4SZ-1型酸棗采收機機架有限元分析

李世偉，鄭美朝，鄭德聰

(1.山西省農業機械發展中心，山西 太原030027； 2.山西農業大學工學院，山西 太谷030801)

0 引言

酸棗是中國北方廣泛分布的一種林果資源，其棗肉具備豐富的營養價值，棗核則是著名的中醫藥材[1-2]。為提高酸棗采收效率、解決人工采收的諸多難題，設計并試制了4SZ-1型酸棗采收機。

4SZ-1型酸棗采收機是通過使樹干高頻振動，棗果受到較大的慣性力作用，完成棗果與樹枝的分離和采收[3-5]。

工作時，機具安裝的環境條件復雜，外部影響因素較多，對機架的工作性能也提出了較高要求[6]。由于工作中支座支撐反力較大，不僅要求機具與地面的錨固連接要可靠，機架本身的強度和剛度也必須嚴格控制，以保持機具在生命周期內不至于損壞和保證采收工作質量[7]。

本文通過ANSYS Workbench軟件平臺，以4SZ-1型酸棗采收機機架為研究對象，對機架進行靜力學有限元分析，為機架結構的設計優化提供依據[7-9]。

1 4SZ-1型酸棗采收機結構

4SZ-1型酸棗采收機的結構如圖1所示。主要由夾緊機構、機架、傳動機構、汽油機和棗果收集裝置等組成。

工作時，將棗果收集裝置布置于樹根四周，機架的4個支腳插入地下，使整機固定于樹旁，夾緊機構夾緊樹干。汽油機通過傳動機構驅動夾緊機構作高頻往復運動，使酸棗棗果與樹枝分離，落入收集裝置完成采收。

2 機架有限元分析模型

2.1力學模型

4SZ-1型酸棗采收機機架力學模型如圖2所示。以其中一個固定支腳O為坐標原點，建立右手直角坐標系。4個支撐點分別為約束點。外載荷主要為汽油機自重、汽油機連接支撐反力、曲柄軸承座支撐反力和滑塊軸承座支撐反力等。

4SZ-1型酸棗采收機傳動部件是曲柄滑塊機構，可選定滑塊位于兩極限位置作為機架有限元靜力學分析的工作狀態[10]。如圖3所示，當滑塊4位于最遠端時，設為工況a；當滑塊4位于最近端時，設為工況b。

不同的工況下機架所受載荷數據也不同，根據機構曲柄以1 200 rmin運轉時的運動學和動力學分析結果，獲取機架所受外載荷數據，如表1所示[4]。

表1 機架所受外載荷

2.2幾何模型

根據機架結構設計的結果，利用ANSYS Workbench建立機架有限元幾何模型，結果如圖4所示。

2.3有限元分析模型

機架分析的有限元模型如圖5所示[11]。網格劃分結果為252 632個節點、131 580個四面體單元，全局單元尺寸設定為3 mm。

3 機架有限元靜力學分析

3.1機架材料參數

機架材料參數如表2所示。

表2 機架材料力學性能

3.2邊界條件處理

根據機架力學模型的簡化結果，位移邊界條件為4個支腳部位，設定6個位移分量為0。載荷邊界條件的處理根據靜力等效原則將實際載荷移置到支座連接孔處，如圖2所示[12-14]。不同工況下載荷移置結果不同，移置結果如表3、表4所示。

表3 工況a時載荷移置數據

表4 工況b時載荷移置數據

邊界條件處理后，通過軟件可直觀體現機架的載荷添加情況和約束情況，處理結果如圖6、圖7所示[15-16]。

3.3計算結果和分析

通過軟件內置求解器進行求解運算，得出求解結果并進行結果后處理，獲取機架在不同工況下位移、應力和應變變化云圖[17-19]。工況a的后處理結果如圖8～10所示，工況b的后處理結果圖11～13所示。

工況a位移云圖表明，機架滑塊軸承座固定處外下方存在z軸負方向位移變化較大，其值為0.285 3 mm，滑塊導軌連接座厚度遠大于機架鋼板厚度，不影響滑塊導軌機構正常工作[20-21]。曲柄支撐板頂端內側位移較大，其值為0.499 4 mm，此處距離曲柄軸承安裝位置較遠，不影響軸承正常工作。

工況a應力云圖表明，機架滑塊軸承座固定處外下側(螺栓孔5、6處)和機架曲柄軸承座下方的應力水平較高。機架正前方滑塊導軌固定處外側角鋼邊緣存在應力極值，其值為239.63 MPa，小于機架材質屈服極限，其他部位應力極小且分布均勻，約為3.8×10-4MPa。

鑒于機架是同一材質的板材和型材組成焊接式結構，其應變發生部位和大小與其應力變化呈正相關，機架正前方滑塊導軌固定處外側的角鋼邊緣存在應變極值，其值為0.001 3，其他區域應變極小且分布均勻，忽略不計，約為1.96×10-9。

工況b位移云圖表明，機架支撐平面中心(螺栓孔6、8、10處附近)z軸負方向位移變化較大，其值為0.473 2 mm，滑塊軸承座厚度遠大于機架鋼板厚度，不影響滑塊導軌機構正常工作。曲柄支撐板頂端邊緣存在位移變化極值，其值為0.946 4 mm，該部位距離曲柄軸承安裝位置較遠，不影響軸承正常工作。

工況b應力云圖表明，機架滑塊導軌固定處側方和機架支撐平面(螺栓孔12處附近)應力水平較高。機架右側滑塊導軌固定處角鋼邊緣存在應力極值，其值為200.05 MPa，小于機架材質屈服極限，其他部位應力極小且分布均勻，約為3.8×10-4MPa。

鑒于機架是同一材質的板材和型材組成焊接式結構，其應變發生部位和大小與其應力變化呈正相關，機架右側滑塊軸承座固定處角鋼邊緣存在應變極值，其值為0.001 2，其他區域應變極小且分布均勻，忽略不計，約為1.91×10-9。

4 結論

(1)根據靜力學等效原則，完成不同工況時的載荷移置。確定了曲柄滑塊式搖樹機構在曲柄工作轉速為1 200 rmin，滑塊運動到兩個極限位置時機架受力，并將其作為邊界條件添加在有限元分析模型上，為機架有限元分析提供基礎參數。

(2)4SZ-1型酸棗采收機機架在滑塊運動到機構遠端位置時，應力范圍為3.8×10-4～239.63 MPa，應變范圍為1.96×10-9～1.3×10-3，位移變化范圍為0～0.499 4 mm，應力極值小于機架材質屈服極限，滿足機具正常工作的剛度和強度要求。

(3)4SZ-1型酸棗采收機機架在滑塊運動到機構近端位置時，應力范圍為3.8×10-4～200.05 MPa，應變范圍為1.91×10-9～1.2×10-3，位移變化范圍為0～0.946 4 mm，應力極值小于機架材質屈服極限，滿足機具正常工作的剛度和強度要求。

根據靜力學等效原則，完成了不同工況時的載荷移置，通過ANSYS Workbench軟件分析4SZ-1型酸棗采收機機架在不同工況下的位移、應力和應變情況，既是對機架剛度和強度的校核計算，也是為今后機型的設計優化提供有力支撐。