基于UG對臥式杠桿木薯拔起裝置的有限元分析

盧煜海，葉自旺，成 銘，王 勇，徐佳晨

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

木薯是一種用作飼料和提取淀粉的原材料，提取產物木薯淀粉廣泛應用于食品工業及非食品工業，需求極大。但是，目前木薯的拔起工作主要依靠手工，且木薯主要種植在山地，土地緊實、不易拔起，單純依靠手工拔起顯然勞動強度大，還降低了采收效率，難以滿足日益增長的木薯需求。

為此，設計了一種臥式杠桿木薯拔起裝置，旨在解決木薯拔起過程中純手工拔起勞動強度大等的問題，并可應對在實際拔起過程中木薯桿的夾持及其方向問題，實現了木薯夾持的自鎖功能及拔起的多自由度。同時，為達到設計目標，對設計方案進行運動有限元分析，并對該裝置進行實驗，獲得實驗數據，以此來優化該裝置的結構及零部件的尺寸，保證臥式杠桿木薯拔起裝置的拔起力度和采收率。

1 結構設計及工作原理分析

1.1 結構設計

臥式杠桿木薯拔起裝置主要由三大部分組成，分別為雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構、蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構及多自由度木薯拔起機構。其中，雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構能夠利用外嚙合齒輪轉向相反的原理實現裝置的夾持功能；蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構能夠將作用在把手上的力通過蝸輪蝸桿帶動雙齒輪實現夾持，同時還能夠利用其自身具有的自鎖功能，使得夾持機構能夠緊緊地夾持住木薯桿；多自由度木薯拔起機構則處于裝置的底部，用于實現在實際運轉中需要在水平和垂直方向上的調整。運用三維造型軟件UG對其進行三維造型，具體結構如圖1所示。

1.把手 2.蝸桿 3.右軸承座 4.轉動手輪 5.支撐板 6.彈簧 7.彈簧連接桿 8.轉動軸 9.導槽 10.支架 11.后輪 12.前輪 13.軸承 14.從動轉動軸 15.齒輪固定板 16.右夾持手柄 17.從動齒 18.左夾持手柄 19.主動齒 20.主動齒轉動軸 21.蝸輪 22.左軸承座

1.2 關鍵部分設計

1.2.1 雙齒輪的結構設計

在進行雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的設計時，由于需要保持兩夾持手柄的轉動角度相同，因此其傳動比應該要滿足以下要求，即

式中Z1—主動齒的齒數；

Z2—從動齒的齒數；

i12—主動齒對從動齒的傳動比。

經過嚴格的設計計算后，最終確定了該雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構的主要參數如表1所示。

表1 雙齒輪的主要參數Table 1 The main parameters of double gear

1.2.2 蝸輪蝸桿的結構設計

考慮到蝸輪蝸桿在實際工作中傳動平穩性及蝸輪滾刀切制蝸輪時產生根切與干涉的問題，將蝸輪蝸桿設計成如表2所示的參數。

表2 蝸輪蝸桿的主要參數Table 2 The main parameters of worm gear and worm

其中，傳動比的計算為

式中Z3—蝸桿的頭數；

Z4—蝸輪的齒數；

i34—蝸桿對蝸輪的傳動比。

1.2.3 關鍵部分的傳動比計算

在上面對雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構及蝸輪蝸桿的設計參數中，得到了雙齒輪、蝸輪及蝸桿的齒數(頭數)的具體數據，由此可得到運動的輸入端與輸出端的轉速比。由于蝸輪與從動齒連接在同一根轉動軸上，則其公式為

式中Z3—蝸桿的頭數；

Z4—蝸輪的齒數；

i34蝸桿對蝸輪的傳動比；

i31—蝸桿對主動齒的傳動比。

1.3 臥式杠桿木薯拔起裝置的工作原理分析

臥式杠桿木薯拔起裝置是一種能夠實現木薯拔起的機械化夾持與拔起的農業機械設備，其整體運動是靠人力推動把手使得該裝置向前運動，通過轉動手輪帶動蝸輪蝸桿轉動進而驅動雙齒輪運動，實現該裝置的夾持運動；而通過以轉動軸的軸心為支點，作用在把手上的力為主動力，作用在夾持手柄上的力為阻力，實現裝置的拔起功能。

在雙齒輪驅動夾持木薯拔起機構中，用右轉動夾持手柄調節螺栓和左轉動夾持手柄調節螺栓使得右夾持手柄和左夾持手柄分別與從動齒轉動軸和主動齒轉動軸連接在一起，使得夾持手柄隨著齒輪轉動軸的轉動而轉動。由于外嚙合齒輪的齒輪轉動方向相反，當主動齒順時針轉動時，從動齒逆時針轉動，左夾持手柄和右夾持手柄會靠近，進行木薯桿的夾持工作。

在蝸輪蝸桿自鎖木薯拔起機構中，通過轉動手輪帶動蝸輪蝸桿轉動進而驅動雙齒輪運動，實現該裝置的夾持運動；同時，利用蝸輪蝸桿的自鎖原理，可以將木薯桿緊緊地夾持住，方便木薯的拔起工作。此外，通過往下壓把手，以轉動軸的軸心為支點，以作用在把手上的力為動力，作用在夾持手柄上的力為阻力，形成一個杠桿機構，從而實現木薯的拔起工作。

在多自由度木薯拔起機構中，通過轉動軸的作用可以實現鉛直方向的轉動，從而實現木薯的拔起運動；通過導槽輪在左導槽和右導槽的滑動實現水平方向的進給運動；通過轉動軸承的作用實現水平方向的旋轉運動，從而能夠在夾緊木薯桿的情況下左右擺動把手，使得木薯桿的根部松動，便于進行拔起工作；此外，還能夠利用彈簧的彈性作用實現裝置的自動復位功能。該裝置的多自由度設計能夠滿足絕大部分的生產需要，具有很好的應用前景。

2 對臥式杠桿木薯拔起裝置的有限元分析

在UG中做好三維造型后，直接在UG中進行有限元分析。有限元分析的目的在于機械的可運行性及臥式杠桿木薯拔起裝置的材料是否滿足實際的工作需要的問題。首先對該裝置的整體進行網格的劃分(見圖2)，以此來模擬該裝置在實際使用過程中的受力情況，從而驗證臥式杠桿木薯拔起裝置的材料是否滿足實際的工作需要。在圖2中對裝置的整體進行了網格劃分，定義網格尺寸為5mm，定義網格的劃分方法為六面體為主，即讓有限元模型具有盡量多的六面體網格，最后生成網格。

圖2 臥式杠桿木薯拔起裝置的的網格劃分圖Fig.2 The grid division of the horizontal lever casserole uplift device

蝸輪蝸桿及雙齒輪驅動夾持部分作為裝置的重要組成部分，其中蝸輪蝸桿的自鎖作用能夠使得裝置緊緊地夾緊木薯桿，方便木薯的夾持和拔起工作；而雙齒輪驅動夾持部分則利用外嚙合傳動齒輪的旋轉方向相反，實現夾持手柄的夾持作用。在圖2中對裝置的整體進行了網格的劃分，然后對該裝置的雙齒輪驅動夾持部分進行力學分析，得出了臥式杠桿木薯拔起裝置的夾持機構的等效應力云圖及等效位移云圖，如圖3、圖4所示。

根據具體工作情況分析，零件需要有足夠的韌性、耐磨性及強度，因此使用中碳馬氏體鋼。中碳馬氏體鋼的彈性模量E=32GPa，屈服極限δs=380MPa，泊松比μ=0.3。通過UG的指派材料功能進行材料屬性編輯。

此時，夾持手柄作為臥式杠桿木薯拔起裝置的主要受力部件，此時著重對夾持手柄進行力的分析，同時對夾持手柄與木薯桿接觸面的垂直面上向外施加100N的作用力，以及在重力方向上施加80N的作用力，由此可得出了如圖3、圖4所示的臥式杠桿木薯拔起裝置夾持機構的等效應力云圖及等效位移云圖。

圖3 臥式杠桿木薯拔起裝置的等效應力云圖Fig.3 Equivalent stress cloud diagram of horizontal lever cassava pull up device

圖4 臥式杠桿木薯拔起裝置的等效位移云圖Fig.3 Equivalent displacement cloud diagram of horizontal lever cassava pull up device

3 對臥式杠桿木薯拔起裝置的結果分析

經有限元計算，夾持手柄最大應力發生在夾持手柄的中間位置，最大應力為140.851MPa，此時臥式杠桿木薯拔起裝置滿足強度和剛度要求。

4 對臥式杠桿木薯拔起裝置的實驗及分析

由上述有限元分析可知：臥式杠桿木薯拔起裝置滿足強度和剛度要求。經過嚴格對木薯生活環境以及生長規律的研究，不斷改進臥式杠桿木薯拔起裝置的機構，確定了各零部件的所使用的材料及裝配工藝，并進行實驗和采收效率測試，以保證臥式杠桿木薯拔起裝置的強度和剛度能夠滿足實際的生產要求，最大限度地減輕農民們勞動強度。臥式杠桿木薯拔起裝置的自鎖性能好，夾持力度大，對木薯的夾持及拔起有很好的適應性，實物圖如圖5、圖6所示。

圖5 臥式杠桿木薯拔起裝置整體實物圖Fig.5 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the overall physical diagram

圖6 臥式杠桿木薯拔起裝置部分實物圖Fig.6 The graph of the horizontal lever cassava device to pull up with the portion physical diagram

5 結論

經過有限元分析及對裝置的實地測試可知：臥式杠桿木薯拔起裝置具有良好的工作可靠性和適應性。利用UG軟件真實再現了臥式杠桿木薯拔起裝置的夾持手柄的應力與變形情況，結果表明：滿足強度和剛度要求，具有明顯優于傳統手工的優勢，滿足了社會生產需要，極具發展前景。