高度可調式甘蔗運輸機的分析與實驗
——基于有限元法

梁 策，孟 強，成 銘，謝炳光，許海浪

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

為解決甘蔗在運輸上車均為人工作業及運輸汽車的車廂底板高度不一的問題，設計了高度可調式甘蔗運輸機。該機在實驗中的效率表現十分優良，為了保證高度可調式甘蔗運輸機能夠可靠工作，需要對可調式甘蔗運輸機進行結構的強度分析，但是通過實體測試費時費力，所以本文采用有限元法對高度可調式運輸機進行強度分析。

本文運用ANSYS Workbench對該機械的3件危險零件進行強度分析，以便得到該機械在兩種極限工況下的最大負載條件下的安全系數；同時，通過比較，取3件零件在兩種工況下的較小者為整機的安全系數，再由整體機械的安全系數來評定高度可調式甘蔗運輸機的安全性。

1 高度可調式甘蔗運輸機結構與工況分析

1.1 高度可調式運輸機結構分析

高度可調式運輸機主要由機架部分、動力傳輸部分、運輸部分及高度調節部分組成，如圖1所示。由力分析可知：在高度可調式運輸機工作過程中，其危險部件有3個，分別為運輸架、大鏈輪和小鏈輪。所以，本文將在高度運輸機兩種極限工位處、最大允許載荷條件下對3個危險部件分別進行強度分析，然后再對整機進行安全系數評定。

1.底座 2.變速器 3.電動機 4.運輸支架

1.2 高度可調式運輸機工況分析

由設計要求可知，高度可調式運輸機的工況如表1所示。

表1 高度可調甘蔗運輸工況表 Table 1 Height adjustable cane transport condition tables

本文將以最大運輸條件下的兩個極限位置為研究條件：單次運輸載重為25kg，可調角度為45°和60°，并以45°工況為極限位置1,60°為極限位置2。

2 運輸架的強度分析

2.1 極限位置1強度分析

2.1.1 模型的建立與工況的添加

由UG模型導入ANSYS Workbench模型中，選定運輸架的材料為結構鋼，并進行網格處理，如圖2所示。設定甘蔗模型的密度，使得其質量為25kg，添加-Z方向的重力加速度，得到極限位置1的工況的添加，最后以運輸架與鏈條的固定點創建固定約束，完成整體的研究模型的建立。

圖2 極限位置1的研究模型

2.1.2 極限位置1的結果分析

通過以上研究模型的建立，并進行求解，分別得到運輸架的應力云圖、應變云圖及安全系數云圖。

1)極限位置1運輸架應力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置1的應力云圖，如圖3所示。

圖3 運輸架極限位置1的應力云圖

由圖3可知：輸架極限位置1的最大應力為141.94MPa，而結構鋼的屈服強度為215～235MPa，運輸架在工作過程中是安全的。

2)極限位置1運輸架應變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置1的應變云圖，如圖4所示。

圖4 運輸架極限位置1的應變云圖

由圖4可知：運輸架運輸架極限位置1的最大應變為2.4711×10-6m ，而結構鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，運輸架在工作過程中是安全的。

3)極限位置1運輸架安全系數云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置1的安全系數云圖，如圖5所示。

圖5 運輸架極限位置1的安全系數云圖

由圖5可知：運輸架極限位置1的最小安全系數為1.764 3，即運輸架有安全預留。

2.2 極限位置2強度分析

2.2.1 模型的建立與工況的添加

同理，將UG模型導入ANSYS Workbench模型中，選定運輸架的材料為結構鋼，并進行網格處理，如圖6所示。設定甘蔗模型的密度，使得其質量為25kg，添加-Z方向的重力加速度，得到極限位置2工況的添加，最后以運輸架與鏈條的固定點創建固定約束，完成整體的研究模型的建立。

2.2.2 極限位置2的結果分析

通過以上研究模型的建立，并進行求解，分別得到運輸架的應力云圖、應變云圖以及安全系數云圖。

1)極限位置2運輸架應力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置2的應力云圖，如圖7所示。

圖6 極限位置2的研究模型

圖7 運輸架極限位置2的應力云圖

由圖7可知：運輸架極限位置1的最大應力為137.4MPa，而結構鋼的屈服強度215～235MPa，運輸架在工作過程中是安全的。

2)極限位置2運輸架應變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置2的應變云圖，如圖8所示。

圖8 運輸架極限位置2的應變云圖

由圖8可知：運輸架運輸架極限位置1的最大應變為2.520 5×10-6m，而結構鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，運輸架在工作過程中是安全的。

3)極限位置2運輸架安全系數云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下的極限位置2的安全系數云圖，如圖9所示。

圖9 運輸架極限位置2的安全系數云圖

由圖9可知：運輸架極限位置1的最小安全系數為1.819 5，即運輸架有安全預留。

2.3 運輸架安全系數的確定

由以上兩種極限位置可知：取其中較小的安全系數為運輸架的安全系數，即運輸架的安全系數為1.764 3。

3 大鏈輪的強度分析

在高度可調式甘蔗運輸機工作過程中，大鏈輪與鏈條都是與鏈條運動方向相垂直的接觸受力面承受的力有瞬間最大值，近似地可看成是所帶載荷的力，所以只需研究瞬間承受最大壓力的垂直面即可。

3.1 模型的建立與工況的添加

將UG模型導入ANSYS Workbench模型中，選定大鏈輪的材料為結構鋼，并進行網格處理，如圖10所示。以大鏈輪安裝孔的內壁為固定面形成約束，以其中一個齒的齒面為受力面，施加與25kg甘蔗的重力相等的力為載荷，完成大鏈輪的工況模型。

圖10 大鏈輪網格圖

3.2 大鏈輪結果分析

通過以上研究模型的建立，并進行求解，分別得到大鏈輪的應力云圖、應變云圖以及安全系數云圖。

1)大鏈輪應力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下大鏈輪的應力云圖，如圖11所示。

圖11 大鏈輪應力云圖

由圖11可知：大鏈輪的最大應力為28.384MPa，而結構鋼的屈服強度為215～235MPa，運輸架在工作過程中是安全的。

2)大鏈輪應變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下大鏈輪的應變云圖，如圖12所示。

圖12 大鏈輪應變云圖

由圖12可知：大鏈輪的最大應變為5.188 7×10-6m，而結構鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，大鏈輪在工作過程中是安全的。

3)大鏈輪安全系數云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下大鏈輪的安全系數云圖，如圖13所示。

由圖13可知：大鏈輪的最小安全系數為3.037，即大鏈輪有安全預留。

3.3 大鏈輪安全系數的確定

由上結果分析可知，在任意角度下，在最大載荷條件下 ，大鏈輪的安全系數均為3.037。

圖13 大鏈輪安全系數云圖

4 小鏈輪的強度分析

在高度可調式甘蔗運輸機工作過程中，小鏈輪與鏈條都是與鏈條運動方向相垂直的接觸受力面承受的力有瞬間最大值，其近似地可看成是所帶載荷的力，所以只需研究瞬間承受最大壓力的垂直面即可。

4.1 模型的建立與工況的添加

同理，將UG模型導入ANSYS Workbench模型中，選定小鏈輪的材料為結構鋼，并進行網格處理，如圖14所示。以小鏈輪的安裝孔的內壁為固定面形成約束，以其中一個齒的齒面為受力面，施加與25kg甘蔗的重力相等的力為載荷，完成小鏈輪的工況模型。

圖14 小鏈輪網格圖

4.2小鏈輪結果分析

通過以上研究模型的建立，并進行求解，分別得到小鏈輪的應力云圖、應變云圖以及安全系數云圖。

1)小鏈輪應力云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下小鏈輪的應力云圖，如圖15所示。

由圖15可知：小鏈輪的最大應力為12.557MPa，而結構鋼的屈服強度為215～235MPa，運輸架在工作過程中是安全的。

2)小鏈輪應變云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下小鏈輪的應變云圖，如圖16所示。

圖15 小鏈輪應力云圖

圖16 小鏈輪應變云圖

由圖16可知：大鏈輪的最大應變為1.063 1×10-6m ，而結構鋼的彈性形變極限為1.14×10-4m，運輸架在工作過程中是安全的。

3)小鏈輪安全系數云圖。由ANSYS Workbench求解得到最大載荷下小鏈輪的安全系數云圖，如圖17所示。

圖17 小鏈輪安全系數云圖

由圖17可知：小鏈輪的最小安全系數為6.8646，即小鏈輪有安全預留。

4.3 小鏈輪安全系數的確定

由上結果分析可知：任意角度時，在最大載荷條件下 ，小鏈輪的安全系數均為6.864 6。

5 高度可調式運輸機安全系數評定

通過對高度可調式甘蔗運輸機的三大危險零件分別進行強度分析，得到各部件的安全系數及高度可調式甘蔗運輸機的安全系數，如表2 所示。

表2 高度可調式甘蔗運輸機安全系數的確定

由表2可知：在最大運輸載荷條件下，高度可調式運輸機仍然有1.764 3的安全系數。本實驗室設計的高度可調式甘蔗運輸機在保證良好的運輸效率的前提下，仍有較高的安全預留度，即在保證有較好的安全系數下也可以實現一定小量的、短時間的超負荷運作。

6 高度可調式運輸機效率實驗

經實驗室試制后進對該機械的效率進行測試。由于該機械的運動時間周期只與其選定的工作擋位有關，與其自身選擇的角度無關，所以實驗過程只需要在極限角度范圍的任意一個角度進行即可，結果如表3所示。

表3 效率實驗表

由表3可知：最大裝運效率5.4t/h，就現行的農場生產和裝載效率來說可達到所需的裝載目標；同時，對于大型農場來說，可根據生產需要改變電動機規格和相應傳動系的結構參數，即能達到更高的生產效率。

7 結論

通過對高度可調式甘蔗運輸機的有限元分析分析及工作效率實驗可知，該機械在較為惡劣的工作條件下依然可以保證1.764 3的整機安全系數。同時，在實驗中驗證了該機械的工作可靠性及良好的機械振動特性。該機械的最大裝運效率可達到5.4t/h，對于現行的農場生產和裝載效率來說可以達到所需的裝載目標，具有良好的市場前景。

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