搖桿式桑葉采摘機(jī)采摘裝置的有限元分析

胡迎春 齊勇落 胡裔志

摘要：旨在運(yùn)用有限元分析軟件建立搖桿式桑葉采摘機(jī)采摘裝置的三維模型，從不同材料、刀具支撐桿的不同長度、刀具支撐桿的不同橫截面形狀等3個方面對采摘裝置進(jìn)行有限元分析，獲取最危險工況下采摘裝置受力的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，采摘裝置選用普通碳鋼材料的撓度值小于鋁合金材料;刀具支撐桿的撓度值、應(yīng)力值皆與刀具支撐桿長度間存在正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)圓形截面刀具支撐桿橫截面面積與矩形截面刀具支撐桿橫截面面積相同，且2種刀具支撐桿的長度也相同時，圓形橫截面刀具支撐桿的撓度值與應(yīng)力值皆小于矩形橫截面刀具支撐桿。結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)條件，最終確定采摘裝置材料選用普通碳鋼，刀具支撐桿橫截面形狀采用圓形結(jié)構(gòu)，刀具支撐桿長度定為325 mm，以期為今后制作桑葉采摘機(jī)物理樣機(jī)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：采摘裝置;不同材料;刀具支撐桿;橫截面形狀;桑葉;采摘機(jī);物理樣機(jī)

中圖分類號： S225.93 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0255-03

目前，絕大部分地區(qū)的桑葉采摘方式以人工采摘為主，勞動強(qiáng)度大，成本高，效率低下[1]。近年來，國內(nèi)已有一些桑葉采摘機(jī)在研發(fā)，如廣西科技大學(xué)李健教授所在團(tuán)隊(duì)研制的手持式桑葉采摘機(jī)[2]，還有筆者所在團(tuán)隊(duì)研制的螺旋式桑葉采摘機(jī)[3]、搖桿式桑葉采摘機(jī)[4]、往復(fù)式桑葉采摘機(jī)[5]和曲柄連桿式桑葉采摘機(jī)[6]等。在采桑機(jī)整機(jī)研制過程中，采摘裝置的設(shè)計(jì)尤為重要，因此需要對桑葉采摘裝置進(jìn)行變形及最大應(yīng)力的有限元分析。

本研究運(yùn)用有限元分析軟件建立搖桿式桑葉采摘機(jī)采摘裝置三維模型，模擬實(shí)際采摘過程，對三維模型進(jìn)行材料賦值，添加約束和載荷，分析不同材料、刀具支撐桿不同長度以及刀具支撐桿不同橫截面形狀對采摘裝置性能的影響，獲取應(yīng)力云圖，并進(jìn)行對比分析，以期為后續(xù)采摘裝置的研制提供理論支撐。

1 采摘裝置結(jié)構(gòu)的簡化

搖桿式桑葉采摘機(jī)采摘裝置采用的是對稱結(jié)構(gòu)，左右兩邊均由搖桿、連桿、刀具支撐桿、環(huán)型刀具、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌凹槽、彈簧、“U”形塊、導(dǎo)輪等部件組成，局部簡圖如圖1所示。刀具支撐桿套裝在導(dǎo)軌滑塊上，且末端與“U”形塊固定連接，在刀具支撐桿末端套有彈簧。導(dǎo)輪的初始位置在導(dǎo)軌下部的凹槽內(nèi)，彈簧處于自然狀態(tài)，此時刀具支撐桿左右兩邊的刀具環(huán)處于打開狀態(tài)。左右兩邊的搖桿帶動連桿向上運(yùn)動，連桿帶動套裝在導(dǎo)軌滑塊上的刀具支撐桿向上運(yùn)動，當(dāng)導(dǎo)輪脫離導(dǎo)軌凹槽時，刀具支撐桿的橫向距離縮小，由于彈簧套裝在刀具支撐桿的末端，受到“U”形塊和導(dǎo)軌滑塊內(nèi)壁的相互擠壓，處于壓縮狀態(tài)，左右兩邊的刀具環(huán)閉合，卡住桑枝，隨著刀具支撐桿的持續(xù)上升，刀具環(huán)以擼的方式開始向上采摘桑葉，當(dāng)導(dǎo)輪運(yùn)動至導(dǎo)軌上部的凹槽內(nèi)時，被壓縮的彈簧自動彈開，回歸自然狀態(tài)，使刀具支撐桿的橫向距離增大，左右兩邊的刀具環(huán)張開，完成1次桑葉的采摘。左右兩邊搖桿的圓周運(yùn)動促使連桿帶動導(dǎo)軌滑塊向下運(yùn)動，從而帶動刀具支撐桿向下運(yùn)動，當(dāng)導(dǎo)輪脫離導(dǎo)軌上部的凹槽時，刀具支撐桿的橫向距離減小，彈簧被壓縮，左右兩邊的刀具環(huán)閉合，卡住第2根桑枝，開始向下采摘桑葉，當(dāng)導(dǎo)輪運(yùn)動到導(dǎo)軌下部的凹槽內(nèi)時，在彈簧的作用下，刀具支撐桿的橫向距離增大，左右兩邊刀具環(huán)張開，完成第2次桑葉的采摘。采摘桿如此上下往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)桑葉的采摘。

運(yùn)用有限元分析軟件對搖桿式桑葉采摘機(jī)采摘裝置最危險的工況進(jìn)行建模仿真，即采摘裝置此時的工作狀態(tài)為導(dǎo)輪已完全離開導(dǎo)軌凹槽，刀具支撐桿外伸到極限位置，左右兩邊的刀具完全閉合。為了便于后續(xù)的有限元分析，需要對模型進(jìn)行簡化[7]，去除圓角、螺釘?shù)葘傮w計(jì)算無影響的部分，將彈簧、導(dǎo)輪、導(dǎo)軌、搖桿、連桿等部件等效為力或者約束，采摘裝置的最終簡化模型如圖2所示。

2 不同材料采摘裝置的有限元建模分析

2.1 定義材料屬性

運(yùn)用有限元分析軟件建立采摘裝置的三維模型，刀具支撐桿的長度為325 mm，寬度為20 mm，高度為15.7 mm。選用SOLID187單元類型，用不同的材料如普通碳鋼、鋁合金進(jìn)行對比。普通碳鋼材料的彈性模量為2.1×1011 MPa，泊松比為0.28;鋁合金材料的彈性模量為7.0×1010 MPa，泊松比為0.33。

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

選擇所有實(shí)體進(jìn)行自由劃分，網(wǎng)格密度設(shè)置為3 mm，劃分好的網(wǎng)格如圖3所示，單元數(shù)為72 886個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 123 758個。將導(dǎo)軌滑塊與導(dǎo)軌兩者之間進(jìn)行套接，采摘裝置在沿導(dǎo)軌上升的過程中，導(dǎo)軌滑塊內(nèi)部與導(dǎo)軌接觸的4個面前、后方向和水平方向的自由度受到限制，而且刀具運(yùn)動采摘桑葉的過程，可以抽象為刀具靜止、桑葉運(yùn)動，因此在仿真時，在導(dǎo)軌滑塊內(nèi)部與導(dǎo)軌接觸的4個面上添加全約束。此外，導(dǎo)軌、導(dǎo)輪、彈簧等部件的共同作用限制了刀具支撐桿水平方向的自由度，因此在刀尾“U”形塊的底面添加Z方向的約束。此外，在刀具支撐桿與導(dǎo)軌滑塊接觸面之間，以及刀具閉合時2個刀具的接觸面間添加接觸對，摩擦系數(shù)為0.2。

2.3 加載求解

在對桑葉進(jìn)行采摘時，葉柄首先與刀具的圓弧線接觸，因此作用力集中作用在刀具的圓弧線上，但是作用力落在刀具圓弧線上的具體位置未知，因此將載荷均勻施加于刀具的圓弧線上[8]。試驗(yàn)結(jié)果表明，刀具支撐桿的最大承重為50～100 N，取最危險工況F=100 N，選擇刀具圓弧線上的50個節(jié)點(diǎn)，添加分布載荷，輸入載荷的數(shù)值100/50=2 N，分別求解得出鋁合金材料、普通碳鋼材料的應(yīng)力云圖。

由圖4、圖5可知，采用鋁合金材料時，其撓度值為 0.095 6 mm，最大應(yīng)力為17.9 MPa;采用普通碳鋼材料時，其撓度值為0.032 3 mm，最大應(yīng)力為18.1 MPa，普通碳鋼材料的撓度值小于鋁合金材料，應(yīng)力大于鋁合金材料。2種材料

的應(yīng)力皆主要集中出現(xiàn)在2個刀口的接觸面、刀具支撐桿與刀頭接觸的上表面、刀具支撐桿和導(dǎo)軌滑塊接觸的下表面。

2.4 結(jié)果分析

當(dāng)彎矩一定時，撓度值與彈性模量間存在反比關(guān)系，普通碳鋼材料的彈性模量高出鋁合金材料1個數(shù)量級，因此撓度值小于鋁合金材料。應(yīng)力與彈性模量間存在正比關(guān)系，并且2種材料的變形量都較小，因此普通碳鋼的應(yīng)力大于鋁合金材料。普通碳鋼有著極高的剛度、強(qiáng)度，且不易斷裂，抗腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長，而鋁合金的剛性差，易變形，因此，制造采摘裝置時，選用普通碳鋼材料較好。

3 刀具支撐桿不同長度的有限元分析

桑枝的行距為800 mm，結(jié)合搖桿式桑葉采摘機(jī)各部件位置間的設(shè)計(jì)布局，將刀具支撐桿長度取值范圍定在325～375 mm 之間，選取刀具支撐桿的長度為325、350、375 mm進(jìn)行分析，材料為普通碳鋼，與不同材料類型的采摘裝置的分析方法相同。圖5為刀具支撐桿長度為325 mm時的應(yīng)力云圖。

由圖6、圖7可知，應(yīng)力主要集中出現(xiàn)在2個刀口的接觸面、刀具支撐桿與刀頭接觸的上表面、刀具支撐桿和導(dǎo)軌滑塊接觸的下表面。當(dāng)?shù)毒咧螚U的長度為350 mm時，撓度值為0.043 4 mm，最大應(yīng)力為20.8 MPa;當(dāng)?shù)毒咧螚U的長度為375 mm時，撓度值為0.057 mm，最大應(yīng)力為32.9 MPa。結(jié)合圖5的應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)，可知撓度值和應(yīng)力皆與刀具支撐桿長度間存在正相關(guān)關(guān)系。分析可知，主要原因是由于隨著刀具支撐桿長度的增加，力矩增加，刀具支撐桿的撓度值增加，由于彈性模量數(shù)值相同，因此應(yīng)力隨之增大，最終確定刀具支撐桿的長度為325 mm。

4 刀具支撐桿不同橫截面形狀的有限元分析

矩形截面刀具支撐桿的長度為325 mm，寬度為20 mm，高度為15.7 mm，材料為普通碳鋼，應(yīng)力云圖如圖5所示;圓形截面刀具支撐桿的長度為325 mm，直徑為20 mm，材料為普通碳鋼，與不同材料類型采摘裝置的分析方法相同，應(yīng)力云圖如圖8所示。

由圖8可知，圓形刀具支撐桿的撓度值為0.031 1 mm，最大應(yīng)力為17.9 MPa。與圖5對比分析可知，當(dāng)圓形截面刀具支撐桿橫截面面積與矩形截面刀具支撐桿橫截面面積相同，且2種刀具支撐桿的長度也相同時，圓形橫截面刀具支撐桿的應(yīng)力與撓度值皆小于矩形橫截面刀具支撐桿。分析可知，當(dāng)?shù)毒咧螚U橫截面形狀為圓形時，截面慣性矩為I=（πd4）/64=7 854 mm4;當(dāng)?shù)毒咧螚U橫截面形狀為矩形時，截面慣性矩為I=（bn3）/12=6 449.8 mm4。截面慣性矩越大，抵抗彎曲變形的能力越強(qiáng)。由此可知，當(dāng)?shù)毒咧螚U為圓形時，變形量小，由于兩者彈性模型數(shù)值相同，因此圓形橫截面刀具支撐桿的應(yīng)力小于矩形橫截面刀具支撐桿。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，圓形橫截面刀具支撐桿加工制造相對簡單，成本較低，矩形橫截面刀具支撐桿棱角處理時相對較為復(fù)雜，最終采摘裝置研制時刀具支撐桿的橫截面形狀采用圓形結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

以搖桿式桑葉采摘機(jī)采摘裝置為研究對象，運(yùn)用有限元分析軟件，從不同材料、刀具支撐桿不同長度、刀具支撐桿不同橫截面形狀3個方面進(jìn)行有限元分析，獲取相對應(yīng)的應(yīng)力云圖。由結(jié)果可知，普通碳鋼材料的撓度值小于鋁合金材料，刀具支撐桿長度為325 mm、橫截面形狀為圓形時的撓度值與應(yīng)力較小。最終確定采摘裝置的材料為普通碳鋼，刀具支撐桿長度為325 mm，橫截面形狀選用圓形結(jié)構(gòu)，以期為后期采摘裝置的加工制造提供參考依據(jù)。

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