升降式電動全驅(qū)割草機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與主軸有限元分析*

□ 徐 紅 □ 周天文 □ 譚光宇 □ 魏原芳 □ 李廣慧

1.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院 山東蓬萊 265600

2.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院 廣東湛江 524088

1 研究背景

近年來，草坪綠地產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，極大地推動了我國園林機(jī)械產(chǎn)品需求量的快速增長。割草機(jī)以自身突出的優(yōu)勢，已成為一個產(chǎn)品門類比較齊全、創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)的園林機(jī)械朝陽產(chǎn)業(yè)［1-2］。經(jīng)過對現(xiàn)有國內(nèi)外割草機(jī)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，筆者設(shè)計一款新型升降式電動全驅(qū)割草機(jī)，由電力驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動，并且可以遙控轉(zhuǎn)向，使設(shè)備更節(jié)能、更環(huán)保、更便捷，控制也更簡便。該款割草機(jī)不僅可以廣泛應(yīng)用于牧場、高爾夫球場、足球場、園林綠化場地，而且可以應(yīng)用于對噪聲控制較嚴(yán)格的場地［3-4］。

為了縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性，應(yīng)用SolidWorks軟件建立了割草機(jī)核心零部件的三維模型并進(jìn)行裝配，完成割草機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。借助ANSYS Workbench軟件對割草機(jī)關(guān)鍵部件——主軸進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)［5-6］。

2 總體方案

傳統(tǒng)割草機(jī)通常采用柴油機(jī)或汽油機(jī)作為動力來源，在割刀除草過程中，往往造成草屑飛揚(yáng)，噪聲很大，影響環(huán)境，且需要人工操作，單次割草面積小，造成重復(fù)工作，十分煩瑣?；蚴切枰笮娃r(nóng)機(jī)搭載，十分笨拙，且沒有自動收草裝置，需要人工收集落草，十分麻煩，勞動強(qiáng)度較大。此外，傳統(tǒng)割草機(jī)進(jìn)行割草作業(yè)時，刀片轉(zhuǎn)速達(dá)2 700～3 000 r/min，割草刀盤裸露在外，沒有保護(hù)裝置，十分危險。升降式電動全驅(qū)割草機(jī)以電力驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動，其應(yīng)用范圍更廣，不僅可以廣泛應(yīng)用于牧場、高爾夫球場、足球場、園林綠化等場地，而且可以應(yīng)用于對噪聲控制較嚴(yán)格的場地。割草機(jī)采用可升降桿組，可以控制割草量和留茬高度，能滿足絕大多數(shù)工況的需要，工作范圍更廣。帶輪采用鋁合金材料制成，質(zhì)量輕，力學(xué)性能更好，更節(jié)能。機(jī)架多用角鐵材料制成，成本更低。通過對升降機(jī)構(gòu)和主軸等核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件的計算和校核，最后確定其總體技術(shù)參數(shù)［7-8］。

3 切割裝置結(jié)構(gòu)

切割裝置是升降式電動全驅(qū)割草機(jī)上最重要的工作部件，其工作性能直接影響到整機(jī)的使用性能。升降式電動全驅(qū)割草機(jī)的切割裝置主要由支撐架、主軸、電動機(jī)、刀罩、刀、軸承瓦盒及集草箱等部件組成。割草機(jī)由四輪電動全驅(qū)車體和切割裝置組成，切割裝置懸掛于四輪車體的前方。車輛車載控制系統(tǒng)包括車輛照明系統(tǒng)、行走控制系統(tǒng)、超聲波及紅外避障系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、割草系統(tǒng)、收草系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動器、動力分配及電動操控接口等。割草機(jī)切割裝置可以實現(xiàn)掛接、升降、傳動、切割等功能，設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。采用交錯刀盤設(shè)計，雙刀盤相切放置，在顯著提高工作效率的同時，保證不重割，不漏割。割草機(jī)切割裝置以電力驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動，創(chuàng)新運(yùn)用交錯刀盤設(shè)計，旋轉(zhuǎn)的雙刀盤在割草面上呈現(xiàn)為相切，在倍增割草效率的前提下能有效避免重割、漏割。在刀片上添加旋翼，利用刀片高速旋轉(zhuǎn)帶動空氣將落草收入集草箱，從而實現(xiàn)割草、收草的自動化和一體化。升降式電動全驅(qū)割草機(jī)切割裝置如圖1所示。

▲圖1 升降式電動全驅(qū)割草機(jī)切割裝置

4 主軸有限元分析

有限元分析軟件ANSYS Workbench在機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面應(yīng)用越來越普遍。筆者根據(jù)割草機(jī)主軸的約束和受力情況，借助有限元分析軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，從而能夠有效縮短設(shè)計周期，提高生產(chǎn)效率，為設(shè)計工作提供重要保障［9-10］。

4.1 靜力學(xué)分析

4.1.1 設(shè)置材料屬性

主軸的材料選用45號鋼，其材料屬性見表1。

表1 45號鋼材料屬性

4.1.2 網(wǎng)格劃分

在對主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解的過程中，為了提高求解精度，盡量將網(wǎng)格劃分細(xì)化。同時將對整體求解影響不大的結(jié)構(gòu)，如尺寸較小的螺紋和倒角等忽略，以便節(jié)省和優(yōu)化實體單元。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示，共有148 938個節(jié)點(diǎn)、102 713個單元。

▲圖2 主軸網(wǎng)格劃分模型

4.1.3 邊界條件及載荷

升降式電動全驅(qū)割草機(jī)主軸的兩端軸肩處安裝滾動軸承，在上滾動軸承處施加位移約束，并設(shè)置X軸方向和Z軸方向位移為0，即這兩個方向受到約束。在下滾動軸承處施加位移約束，并設(shè)置X軸方向、Y軸方向和Z軸方向位移為0，即這三個方向受到約束。同時，將主軸的自重作為慣性載荷，直接施加。將皮帶輪、切割圓盤及刀片等作為集中載荷施加［11］。

4.1.4 結(jié)果分析

主軸靜力學(xué)分析結(jié)果如圖3～圖6所示。

▲圖3 主軸總位移云圖

▲圖4 X軸方向位移云圖

▲圖5 Z軸方向位移云圖

▲圖6 主軸應(yīng)力云圖

由分析結(jié)果可見，主軸最大位移為0.043 459 mm，X軸方向最大位移為0.043 303 mm。主軸的許用撓度為0.05 mm，因此主軸剛度符合要求。

主軸最大應(yīng)力為19.654 MPa，應(yīng)力較大處主要集中在上下軸承頸附近。主軸的材料是45號鋼，最大許用彎曲應(yīng)力為55 MPa，主軸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此主軸強(qiáng)度滿足要求。

4.2 模態(tài)分析

為了保證求解的準(zhǔn)確性和合理性，筆者在對主軸進(jìn)行模態(tài)分析時，把預(yù)應(yīng)力效果考慮在內(nèi)，這是因為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)可能影響整個模型的固有頻率。在對割草機(jī)主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，求解其在預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析，如圖7所示。

▲圖7 預(yù)應(yīng)力下模態(tài)分析

在對割草機(jī)主軸求解結(jié)果中，剔除剛體模態(tài)參數(shù)。由于主軸的對稱性，會出現(xiàn)頻率和振型相同的情況，按一種情況處理。筆者提取主軸的前六階固有頻率，并計算其臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)果見表2，主振型如圖8所示。

表2 主軸固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速

升降式電動全驅(qū)割草機(jī)主軸的前六階模態(tài)固有頻率為 1 126.6～8 279.3 Hz，臨界轉(zhuǎn)速為 67 596～496 758 r/min。而主軸正常工作時的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，通過頻率與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系式n=60f，可得正常工作時的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界轉(zhuǎn)速，所以不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，主軸在正常工作時是安全的。隨著固有頻率的增大，彎曲振動與扭轉(zhuǎn)振動均會出現(xiàn)，使升降式電動全驅(qū)割草機(jī)主軸的變形增大。

5 切割裝置實物

根據(jù)三維建模及優(yōu)化分析，加工出割草機(jī)切割裝置實物，如圖9所示。

6 結(jié)束語

筆者充分利用SolidWorks軟件三維建模的優(yōu)勢與ANSYS Workbench軟件在靜力學(xué)和動力學(xué)方面分析的顯著優(yōu)點(diǎn)，分析得到以下結(jié)論。

（1）應(yīng)用 SolidWorks與 ANSYS Workbench軟件對升降式電動全驅(qū)割草機(jī)主軸進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，不但簡化了設(shè)計過程，而且縮短了分析時間，提高了效率。

（2）通過模擬主軸在實際工況下的受力情況，可知主軸在正常工作時滿足設(shè)計要求和強(qiáng)度、剛度要求。

（3）主軸的一階固有頻率比較大，明顯大于工作時的頻率，在正常工作條件下主軸能夠避開共振，滿足穩(wěn)定性要求。

后續(xù)將對割草機(jī)整體進(jìn)行優(yōu)化，并對切割裝置進(jìn)行相應(yīng)的諧響應(yīng)分析和隨機(jī)振動分析，這樣能夠進(jìn)一步優(yōu)化和提高割草機(jī)的整體性能。

▲圖8 主軸主振型

▲圖9 切割裝置實物