多自由度自鎖式香蕉收割機的有限元分析

盧煜海，曾昭文，馬桂香，馬俊生

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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多自由度自鎖式香蕉收割機的有限元分析

盧煜海，曾昭文，馬桂香，馬俊生

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對大規模香蕉種植基地香蕉收割機具的研發比較缺乏，研制了一種多自由度自鎖式香蕉收割機。該機可收割各型株高的香蕉，具有自鎖、多自由度動作及小型運輸等特點。通過分析該機的工作原理，對其關鍵零部件建立有限元模型，進行基于ANSYS的有限元分析。結果表明：收割機關鍵零部件的剛度和強度滿足工作要求。自鎖式多自由度香蕉收割機的研制可為其他類似農作物收割機具的研制提供參考。

關鍵詞：香蕉收割機;自鎖;多自由度;ANSYS

0引言

香蕉種類繁多，廣泛栽培于我國的廣東、廣西、海南、臺灣等地區，品種豐富，色香味美，深受廣大消費者喜愛，擁有較高的經濟價值和廣泛的消費市場。目前，大規模香蕉種植基地香蕉的收割與基地運輸沒有比較成熟的機具，普遍是人工鐮刀收割、肩挑運出基地方式，勞動強度大，工作效率低。因此，研制一種集收割運輸一體，操作簡單、結構合理、輕巧牢固，可作業各型株高的香蕉收割機十分必要。為使該機結構合理、輕巧牢固，可承受較大的負載，且為今后香蕉收割機具的研發提供有效的設計參考，利用有限元理論，結合ANSYS軟件，對多自由度自鎖式香蕉收割機的關鍵零部件進行強度剛度分析，驗證其設計和材料是否滿足工作要求。此方法對降低研發成本，明確收割機的負載范圍，提高機具使用壽命具有重要的指導意義。

1工作原理

多自由度自鎖式香蕉收割機主要由動力系統、進給系統及收割系統等部分組成，如圖1所示。

動力系統由蓄電池為直流電機供電驅動收割機前行，代替了傳統的柴油機，節能減排。進給系統擁有3個自由度，采用手動方式，通過開式齒輪齒條結構實現X方向進給、自鎖式螺桿傳動螺母移動螺旋結構實現Y方向進給、剪叉升降-螺旋傳動自鎖復式結構實現Z方向進給，把收割系統輸送到所要作業的位置。收割系統擁有2個自由度，由小型直流電機驅動刀具對香蕉進行收割。收割機的下半機體設計有空間，可放置收割后的香蕉對其進行運輸。

圖1　多自由度自鎖式香蕉收割機的結構示意圖

2動力系統力學分析

動力系統通過蓄電池為直流電機提供電源驅動整機前進。電機的輸出端與小鏈輪連接，小鏈輪通過鏈條與固定在大輪車軸中間的大鏈輪連接。當收割機的路況不佳、鏈條以低鏈速(v≤0.6m/s)傳動時，其主要失效形式為靜力破壞。鏈傳動的靜力破壞限制鏈傳動能夠承受的最大載荷，因此需要對鏈傳動關鍵零部件鏈輪及鏈條的靜力破壞進行有限元分析。

2.1鏈傳動的受力分析

如圖2所示，鏈傳動在工作時，存在緊邊拉力和松邊拉力。如果不計傳動中的動載荷，則緊邊拉力和松邊拉力分別為

F1=Fe+Fc+Ff

(1)

F2=Fc+Ff

(2)

式中Fe—有效圓周力(N)；

Fc—離心力引起的拉力(N)；

Ff—懸垂拉力(N)。

有效圓周力為

(3)

式中P—傳遞的功率(kW)；

v—鏈速(m/s)。

離心力引起的拉力為

Fc=qv2

(4)

式中q—鏈條單位長度的質量(kg/m)。

圖2　鏈傳動原理圖

如圖3所示，假想下方懸垂鏈條從中部斷開，對鏈與鏈輪的起始接觸點取力矩，則由平衡條件得

(5)

(6)

式中q—鏈條單位長度的質量(kg/m)；

g—重力加速度(N/kg)；

a—鏈傳動中心距(m)；

f—下垂度(m)。

2.2鏈傳動的參數選擇

按照鏈輪傳動額定功率曲線，收割機在負載地形工作，承受沖擊載荷。優選地，z1取17，且鏈輪齒萃硬。由于鏈節數通常是偶數，為使鏈條和鏈輪磨損均勻，常取鏈輪齒數為奇數，并盡可能與鏈節數互質，收割機不需要很大減速比，z2取19。收割機采用額定功率1.5kW的電機，根據鏈傳動的工作情況、小鏈輪齒數及鏈條排數，將鏈傳動所傳遞的功率修正為當量的單排鏈的計算功率，則有

式中KA—工況系數，取1.1；

KZ—小鏈輪齒數系數，取0.53；

Kp—多排鏈系數，取1；

P—傳遞的功率(kW)。

根據Pca=2.52kW以及最低設計工作轉速n1=80r/min,鏈型可選16A，則鏈條節距p=25.4mm。

圖3　懸垂拉力計算簡圖

a0=(30～50)p=762～1 270mm

取a為920mm，相應的鏈長節數為

因此，取鏈長節數Lp為90節。

鏈速v為0.6m/s時，有效圓周力為

鏈條常用材料為45Mn，線密度q為6.38kg/m，則離心力引起的拉力為

Fc=qv2≈2.30N

鏈條下垂度為30mm時，鏈條的懸垂拉力為

所以鏈條的緊邊拉力為

F1=Fe+Fc+Ff=2722.80N

鏈條松邊拉力為

F2=Fe+Ff=2720.50N

3小鏈輪的有限元分析

3.1材料特性

鏈輪輪齒要具有足夠的耐磨性和強度。由于小鏈輪輪齒的嚙合次數比大鏈輪多，所受沖擊也比較大，故小鏈輪應采用較好的材料制造。國內常用的材料為45Mn優質碳素結構鋼，具有較高強度、硬度、耐磨性及良好的韌性。其主要力學性能，如圖4所示。

圖4　45Mn鋼的力學性能

3.2網格劃分

網格的劃分是指將模型劃分為許多具有簡單形狀的有限單元，這些有限單元通過節點相互連接在一起。網格的質量決定了有限元分析的精度，網格質量由網格類型、網格參數和局部網格控制幾個因素保證。小鏈輪網格類型選擇三角形面片，單元大小按零件大小智能劃分，全局網格控制方式，有限元模型如圖5所示。

圖5　小鏈輪網格劃分圖

3.3有限元計算

選取小鏈輪與緊邊鏈條嚙合的一個輪齒，在其與鏈條滾子嚙合處施加載荷，計算鏈輪在低速(v≤0.6m/s)傳動下，輪齒的應力分布情況。平均負載計算至少為480.40N，現在給輪齒施加500N載荷。

經有限元計算，小鏈輪應力分布情況如圖6所示。輪齒與鏈條滾子嚙合處所受的最大應力，圖6中應力條頂部所示最大應力為7.379e+006MPa，遠小于材料的屈服應力1.850e+008MPa，所以小鏈輪強度滿足要求。

圖6　小鏈輪應力圖

經有限元計算，小鏈輪形變分布情況如圖7所示。圖7中應變條頂部所示最大形變為1.562e-003mm，在材料彈性范圍內變形極微小，所以小鏈輪剛度滿足要求。

4外鏈板的有限元分析

4.1材料特性

鏈條傳動是具有中間撓性件的嚙合傳動，在運動過程中，外鏈板的兩端受到緊邊拉力的作用。鏈板的使用性能要求有較高的抗拉強度及韌性，國內普遍選用45Mn制造，材料特性如圖4所示。

4.2網格劃分

外鏈板網格類型選擇三角形面片，單元大小按零件大小智能劃分，全局網格控制方式，有限元模型如圖8所示。

圖7　小鏈輪形變圖

圖8　外鏈板網格劃分圖

4.3有限元計算

鏈條的兩側分別有一塊外鏈板，所以單側外鏈板所承受的拉力為緊邊拉力的1/2，則

而單側鏈板承受拉力的部分為外半圓周，計算拉力為1 361.40N，現在外半孔心處施加圓周向外1 400N載荷。

經有限元計算，鏈板外半圓周部分應力圖如圖9所示。圖中應力條頂部所示最大應力為4.723e+007MPa，遠小于屈服應力1.850e+008MPa，外鏈板強度滿足要求。

經有限元計算，鏈板外半圓周部分形變分布情況如圖10所示。圖10中應變條頂部所示最大形變為7.599e-004mm，在材料彈性范圍內變形極微小，所以外鏈板剛度滿足要求。

5結論

1)多自由度自鎖式香蕉收割機動力系統主要零部件最大應力遠小于材料的許用應力，滿足強度要求。

2)多自由度自鎖式香蕉收割機動力系統主要零部件形變極小，在材料彈性范圍內，滿足剛度要求。

3)多自由度自鎖式香蕉收割機可在路況不佳情況下，以低鏈速前行。

圖9　外鏈板應力圖

圖10　外鏈板形變圖

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0065-EA

Finite Element Analysis to Banana Harvester with Multi Degree of Freedom and Self Looking

Lu Yuhai, Zeng Zhaowen, Ma Guixiang, Ma Junsheng

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

Abstract：Due to the lack of research and development for large banana planting base of banana harvesting equipment, a multi degree of freedom and self-locking banana harvester was designed. The machine can harvest the various types of bananas. It has the characteristics of self-locking, multi degree of freedom movement, small transport etc. Through the analysis of the working principle of the machine, the finite element model is established for the key parts, and finite element analysis based on ANSYS is done. The results show that: the stiffness and strength of the harvester key parts can meet the requirements of the job. Design of banana harvester with multi degree of freedom and self locking can be provided as a reference to other similar crop harvesting machinery.

Key words：banana harvester； self locking, multiple degrees of freedom； ANSYS

文章編號：1003-188X(2016)03-0065-04

中圖分類號：S225.93；S59

文獻標識碼：A

作者簡介：盧煜海(1970-)，女，廣西桂平人，講師，(E-mail)lyuhai@163.com。通訊作者：曾昭文(1988-)，男，江西吉安人，碩士研究生，(E-mail)zzw2015tg@sohu.com。

基金項目：廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室項目(1305109S03)

收稿日期：2015-02-10