新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)結(jié)構(gòu)分析及實(shí)驗(yàn)研究

楊春蘭，徐敏敏，胡明軍，黃　偉，麻芳蘭，陸雪雯

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)結(jié)構(gòu)分析及實(shí)驗(yàn)研究

楊春蘭，徐敏敏，胡明軍，黃偉，麻芳蘭，陸雪雯

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：對(duì)研發(fā)的新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。按照總體設(shè)計(jì)建立有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，表明新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)結(jié)構(gòu)分析的正確性，為該新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)設(shè)計(jì)的合理性提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：甘蔗剝?nèi)~機(jī)；機(jī)架；有限元分析；應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試

0引言

我國甘蔗種植主產(chǎn)區(qū)多為丘陵地貌，大多為狹長地帶，只有小部分比較平坦的地區(qū)能實(shí)現(xiàn)連片種植[1]。從總的情況上來看，由于地貌的原因，大型聯(lián)合收割機(jī)不太適合在此作業(yè)。因此，目前在這些地帶，主要采取的是砍蔗與剝?nèi)~分開進(jìn)行的分段式收獲方式。雖然隨著政府的支持和科研的發(fā)展，各種各樣的聯(lián)合收割機(jī)相繼問世，然而其技術(shù)和效率等方面還存在一些問題，很難在這些地區(qū)大規(guī)模地采用[2-5]。因此，在借鑒前人的研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，因地制宜地研制出新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)是尤為必要的。本文以研發(fā)的新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)為對(duì)象，進(jìn)行了相關(guān)的研究。

1有限元模型的建立

利用Pro/E對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架進(jìn)行建模，將得到的實(shí)體幾何模型導(dǎo)入HyperWorks前處理模塊HyperMesh中，并根據(jù)某新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕鐖D1所示。

該剝?nèi)~機(jī)機(jī)架為薄板類零件，為了簡化求解工作量、縮短運(yùn)算時(shí)間，對(duì)該剝?nèi)~機(jī)機(jī)架幾何模型進(jìn)行中性面抽取操作，直接用數(shù)值來表示零件的厚度。這種方法產(chǎn)生的有限元?dú)卧谕庑紊吓c零件模型非常相似，可代表幾何實(shí)體[6-7]，如圖2所示。

圖1　機(jī)架實(shí)體模型

圖2　抽取中面后的機(jī)架

該機(jī)架采用45鋼，軸承座采用HT200，其材料力學(xué)特性如表1所示。

表1　材料力學(xué)特性

選取空間板殼單元SHELL對(duì)圖2所示的機(jī)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)機(jī)架尺寸，選取網(wǎng)格單元為2mm，利用rigid模擬焊點(diǎn)[8]。對(duì)整個(gè)車架劃分網(wǎng)格并修復(fù)不合格網(wǎng)格后，如圖3所示。

圖3　剝?nèi)~機(jī)機(jī)架連接位置圖

2有限元模型強(qiáng)度分析

本文只研究在該剝?nèi)~機(jī)機(jī)架受到的最大負(fù)載時(shí)工作狀況下的應(yīng)力情況，并且采用HyperWorks自帶的求解器RADIOSS對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)的機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力分析求解，結(jié)果如圖4所示。

圖4　剝?nèi)~機(jī)機(jī)架應(yīng)力云圖

由圖4可知：新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)架角鐵的連接處，應(yīng)力最大值為133.5MPa，且最大應(yīng)力區(qū)在該剝?nèi)~機(jī)機(jī)架應(yīng)力云圖中所占的比例比較小。此外，剝?nèi)~機(jī)機(jī)架大部分材料為45鋼，屈服極限為355MPa；軸承座處材料為HT200，材料的屈服極限為220MPa。由此可知，剝?nèi)~機(jī)機(jī)架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3動(dòng)態(tài)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及結(jié)果研究

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，進(jìn)行了生產(chǎn)的實(shí)際測(cè)試。

3.1　貼片方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，貼片應(yīng)盡量貼在受力比較大的位置，又要保證貼片時(shí)方便操作。基于以上的原則，本文將新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試的測(cè)點(diǎn)設(shè)在軸承座位置上，如圖5所示。

圖5　應(yīng)變片位置圖

根據(jù)實(shí)際情況，由圖5可知：本文共選擇了8個(gè)點(diǎn)對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)工作時(shí)軸承座的應(yīng)力情況進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)，假定甘蔗的輸送方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，軸向?yàn)閆軸。對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都選擇兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，具體情況如表2所示。電阻應(yīng)變片的貼片和系統(tǒng)連接如圖6所示。

表2　測(cè)點(diǎn)位置方向?qū)φ毡?/p>

圖6 應(yīng)變片位置圖

3.2　實(shí)驗(yàn)開始和數(shù)據(jù)采集

本文首先根據(jù)被測(cè)樣機(jī)位置的材料及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)DH5937動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)力采集儀的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：采樣頻率為500Hz，采樣方式為連續(xù)采樣，顯示類型均為應(yīng)力，橋路類型均為方式2，應(yīng)變電阻均為120Ω，靈敏度系數(shù)均為2.08，泊松比均為0.29，彈性模量均為126GPa。

由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)比較多及實(shí)驗(yàn)條件的限制，所以本次實(shí)驗(yàn)分兩組完成，分別得到兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，如圖7和圖8所示。

圖7　A-D測(cè)點(diǎn)結(jié)果

圖8　E-H測(cè)點(diǎn)結(jié)果

圖7為第1組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，是對(duì)A、B、C、D這4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。A-X、A-Y、B-X、B-Y、C-X、C-Y、D-X、D-Y分別與圖中的8個(gè)通道相對(duì)應(yīng)。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3測(cè)點(diǎn)位置與通道號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

Table 3Relationship chart of the gauging points’ position and the channel number

測(cè)點(diǎn)位置通道號(hào)A-X(a-d)T8-2A-Y(a-d)T8-1B-X(a-d)T8-5B-Y(a-d)T8-4C-X(a-d)T8-3C-Y(a-d)T8-7D-X(a-d)T8-6D-Y(a-d)T8-8

圖8為第2組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，是對(duì)E、F、G、H這4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。E-Y、E-Z、F-X、F-Y、G-Y、G-Z、H-Y、H-Z分別與圖中的8個(gè)通道相對(duì)應(yīng)。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4測(cè)點(diǎn)位置與通道號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

Table 4Relationship chart of the gauging points’ position and the channel number

測(cè)點(diǎn)位置通道號(hào)E-Y(e-h)T8-1E-Z(e-h)T8-2F-X(e-h)T8-6F-Y(e-h)T8-5G-Y(e-h)T8-4G-Z(e-h)T8-3H-Y(e-h)T8-8H-Z(e-h)T8-7

3.3　動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果研究

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求在線彈性范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試的曲線，取新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~工作狀況下的平均值作為測(cè)點(diǎn)的測(cè)試應(yīng)力值。根據(jù)應(yīng)力絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差的絕對(duì)值來評(píng)判對(duì)動(dòng)態(tài)、計(jì)算應(yīng)力值的分析，以下為絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差絕對(duì)值的計(jì)算方法，即

特別說明：由于在理論情況下，新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)在剝?nèi)~工作狀態(tài)時(shí)，不受軸向(即Z軸方向)的力或受很小的力，所以在對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析時(shí)，沒有考慮軸向力的施加。因此，此處也不對(duì)剝?nèi)~機(jī)機(jī)架Z方向的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

另外，在對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試時(shí)，由于F-Y測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片發(fā)生了損壞，導(dǎo)致F-Y測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果有誤，所以該測(cè)點(diǎn)也不進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比分析。

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比分析的測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)整理結(jié)果如表5所示。

表5　測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果分析

由表5可以看出：大部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力誤差在10%以下，有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的大部分?jǐn)?shù)據(jù)相吻合。

4結(jié)論

1)通過對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析可知，該新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2)對(duì)新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證該機(jī)架有限元分析的正確性，即甘蔗剝?nèi)~機(jī)機(jī)架建模、約束和加載的準(zhǔn)確性。

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Structural Analysis and Experimental Study of New Type Sugarcane Leaf Stripper’s Frame

Yang Chunlan, Xu Minmin, Hu Mingjun, Huang Wei, Ma Fanglan, Lu Xuewen

(School of Mechanical Engineering, Guangxi University，Nanning 530004, China)

Abstract：Structural analysis and experimental verification of a new type of sugarcane leaf stripper’s frame were studied in the paper. Structural analysis was studied through the finite element analysis model that established according to the general design. The analysis showed that the strength of the frame meet the design requirements. In order to verify the result of the analysis further, dynamic strain and stress test was proceeded. Compared the result of the test with the simulation, it verified the accuracy of the structural analysis of the sugarcane leaf stripper. It also provided theoretical support to the reasonability of the design of the sugarcane leaf stripper.

Key words：sugarcane leaf stripper; frame; finite element analysis; strain and stress test

中圖分類號(hào)：S225.5+3；S220.39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0179-04

作者簡介：楊春蘭(1970-)，女(壯族)，廣西河池人，講師，碩士，(E-mail)bhchunlan@163.com。通訊作者：徐敏敏(1989-)，男，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)gxuxmm@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465004)

收稿日期：2015-11-05