枸杞采摘機機架有限元分析

孫浩博， 胡明明， 胡忠強， 李聲元， 趙永彪， 黃曉鵬， 萬芳新*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.浙江四方股份有限公司，浙江 永康 321000)

枸杞含有多種營養(yǎng)成分，是一種藥食同源的漿果，制干后的枸杞子具有滋養(yǎng)保健、藥用等功能，并可制做飲料或酒[1-4]。枸杞廣泛種植于我國西北地區(qū)，主要分布在甘肅、寧夏、新疆等地，在寧夏枸杞核心產(chǎn)區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及專業(yè)村，農(nóng)民種植或經(jīng)營枸杞的收入占總收入的60% 以上。由于枸杞采摘的季節(jié)性強、勞動強度大，且要求分時有序采摘。因此機械化采收難度大，制約了枸杞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5-7]。近年來國內(nèi)關(guān)于枸杞采收機械化的研究取得了長足進步。目前枸杞采收機主要分為小型手持式和大中型自走式兩類。小型手持式采摘機結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、攜帶便捷，但存在采收效率低、勞動強度大等問題[8-10]。為提高采收效率，降低枸杞果實損傷率，目前研究熱點多集中于大中型枸杞采收機。張文強等[11]設計了一種振搖式枸杞采收機，并優(yōu)化了振搖裝置。張最等[12]通過建立枸杞結(jié)果枝條的振動模型，優(yōu)化分析得到振動法采摘成熟枸杞果實的最佳工作參數(shù)，設計了一種振動式枸杞采收機，在一定程度上提高了采摘機的采摘效率。趙健等[13]通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗對枸杞振動采收裝置的振動頻率、振動時間、振動桿直徑進行了優(yōu)化。周宏平[14]研發(fā)的高速氣流采摘枸杞采摘裝置，利用高速氣流將枸杞吹落，可在一定程度上降低采收過程中枸杞果實的損傷。郭志東[15]設計了一種由氣吸梳齒組合的自走式枸杞采摘收獲機，采收時枸杞果實在引風機的風力作用下與豎直方向保持30°～90°夾角，梳齒采摘器靠近枸杞枝條將枸杞梳落。梅松[16]通過研究振動頻率對枸杞采凈率、含雜率、損傷率和誤采率的影響，確定了往復式振搖采收枸杞秋果的最佳振動頻率?，F(xiàn)階段大型自走式枸杞采收機工作效率高，但普遍存在誤采率、損傷率較高等問題，尚不能得到有效推廣應用。為解決實際生產(chǎn)問題，仍需對枸杞機械化采收設備及相關(guān)理論進行深入研究。

課題組設計了一種振搖式枸杞采摘機，為保證采摘機機體結(jié)構(gòu)安全可靠，本文利用Ansys Workbench軟件對枸杞采摘機機架進行有限元靜態(tài)分析和模態(tài)分析。以確定機架是否滿足強度和抗振性要求，以此為采摘機結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 枸杞采摘機整機結(jié)構(gòu)與工作原理

課題組設計的自走式枸杞振動采摘機結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機能夠一次性完成枸杞果實的采摘、輸送、清選、收集工作。工作時，采摘機騎跨在枸杞果樹上，并以一定的速度前行。振動桿深入枸杞樹冠，在激振裝置作用下上下往復振動。在振動作用下，枸杞從掛果枝條上脫落。枸杞經(jīng)車體下方收集裝置收集，再由傳送帶輸送至物料斗，由物料斗進入清選裝置，最后分別進入兩組果實收集裝置，實現(xiàn)枸杞機械化采摘。該枸杞采摘機采用一體式車架，各裝置和部件都固定在機架上。

圖1 自走式枸杞采摘機結(jié)構(gòu)示意圖1.機架；2.輸送帶；3.物料斗；4.柴油機；5.清選裝置；6.集果箱；7.橡膠履帶；8.履帶輪罩；9.動力轉(zhuǎn)換裝置；10.果實收集裝置；11.激振裝置；12.駕駛室

2 機架有限元靜力學分析

本文應用Ansys workbench對枸杞采摘機的機架進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析以及模態(tài)分析。靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析適用于模型承受固定載荷或載荷近似不變的情況，機架在使用過程中主要受到自身重量以及枸杞采摘機其他零部件對它的壓力，分析時機架的倒U型框下端固定，倒U型框上端受到其他零部件對其施加載荷。

2.1 有限元模型構(gòu)建

本研究利用Solidworks構(gòu)建了機架的三維模型，保存為.x_t文件，將該模型文件導入到ANSYS中。通過Workbench自帶材料庫模塊(Engineering Data)中設置機架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼材，其屬性見表1。

表1 機架材料屬性

2.2 模型的網(wǎng)格劃分

有限元軟件是通過幾何體網(wǎng)格的迭代計算來模擬整個幾何體受力情況，幾何體網(wǎng)格劃分在很大程度上影響著計算精度。本次研究根據(jù)機架最小尺寸為上限，單個網(wǎng)格尺寸大小為5 mm，劃分成非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 機架模型網(wǎng)格劃分

2.3 添加約束和載荷

在完成網(wǎng)格劃分后開始載荷和約束的添加及設置。設置約束類型為固定約束，約束的面為枸杞采摘機機架兩邊最靠近地面的兩個面。約束添加完后添加載荷，機架主要載荷為發(fā)動機、操作人員、采收的枸杞果實和其他零部件質(zhì)量。假設作用在機架上的力是均勻分布，選擇載荷的類型為壓力，單位為MPa。枸杞采摘機的重力選取20 900 N，用Solidworks測量出枸杞采摘機受力面的總面積約為3.15×105mm2，通過計算得出采摘機受力面積的應力為0.066 4 MPa。枸杞采摘機機架的約束和載荷如圖3所示。

圖3 機架約束及載荷

2.4 靜力學分析

設置要求解的項目為應力、應變以及變形。圖4、圖5、圖6中分別為機架的應力云圖、應變云圖以及總變形云圖，表2為機架的靜態(tài)分析結(jié)果。

圖4 機架應力云圖

圖5 機架應變云圖

圖6 機架總變形云圖

表2 機架靜態(tài)分析結(jié)果

從表1中可以看出機架受到的最大應力σmax約為80 MPa，Q235鋼的屈服強度σs為235 MPa，根據(jù)資料可知，Q235鋼材的安全系數(shù)[S]取2.5。

故機架的強度滿足要求。

3 機架的模態(tài)分析

機架模態(tài)分析需要計算分析機架的固有頻率特性，以防止枸杞采摘機的振動頻率與機架的固有頻率相等或相近，避免采摘機發(fā)生共振，影響采摘機使用壽命以及采摘質(zhì)量。

機架的模型導入以及材料設置同靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析相同。選擇采摘機機架的兩個底面，添加尺寸控制和固定約束。設置機架的前8階模態(tài)分析，前10階模態(tài)頻率下機架的變形情況如圖7所示，表3為分析所得前10階模態(tài)的固有頻率。

(a)一階模態(tài)

(b)二階模態(tài)

(c)三階模態(tài)

(d)四階模態(tài)

(e)五階模態(tài)

(g)七階模態(tài)

(h)八階模態(tài)

表3 機架前十階固有頻率

從表2可以看出，機架的前十階模態(tài)中一階模態(tài)時的固有頻率最低，為30.356 Hz，后面的九階模態(tài)的頻率呈逐漸升高的趨勢。本采摘機正常工作時的振動頻率為10～13.5 Hz，與30 Hz的差別較大，可有效避免采收過程中機架產(chǎn)生共振。

4 結(jié)論

利用Ansys Workbench對自主設計的枸杞采摘機機架進行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和前十階模態(tài)分析，結(jié)果表明，采摘機機架所受到最大應力約為80 MPa，所選機架材料強度滿足使用要求。采摘機機架的模態(tài)分析中，一階模態(tài)的固有頻率最低，約為30 Hz，所設計的枸杞采摘機的振動頻率為10～13.5 Hz，采摘機不會發(fā)生共振，能夠滿足作業(yè)需求。研究可為進一步優(yōu)化整機結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。