高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)的分析與實(shí)驗(yàn)
——基于有限元法

梁 策，孟 強(qiáng)，成 銘，謝炳光，許海浪

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

為解決甘蔗在運(yùn)輸上車均為人工作業(yè)及運(yùn)輸汽車的車廂底板高度不一的問題，設(shè)計(jì)了高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)。該機(jī)在實(shí)驗(yàn)中的效率表現(xiàn)十分優(yōu)良，為了保證高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)能夠可靠工作，需要對可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，但是通過實(shí)體測試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以本文采用有限元法對高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

本文運(yùn)用ANSYS Workbench對該機(jī)械的3件危險(xiǎn)零件進(jìn)行強(qiáng)度分析，以便得到該機(jī)械在兩種極限工況下的最大負(fù)載條件下的安全系數(shù)；同時(shí)，通過比較，取3件零件在兩種工況下的較小者為整機(jī)的安全系數(shù)，再由整體機(jī)械的安全系數(shù)來評定高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)的安全性。

1 高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)與工況分析

1.1 高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)分析

高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)主要由機(jī)架部分、動力傳輸部分、運(yùn)輸部分及高度調(diào)節(jié)部分組成，如圖1所示。由力分析可知：在高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)工作過程中，其危險(xiǎn)部件有3個(gè)，分別為運(yùn)輸架、大鏈輪和小鏈輪。所以，本文將在高度運(yùn)輸機(jī)兩種極限工位處、最大允許載荷條件下對3個(gè)危險(xiǎn)部件分別進(jìn)行強(qiáng)度分析，然后再對整機(jī)進(jìn)行安全系數(shù)評定。

1.底座 2.變速器 3.電動機(jī) 4.運(yùn)輸支架

1.2 高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)工況分析

由設(shè)計(jì)要求可知，高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)的工況如表1所示。

表1 高度可調(diào)甘蔗運(yùn)輸工況表 Table 1 Height adjustable cane transport condition tables

本文將以最大運(yùn)輸條件下的兩個(gè)極限位置為研究條件：單次運(yùn)輸載重為25kg，可調(diào)角度為45°和60°，并以45°工況為極限位置1,60°為極限位置2。

2 運(yùn)輸架的強(qiáng)度分析

2.1 極限位置1強(qiáng)度分析

2.1.1 模型的建立與工況的添加

由UG模型導(dǎo)入ANSYS Workbench模型中，選定運(yùn)輸架的材料為結(jié)構(gòu)鋼，并進(jìn)行網(wǎng)格處理，如圖2所示。設(shè)定甘蔗模型的密度，使得其質(zhì)量為25kg，添加-Z方向的重力加速度，得到極限位置1的工況的添加，最后以運(yùn)輸架與鏈條的固定點(diǎn)創(chuàng)建固定約束，完成整體的研究模型的建立。

圖2 極限位置1的研究模型

2.1.2 極限位置1的結(jié)果分析

通過以上研究模型的建立，并進(jìn)行求解，分別得到運(yùn)輸架的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖及安全系數(shù)云圖。

1)極限位置1運(yùn)輸架應(yīng)力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置1的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸架極限位置1的應(yīng)力云圖

由圖3可知：輸架極限位置1的最大應(yīng)力為141.94MPa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

2)極限位置1運(yùn)輸架應(yīng)變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置1的應(yīng)變云圖，如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸架極限位置1的應(yīng)變云圖

由圖4可知：運(yùn)輸架運(yùn)輸架極限位置1的最大應(yīng)變?yōu)?.4711×10-6m ，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

3)極限位置1運(yùn)輸架安全系數(shù)云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置1的安全系數(shù)云圖，如圖5所示。

圖5 運(yùn)輸架極限位置1的安全系數(shù)云圖

由圖5可知：運(yùn)輸架極限位置1的最小安全系數(shù)為1.764 3，即運(yùn)輸架有安全預(yù)留。

2.2 極限位置2強(qiáng)度分析

2.2.1 模型的建立與工況的添加

同理，將UG模型導(dǎo)入ANSYS Workbench模型中，選定運(yùn)輸架的材料為結(jié)構(gòu)鋼，并進(jìn)行網(wǎng)格處理，如圖6所示。設(shè)定甘蔗模型的密度，使得其質(zhì)量為25kg，添加-Z方向的重力加速度，得到極限位置2工況的添加，最后以運(yùn)輸架與鏈條的固定點(diǎn)創(chuàng)建固定約束，完成整體的研究模型的建立。

2.2.2 極限位置2的結(jié)果分析

通過以上研究模型的建立，并進(jìn)行求解，分別得到運(yùn)輸架的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及安全系數(shù)云圖。

1)極限位置2運(yùn)輸架應(yīng)力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置2的應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖6 極限位置2的研究模型

圖7 運(yùn)輸架極限位置2的應(yīng)力云圖

由圖7可知：運(yùn)輸架極限位置1的最大應(yīng)力為137.4MPa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度215～235MPa，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

2)極限位置2運(yùn)輸架應(yīng)變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置2的應(yīng)變云圖，如圖8所示。

圖8 運(yùn)輸架極限位置2的應(yīng)變云圖

由圖8可知：運(yùn)輸架運(yùn)輸架極限位置1的最大應(yīng)變?yōu)?.520 5×10-6m，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

3)極限位置2運(yùn)輸架安全系數(shù)云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置2的安全系數(shù)云圖，如圖9所示。

圖9 運(yùn)輸架極限位置2的安全系數(shù)云圖

由圖9可知：運(yùn)輸架極限位置1的最小安全系數(shù)為1.819 5，即運(yùn)輸架有安全預(yù)留。

2.3 運(yùn)輸架安全系數(shù)的確定

由以上兩種極限位置可知：取其中較小的安全系數(shù)為運(yùn)輸架的安全系數(shù)，即運(yùn)輸架的安全系數(shù)為1.764 3。

3 大鏈輪的強(qiáng)度分析

在高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)工作過程中，大鏈輪與鏈條都是與鏈條運(yùn)動方向相垂直的接觸受力面承受的力有瞬間最大值，近似地可看成是所帶載荷的力，所以只需研究瞬間承受最大壓力的垂直面即可。

3.1 模型的建立與工況的添加

將UG模型導(dǎo)入ANSYS Workbench模型中，選定大鏈輪的材料為結(jié)構(gòu)鋼，并進(jìn)行網(wǎng)格處理，如圖10所示。以大鏈輪安裝孔的內(nèi)壁為固定面形成約束，以其中一個(gè)齒的齒面為受力面，施加與25kg甘蔗的重力相等的力為載荷，完成大鏈輪的工況模型。

圖10 大鏈輪網(wǎng)格圖

3.2 大鏈輪結(jié)果分析

通過以上研究模型的建立，并進(jìn)行求解，分別得到大鏈輪的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及安全系數(shù)云圖。

1)大鏈輪應(yīng)力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下大鏈輪的應(yīng)力云圖，如圖11所示。

圖11 大鏈輪應(yīng)力云圖

由圖11可知：大鏈輪的最大應(yīng)力為28.384MPa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

2)大鏈輪應(yīng)變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下大鏈輪的應(yīng)變云圖，如圖12所示。

圖12 大鏈輪應(yīng)變云圖

由圖12可知：大鏈輪的最大應(yīng)變?yōu)?.188 7×10-6m，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，大鏈輪在工作過程中是安全的。

3)大鏈輪安全系數(shù)云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下大鏈輪的安全系數(shù)云圖，如圖13所示。

由圖13可知：大鏈輪的最小安全系數(shù)為3.037，即大鏈輪有安全預(yù)留。

3.3 大鏈輪安全系數(shù)的確定

由上結(jié)果分析可知，在任意角度下，在最大載荷條件下 ，大鏈輪的安全系數(shù)均為3.037。

圖13 大鏈輪安全系數(shù)云圖

4 小鏈輪的強(qiáng)度分析

在高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)工作過程中，小鏈輪與鏈條都是與鏈條運(yùn)動方向相垂直的接觸受力面承受的力有瞬間最大值，其近似地可看成是所帶載荷的力，所以只需研究瞬間承受最大壓力的垂直面即可。

4.1 模型的建立與工況的添加

同理，將UG模型導(dǎo)入ANSYS Workbench模型中，選定小鏈輪的材料為結(jié)構(gòu)鋼，并進(jìn)行網(wǎng)格處理，如圖14所示。以小鏈輪的安裝孔的內(nèi)壁為固定面形成約束，以其中一個(gè)齒的齒面為受力面，施加與25kg甘蔗的重力相等的力為載荷，完成小鏈輪的工況模型。

圖14 小鏈輪網(wǎng)格圖

4.2小鏈輪結(jié)果分析

通過以上研究模型的建立，并進(jìn)行求解，分別得到小鏈輪的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖以及安全系數(shù)云圖。

1)小鏈輪應(yīng)力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下小鏈輪的應(yīng)力云圖，如圖15所示。

由圖15可知：小鏈輪的最大應(yīng)力為12.557MPa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為215～235MPa，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

2)小鏈輪應(yīng)變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下小鏈輪的應(yīng)變云圖，如圖16所示。

圖15 小鏈輪應(yīng)力云圖

圖16 小鏈輪應(yīng)變云圖

由圖16可知：大鏈輪的最大應(yīng)變?yōu)?.063 1×10-6m ，而結(jié)構(gòu)鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，運(yùn)輸架在工作過程中是安全的。

3)小鏈輪安全系數(shù)云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下小鏈輪的安全系數(shù)云圖，如圖17所示。

圖17 小鏈輪安全系數(shù)云圖

由圖17可知：小鏈輪的最小安全系數(shù)為6.8646，即小鏈輪有安全預(yù)留。

4.3 小鏈輪安全系數(shù)的確定

由上結(jié)果分析可知：任意角度時(shí)，在最大載荷條件下 ，小鏈輪的安全系數(shù)均為6.864 6。

5 高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)安全系數(shù)評定

通過對高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)的三大危險(xiǎn)零件分別進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到各部件的安全系數(shù)及高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)的安全系數(shù)，如表2 所示。

表2 高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)安全系數(shù)的確定

由表2可知：在最大運(yùn)輸載荷條件下，高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)仍然有1.764 3的安全系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)在保證良好的運(yùn)輸效率的前提下，仍有較高的安全預(yù)留度，即在保證有較好的安全系數(shù)下也可以實(shí)現(xiàn)一定小量的、短時(shí)間的超負(fù)荷運(yùn)作。

6 高度可調(diào)式運(yùn)輸機(jī)效率實(shí)驗(yàn)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試制后進(jìn)對該機(jī)械的效率進(jìn)行測試。由于該機(jī)械的運(yùn)動時(shí)間周期只與其選定的工作擋位有關(guān)，與其自身選擇的角度無關(guān)，所以實(shí)驗(yàn)過程只需要在極限角度范圍的任意一個(gè)角度進(jìn)行即可，結(jié)果如表3所示。

表3 效率實(shí)驗(yàn)表

由表3可知：最大裝運(yùn)效率5.4t/h，就現(xiàn)行的農(nóng)場生產(chǎn)和裝載效率來說可達(dá)到所需的裝載目標(biāo)；同時(shí)，對于大型農(nóng)場來說，可根據(jù)生產(chǎn)需要改變電動機(jī)規(guī)格和相應(yīng)傳動系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即能達(dá)到更高的生產(chǎn)效率。

7 結(jié)論

通過對高度可調(diào)式甘蔗運(yùn)輸機(jī)的有限元分析分析及工作效率實(shí)驗(yàn)可知，該機(jī)械在較為惡劣的工作條件下依然可以保證1.764 3的整機(jī)安全系數(shù)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該機(jī)械的工作可靠性及良好的機(jī)械振動特性。該機(jī)械的最大裝運(yùn)效率可達(dá)到5.4t/h，對于現(xiàn)行的農(nóng)場生產(chǎn)和裝載效率來說可以達(dá)到所需的裝載目標(biāo)，具有良好的市場前景。

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