山藥收獲機(jī)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析*

青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 山東青島 266520

1 設(shè)計(jì)背景

山藥作為一種藥食同源的作物,深受廣大群眾的喜愛(ài),無(wú)公害且藥用價(jià)值高,經(jīng)濟(jì)效益明顯[1]。然而,山藥由于根莖埋藏較深,難以采收,目前大部分地區(qū)的種植戶仍然以人工采收為主。在采收中，山藥的斷裂和破損率較高,不僅降低了品質(zhì),而且還造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)山藥收獲機(jī)的研發(fā)[2]雖然取得了一定進(jìn)步,但大部分依然處于機(jī)械輔助開(kāi)溝的初級(jí)階段,需要大量人工參與,作業(yè)效率低，且成本較高?？梢?jiàn),急需研制一種既能保證山藥收獲低破損率,又能降低勞動(dòng)強(qiáng)度的高效山藥收獲機(jī)，用于滿足種植戶的需求。

筆者對(duì)山藥收獲機(jī)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),分析開(kāi)溝收獲過(guò)程中支撐架的受力問(wèn)題。

2 開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的山藥收獲機(jī)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在主軸的兩端設(shè)有軸承套,軸承套固定在后懸掛機(jī)架上,支撐架上方設(shè)有兩個(gè)立式軸承座。開(kāi)溝機(jī)構(gòu)兩側(cè)各設(shè)置一套張緊機(jī)構(gòu),張緊機(jī)構(gòu)固定于支撐架下方,包括張緊支架、張緊鏈輪及調(diào)節(jié)螺母。張緊支架的一端鉸接于支撐架,另一端設(shè)置張緊鏈輪。張緊鏈輪通過(guò)張緊鏈輪軸固定,并且與開(kāi)溝鏈條嚙合。調(diào)節(jié)螺母固定于張緊支架和支撐架之間,通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整張緊支架和支撐架之間的距離,從而調(diào)整張緊鏈輪對(duì)開(kāi)溝鏈條的張緊力。開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的兩側(cè)各設(shè)置一套螺旋排土機(jī)構(gòu),螺旋排土機(jī)構(gòu)固定于張緊鏈輪軸上。開(kāi)溝鏈條上的鏈刀為半杯形[3],相鄰兩鏈刀開(kāi)口方向交錯(cuò)分布。支撐架包括前支撐部和后支撐部。前支撐部設(shè)置兩個(gè)耳環(huán),主軸設(shè)于兩個(gè)耳環(huán)之間，通過(guò)耳環(huán)將前支撐部和后懸掛機(jī)架鉸接。后支撐部由兩個(gè)可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的伸縮臂組成,對(duì)應(yīng)調(diào)整兩個(gè)伸縮臂上的橫向通孔,從而調(diào)節(jié)整個(gè)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的前后長(zhǎng)度。

3 工作原理

動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)裝置傳遞至開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的主軸上,主軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)固定在主軸上的大鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),并通過(guò)開(kāi)溝鏈條帶動(dòng)鏈刀移動(dòng),將土壤挖出地面。開(kāi)溝機(jī)構(gòu)兩側(cè)各有一套螺旋排土機(jī)構(gòu),鏈刀挖出的泥土可以及時(shí)輸送至兩側(cè),防止落回溝內(nèi)。開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的上方設(shè)有扶土支架,方便后續(xù)振動(dòng)機(jī)構(gòu)工作,實(shí)現(xiàn)山藥與泥土的分離,方便作物的撿拾作業(yè)。

▲圖1 開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

4 支撐架建模

4.1 受力分析

集破土碎土功能于一體的開(kāi)溝機(jī)構(gòu)在山藥收獲機(jī)整機(jī)中起重要作用。在開(kāi)溝機(jī)構(gòu)中，支撐架的支撐作用尤為重要,其載荷最為復(fù)雜,主要包括開(kāi)溝鏈刀作業(yè)時(shí)所受到土壤的水平反力[4]、鏈條傳遞的壓力、承載振動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力及自身重力。因作業(yè)時(shí)處于土壤較深位置,支撐架極易發(fā)生變形和斷裂。

4.2 模型簡(jiǎn)化

由于開(kāi)溝機(jī)構(gòu)支撐架零部件復(fù)雜,在采用ANSYS Workbench軟件分析之前,需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[5]，去除支撐架上的螺釘、倒角等對(duì)分析計(jì)算結(jié)果影響較小的元素。忽略焊縫對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響[6],在ANSYS Workbench軟件中設(shè)置支撐架為連續(xù)結(jié)構(gòu),保留原始形狀。簡(jiǎn)化后的支撐架模型如圖2所示。

▲圖2 支撐架簡(jiǎn)化模型

5 靜力學(xué)分析

5.1 材料選擇

支撐架的材料選擇綜合性能較優(yōu)的45號(hào)中碳鋼,支撐部件旋轉(zhuǎn)的軸承座，其材料選擇HT300鑄鐵。材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

5.2 模型導(dǎo)入

將由Unigraphics軟件設(shè)計(jì)的支撐架保存為.stp格式,雙擊ANSYS Workbench軟件中的Static Structural選項(xiàng)，建立分析項(xiàng)目(圖3),導(dǎo)入實(shí)體模型。雙擊Geometry選項(xiàng)進(jìn)入Design Modeler界面,選擇Units中的Millimeter選項(xiàng),設(shè)置單位,點(diǎn)擊Generate選項(xiàng),生成支撐架模型，如圖4所示。

▲圖3 建立分析項(xiàng)目▲圖4 支撐架模型

5.3 材料參數(shù)設(shè)置

關(guān)閉Design Modeler界面,雙擊Engineering Data選項(xiàng)進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置,如圖5所示。

5.4 網(wǎng)格劃分

雙擊Model選項(xiàng),進(jìn)入Mechanical界面。設(shè)置材料參數(shù)屬性后右擊Mesh選項(xiàng),選擇Generate Mesh選項(xiàng),劃分網(wǎng)格,如圖6所示。

劃分好的支撐架網(wǎng)格模型如圖7所示。

▲圖5 設(shè)置材料參數(shù)▲圖6 劃分網(wǎng)格▲圖7 支撐架網(wǎng)格模型

5.5 施加邊界條件約束和載荷

土壤對(duì)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的水平反力N2為[7]:

=1 130.59 N

鏈條傳遞的壓軸力Fe為:

Fe=KbKfpF′=4 475.8 N

鏈條工作時(shí)有效圓周力F′為：

F′=1 000P0ηa/Vr=2 780 N

式中:Kb為工況因數(shù)，取1.4;Kfp為壓軸力因數(shù)，取1.15;P0為開(kāi)溝機(jī)構(gòu)消耗的功率;ηa為工作效率，取0.7。

對(duì)支撐架施加的約束有圓柱面約束和給定位移約束，如圖8所示。載荷主要有開(kāi)溝鏈刀作業(yè)時(shí)所受到土壤的水平反力1 130.59 N、鏈條傳遞的壓軸力4 475.8 N、振動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力3 100 N，以及自身重力。

▲圖8 添加約束和載荷

5.6 應(yīng)力分析

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件仿真求解后，獲得支撐架等效應(yīng)力云圖和局部應(yīng)力云圖，分別如圖9、圖10所示。

▲圖9 支撐架等效應(yīng)力云圖▲圖10 支撐架局部應(yīng)力云圖

從圖9、圖10中可以看出,作業(yè)中支撐架受到的應(yīng)力分布比較均勻,在長(zhǎng)度方向上沒(méi)有明顯突變的情況發(fā)生[8]，僅僅在立式軸承座處出現(xiàn)最大應(yīng)力區(qū),應(yīng)力值為73.512 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承座材料的屈服強(qiáng)度195 MPa[9]?？梢?jiàn),所設(shè)計(jì)的支撐架滿足強(qiáng)度要求。

5.7 應(yīng)變分析

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件仿真求解后，得到支撐架等效應(yīng)變?cè)茍D和局部應(yīng)變?cè)茍D，分別如圖11、圖12所示。

▲圖11 支撐架等效應(yīng)變?cè)茍D▲圖12 支撐架局部應(yīng)變?cè)茍D

從圖11、圖12中可以看出，開(kāi)溝機(jī)構(gòu)工作時(shí)支撐架的應(yīng)變量較小,最大應(yīng)變值為0.000 675 59,對(duì)機(jī)械開(kāi)挖過(guò)程中作業(yè)深度、作業(yè)寬度及構(gòu)件之間相對(duì)位置的影響較小。

5.8 總變形分析

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件仿真求解后，得到支撐架總變形云圖，如圖13所示。

▲圖13 支撐架總變形云圖

從圖13中可以看出,支撐架下部耳環(huán)到上部立式軸承座變形量逐漸增大,最大變形量產(chǎn)生于立式軸承座處,其值為0.239 44 mm。這一變形量不會(huì)對(duì)支撐架工作時(shí)產(chǎn)生較大不良影響,支撐架不會(huì)產(chǎn)生明顯彎曲變形和斷裂現(xiàn)象。

6 模態(tài)分析

開(kāi)溝機(jī)在收獲作業(yè)時(shí),會(huì)受到各種載荷的作用,無(wú)論是鏈條還是齒輪,其零部件傳動(dòng)的非穩(wěn)定和周期性振動(dòng)都會(huì)對(duì)裝置造成影響[10-12]。為充分掌握開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能,必須對(duì)支撐架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,以便了解作業(yè)過(guò)程中振動(dòng)的影響[13-17]。按照模態(tài)分析步驟,筆者對(duì)支撐架的前六階振型進(jìn)行求解,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 支撐架前六階振型頻率

求解得到支撐架前六階振型，如圖14～圖19所示。

▲圖14 支撐架一階振型▲圖15 支撐架二階振型

對(duì)于一階振型，支撐架右側(cè)末端發(fā)生最大幅度擺動(dòng),容易產(chǎn)生變形,最大變形量為5.284 6 mm。對(duì)于二階振型，變形主要集中在支撐架右側(cè)末端,所產(chǎn)生的最大變形量為4.812 8 mm。對(duì)于三階振型，支撐架左側(cè)末端容易發(fā)生擺動(dòng),最大變形量為5.875 9 mm。對(duì)于四階振型，支撐架兩側(cè)末端向內(nèi)發(fā)生擺動(dòng),最大變形量為6.970 1 mm。對(duì)于五階振型，支撐架擺動(dòng)幅度較大,左右出現(xiàn)不對(duì)稱擺動(dòng),最大變形量為6.983 2 mm。對(duì)于六階振型，支撐架兩側(cè)末端擺動(dòng)較大,同時(shí)向左偏移,最大變形量為5.864 4 mm。

▲圖16 支撐架三階振型▲圖17 支撐架四階振型▲圖18 支撐架五階振型▲圖19 支撐架六階振型

在開(kāi)溝機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí),鏈條旋轉(zhuǎn)時(shí)鏈節(jié)和鏈輪發(fā)生嚙合,鏈輪受到?jīng)_擊力產(chǎn)生振動(dòng),沖擊頻率f0為:

f0=Vr/p=110.236 Hz

式中:Vr為鏈刀切削速度;p為鏈條節(jié)距。

由此可見(jiàn),產(chǎn)生振動(dòng)的主要部位為伸縮臂,固有頻率小于沖擊頻率,即固有頻率和沖擊頻率不重合,不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象[17]。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的山藥收獲機(jī)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)支撐架進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明，在立式軸承座處出現(xiàn)最大應(yīng)力區(qū)域,最大應(yīng)力值為73.512 MPa,遠(yuǎn)小于軸承座材料的屈服強(qiáng)度195 MPa。從支撐架下部耳環(huán)到上部立式軸承座，變形量逐漸增大,最大變形量產(chǎn)生于立式軸承座處,值為0.239 44 mm。這一變形量對(duì)于整個(gè)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)而言非常小,可以忽略不計(jì),因此支撐架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

從模態(tài)分析可以看出，開(kāi)溝機(jī)在作業(yè)時(shí),總會(huì)受到各種載荷的作用,無(wú)論是鏈條還是鏈輪,其零部件傳動(dòng)的非平穩(wěn)性和周期性振動(dòng)都將給裝置帶來(lái)影響。支撐架產(chǎn)生振動(dòng)的主要部位為伸縮臂,固有頻率小于沖擊頻率,即固有頻率和沖擊頻率不重合,不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

所設(shè)計(jì)的山藥收獲機(jī)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了開(kāi)溝機(jī)構(gòu)與地面之間角度可調(diào),而且主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐架轉(zhuǎn)動(dòng)互不干涉。通過(guò)張緊機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)對(duì)開(kāi)溝鏈條的張緊力,可以大大提高開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的工作效率。所設(shè)計(jì)的支撐架是一種新型且實(shí)用的部件,能夠促進(jìn)山藥收獲機(jī)的研制和開(kāi)發(fā)。