基于ANSYS的養蠶裝置接沙盤鎖緊機構的設計和仿真

黃 崢，黃澤界

（遵義職業技術學院，貴州遵義 563000）

0 引言

蠶桑產業在我國有著悠久的歷史，20世紀70年代，我國蠶繭產量就超越了日本成為世界第一大蠶繭生產國。2019年我國桑園面積為75.53萬hm2；蠶繭產量為72.08萬t，蠶繭和生絲產量占全球80%以上。2000年，國家經貿委提出“東桑西移”戰略，商務部在2006年開展了“東桑西移”工程，中西部地區的蠶桑產業得到了飛速的發展。產業轉移的原因在于我國蠶桑產業的機械化自動化程度較低，對產業技術人員的依賴度高。土地和人力成本的不斷攀升導致了國家蠶桑產業發展戰略的轉移。

根據2017年對山東、浙江兩地的蠶桑從業人員進行調研時發現，蠶農老齡化程度高，老齡化趨勢嚴重。根據相關報道，目前我國蠶桑產業綜合機械化率還不到5%，主要依靠人力，勞動強度大、生產效率低是蠶桑產業中亟待解決的問題。工信部等六部門印發的《蠶桑絲綢產業高質量發展行動計劃（2021—2025年）》中提到了建設規模化、集約化的蠶桑基地。通過產業政策引導，在蠶桑主產區持續推動蠶桑規模化和集約化發展，建立適合機械化作業、自動化操作的標準化蠶桑種養新體系。

1 方案簡介

除沙是養蠶作業中的一個重要環節，其目的在于清除蠶箔中的桑葉殘渣、蠶的排泄物等。如果不清除蠶沙，則會導致蠶箔內蠶沙的堆積，造成細菌和病毒感染。傳統的除沙方法是工人將蠶移到一個干凈的蠶箔之后，再將原蠶箔中的蠶沙清掃干凈。因此，除沙作業的時間成本和人力成本均居高不下。本設計方案的目的在于進一步提高養蠶的機械化水平，為接沙盤設計了一套鎖緊機構，實現接沙盤的解鎖和鎖緊。接沙盤的作用在于收集從蠶箔掉落的蠶沙，并進行清理。

1.1 安裝位置、結構及工作原理

1.1.1 安裝位置

本設計方案鎖緊機構的安裝位置（圖1）。用于養蠶的蠶箔放置在蠶架內，兩個鎖緊機構對稱安裝在蠶架兩側，接沙盤通過兩個鎖緊機構鎖緊在蠶架底部。

圖1 鎖緊機構安裝位置示意圖

1.1.2 鎖緊機構的結構

鎖緊機構的具體結構（圖2）。彈簧體和安裝座都安裝固定在蠶架上，夾板與安裝座通過銷軸連接，夾板上端與彈簧體之間無連接，彈簧體內使用的彈簧為壓縮彈簧，彈簧體內的彈簧在圖示狀態下處于壓縮狀態，橡膠板粘貼在夾板下端。橡膠板的作用在于減小摩擦及緩沖。

圖2 鎖緊機構結構示意圖

1.1.3 工作原理

解鎖作業：當需要進行除沙作業時，直線運動機構推動伸出并作用在夾板上端，從而推動夾板繞銷軸運動，同時擠壓彈簧體。當夾板轉動一定角度后，夾板下端從接沙盤底部脫離。接沙盤落下，進行除沙作業。鎖緊作業：當完成除沙作業后，執行機構將接沙盤推到初始位置，直線運動機構縮回。在彈簧體的彈力作用下，夾板復位，夾板下端鎖緊接沙盤。

2 設計計算

2.1 受力分析

在接沙盤被鎖緊的狀態下，夾板轉軸點滿足公式：

式中，F1為夾板受到彈簧體的作用力；

L1為F1的力臂；

F2為夾板受到接沙盤的作用力；

L2為F2的力臂。

計算得到彈簧體對夾板的作用力需大于或等于22 N，才能保證鎖緊機構不會因為接沙盤及蠶沙的重力作用而自動解鎖。

2.2 彈簧體設計

彈簧體的結構（圖3）。彈簧上下兩端分別和上下底板焊接，同時在上底板和下底板分別焊接有圓柱體和套管。

圖3 彈簧體示意圖

根據設計要求，彈簧的安裝載荷為22 N，安裝高度為34 mm，工作行程為18 mm。經驗證，彈簧特性、疲勞強度、穩定性要求等均滿足要求，則本設計方案中為彈簧體所設計的彈簧滿足要求。

3 仿真分析

3.1 底座

利用ANSYS軟件分別對幾個重要的零件進行仿真分析，驗證零件強度是否要求。本設計方案中，夾板、底座以及上下底板均選用Q345B鋼板，厚度為2 mm，屈服點為，銷軸材料選用45號鋼，屈服點為。

結合對鎖緊機構的在鎖緊狀態的受力分析，利用ANSYS軟件對底座進行仿真分析。最終分析得到底座的應變（圖4），最大應變為3.5×10-5mm。底座應力（圖5），最大應力為9.5 MPa，遠小于屈服強度，則零件材料和結構滿足性能要求。

圖4 底座應變示意圖

圖5 底座應力示意圖

3.2 夾板

夾板的三維模型（圖6），采用鈑金工藝設計，并在兩側面進行了彎邊處理以提升其結構強度和剛度。結合對鎖緊機構在鎖緊狀態的受力分析，利用ANSYS軟件對夾板進行分析。最終分析得到夾板的應變（圖7），最大應變為2.8×10-4mm。夾板應力（圖8），最大應力為52.9 MPa，小于屈服強度，則零件材料和結構滿足性能要求。

圖6 夾板三維圖

圖7 夾板應變示意圖

圖8 夾板應力示意圖

3.3 銷軸

用于連接夾板和底座的銷軸在仿真軟件中的分析計算。

最終分析得到銷軸的應變（圖9），最大應變為2.5×10-5mm。銷軸應力（圖10），最大應力為4.7 MPa，小于屈服強度，則零件材料和結構滿足性能要求。經過對幾個重要零件的仿真分析，驗證得到零件強度均滿足設計要求。

圖9 銷軸應變示意圖

圖10 夾板應力示意圖

4 結語

本方案所設計的鎖緊機構能夠滿足鎖緊接沙盤的功能要求，能夠在有限的安裝空間內實現接沙盤的鎖緊，以及在外力作用下實現接沙盤的解鎖。經分析計算，所設計的彈簧體能夠保證在接沙盤在被鎖止的狀態下，不會因為接沙盤以及蠶沙的重力作用而自動解鎖。經ANSYS軟件仿真分析，接沙盤鎖緊機構幾個重要的零件所選用的材料及結構均滿足強度要求。本方案設計的鎖緊機構能夠滿足鎖緊和解鎖接沙盤的要求。