基于ANSYS的養(yǎng)蠶裝置接沙盤鎖緊機構(gòu)的設計和仿真

黃 崢，黃澤界

（遵義職業(yè)技術學院，貴州遵義 563000）

0 引言

蠶桑產(chǎn)業(yè)在我國有著悠久的歷史，20世紀70年代，我國蠶繭產(chǎn)量就超越了日本成為世界第一大蠶繭生產(chǎn)國。2019年我國桑園面積為75.53萬hm2；蠶繭產(chǎn)量為72.08萬t，蠶繭和生絲產(chǎn)量占全球80%以上。2000年，國家經(jīng)貿(mào)委提出“東桑西移”戰(zhàn)略，商務部在2006年開展了“東桑西移”工程，中西部地區(qū)的蠶桑產(chǎn)業(yè)得到了飛速的發(fā)展。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的原因在于我國蠶桑產(chǎn)業(yè)的機械化自動化程度較低，對產(chǎn)業(yè)技術人員的依賴度高。土地和人力成本的不斷攀升導致了國家蠶桑產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)移。

根據(jù)2017年對山東、浙江兩地的蠶桑從業(yè)人員進行調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，蠶農(nóng)老齡化程度高，老齡化趨勢嚴重。根據(jù)相關報道，目前我國蠶桑產(chǎn)業(yè)綜合機械化率還不到5%，主要依靠人力，勞動強度大、生產(chǎn)效率低是蠶桑產(chǎn)業(yè)中亟待解決的問題。工信部等六部門印發(fā)的《蠶桑絲綢產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動計劃（2021—2025年）》中提到了建設規(guī)?；⒓s化的蠶?；?。通過產(chǎn)業(yè)政策引導，在蠶桑主產(chǎn)區(qū)持續(xù)推動蠶桑規(guī)模化和集約化發(fā)展，建立適合機械化作業(yè)、自動化操作的標準化蠶桑種養(yǎng)新體系。

1 方案簡介

除沙是養(yǎng)蠶作業(yè)中的一個重要環(huán)節(jié)，其目的在于清除蠶箔中的桑葉殘渣、蠶的排泄物等。如果不清除蠶沙，則會導致蠶箔內(nèi)蠶沙的堆積，造成細菌和病毒感染。傳統(tǒng)的除沙方法是工人將蠶移到一個干凈的蠶箔之后，再將原蠶箔中的蠶沙清掃干凈。因此，除沙作業(yè)的時間成本和人力成本均居高不下。本設計方案的目的在于進一步提高養(yǎng)蠶的機械化水平，為接沙盤設計了一套鎖緊機構(gòu)，實現(xiàn)接沙盤的解鎖和鎖緊。接沙盤的作用在于收集從蠶箔掉落的蠶沙，并進行清理。

1.1 安裝位置、結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1.1 安裝位置

本設計方案鎖緊機構(gòu)的安裝位置（圖1）。用于養(yǎng)蠶的蠶箔放置在蠶架內(nèi)，兩個鎖緊機構(gòu)對稱安裝在蠶架兩側(cè)，接沙盤通過兩個鎖緊機構(gòu)鎖緊在蠶架底部。

圖1 鎖緊機構(gòu)安裝位置示意圖

1.1.2 鎖緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

鎖緊機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)（圖2）。彈簧體和安裝座都安裝固定在蠶架上，夾板與安裝座通過銷軸連接，夾板上端與彈簧體之間無連接，彈簧體內(nèi)使用的彈簧為壓縮彈簧，彈簧體內(nèi)的彈簧在圖示狀態(tài)下處于壓縮狀態(tài)，橡膠板粘貼在夾板下端。橡膠板的作用在于減小摩擦及緩沖。

圖2 鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.3 工作原理

解鎖作業(yè)：當需要進行除沙作業(yè)時，直線運動機構(gòu)推動伸出并作用在夾板上端，從而推動夾板繞銷軸運動，同時擠壓彈簧體。當夾板轉(zhuǎn)動一定角度后，夾板下端從接沙盤底部脫離。接沙盤落下，進行除沙作業(yè)。鎖緊作業(yè)：當完成除沙作業(yè)后，執(zhí)行機構(gòu)將接沙盤推到初始位置，直線運動機構(gòu)縮回。在彈簧體的彈力作用下，夾板復位，夾板下端鎖緊接沙盤。

2 設計計算

2.1 受力分析

在接沙盤被鎖緊的狀態(tài)下，夾板轉(zhuǎn)軸點滿足公式：

式中，F(xiàn)1為夾板受到彈簧體的作用力；

L1為F1的力臂；

F2為夾板受到接沙盤的作用力；

L2為F2的力臂。

計算得到彈簧體對夾板的作用力需大于或等于22 N，才能保證鎖緊機構(gòu)不會因為接沙盤及蠶沙的重力作用而自動解鎖。

2.2 彈簧體設計

彈簧體的結(jié)構(gòu)（圖3）。彈簧上下兩端分別和上下底板焊接，同時在上底板和下底板分別焊接有圓柱體和套管。

圖3 彈簧體示意圖

根據(jù)設計要求，彈簧的安裝載荷為22 N，安裝高度為34 mm，工作行程為18 mm。經(jīng)驗證，彈簧特性、疲勞強度、穩(wěn)定性要求等均滿足要求，則本設計方案中為彈簧體所設計的彈簧滿足要求。

3 仿真分析

3.1 底座

利用ANSYS軟件分別對幾個重要的零件進行仿真分析，驗證零件強度是否要求。本設計方案中，夾板、底座以及上下底板均選用Q345B鋼板，厚度為2 mm，屈服點為，銷軸材料選用45號鋼，屈服點為。

結(jié)合對鎖緊機構(gòu)的在鎖緊狀態(tài)的受力分析，利用ANSYS軟件對底座進行仿真分析。最終分析得到底座的應變（圖4），最大應變?yōu)?.5×10-5mm。底座應力（圖5），最大應力為9.5 MPa，遠小于屈服強度，則零件材料和結(jié)構(gòu)滿足性能要求。

圖4 底座應變示意圖

圖5 底座應力示意圖

3.2 夾板

夾板的三維模型（圖6），采用鈑金工藝設計，并在兩側(cè)面進行了彎邊處理以提升其結(jié)構(gòu)強度和剛度。結(jié)合對鎖緊機構(gòu)在鎖緊狀態(tài)的受力分析，利用ANSYS軟件對夾板進行分析。最終分析得到夾板的應變（圖7），最大應變?yōu)?.8×10-4mm。夾板應力（圖8），最大應力為52.9 MPa，小于屈服強度，則零件材料和結(jié)構(gòu)滿足性能要求。

圖6 夾板三維圖

圖7 夾板應變示意圖

圖8 夾板應力示意圖

3.3 銷軸

用于連接夾板和底座的銷軸在仿真軟件中的分析計算。

最終分析得到銷軸的應變（圖9），最大應變?yōu)?.5×10-5mm。銷軸應力（圖10），最大應力為4.7 MPa，小于屈服強度，則零件材料和結(jié)構(gòu)滿足性能要求。經(jīng)過對幾個重要零件的仿真分析，驗證得到零件強度均滿足設計要求。

圖9 銷軸應變示意圖

圖10 夾板應力示意圖

4 結(jié)語

本方案所設計的鎖緊機構(gòu)能夠滿足鎖緊接沙盤的功能要求，能夠在有限的安裝空間內(nèi)實現(xiàn)接沙盤的鎖緊，以及在外力作用下實現(xiàn)接沙盤的解鎖。經(jīng)分析計算，所設計的彈簧體能夠保證在接沙盤在被鎖止的狀態(tài)下，不會因為接沙盤以及蠶沙的重力作用而自動解鎖。經(jīng)ANSYS軟件仿真分析，接沙盤鎖緊機構(gòu)幾個重要的零件所選用的材料及結(jié)構(gòu)均滿足強度要求。本方案設計的鎖緊機構(gòu)能夠滿足鎖緊和解鎖接沙盤的要求。