命。即在極限工況下達(dá)到或者接近材料無限壽命階段；并從中得出，若長時(shí)間工作在極限工況下，最有可能出現(xiàn)更換要求的零件是小齒輪。

通過試驗(yàn)可知：多自由度劍麻收割機(jī)對兩種種植方式都有較好的適應(yīng)，并且都有良好的工作表現(xiàn)，有較高的收割效率以及較小的機(jī)械磨損，同時(shí)表現(xiàn)出較好的設(shè)計(jì)可靠性。

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