基于 CAE 的烟草烤房挂烟机械结构优化分析

石毅新，蒋蘋，彭才望，李军政，周菊林

（湖南农业大学，湖南长沙 410128）

基于 CAE 的烟草烤房挂烟机械结构优化分析

石毅新，蒋蘋，彭才望，李军政，周菊林

（湖南农业大学，湖南长沙 410128）

文章以传统理论计算方法与有限元分析方法相结合，以挂烟作业实际情况为基础，重点研究挂烟机械中主要结构部件的性能特征，以得出结构简单，机构紧凑，安全可靠的挂烟机械虚拟样机结构，为后续实际样机制作提供必要的理论支持与数据支撑。

挂烟机；车架；结构分析

烤烟是烟草生产加工过程中至关重要的一个步骤，烘烤质量直接决定了烟叶的品质与级别。近几年来，国家烟草总局积极推行的密集烤房在全国得到了大力发展，采用密集烤房在提高了烤烟效率的同时，对于烘烤前的人力上烟也提出了较大考验。目前的密集型烤房通常采取三层布置，三层布置位置分别距地面高度为 1.2m、2.2m、3.2m，人工上烟时，上烟效率比较低，特别是在第二层和第三层的上烟时，需要借助扶梯挂烟，烟农通常手提 1～2 个标准烟夹，再爬上扶梯进行操作。高空作业在增加劳动强度的同时，无疑也造成了较大安全隐患，因此对于挂烟机械的分析研究，特别是其结构分析则显得尤为重要。

文章以有限元法为主要研究方法，对烟叶自动挂烟装置的总体结构进行分析，研究出一套经济、稳定、可靠的结构布置，对挂烟机械的机具开发设计提供重要理论依据。

1 总体方案设计

根据机械设计与理论计算，得出该机械结构设计主要有三大部件组成：

（1）行走车架底盘：机具主体承重和装配载体，车架下端安装行走驱动车桥以及转向车桥；车架上端连接安装举升装置；车架前端预留烟夹储存位置；因整机采取电动液压驱动，所以车架尾部为驾驶员操作部位及动力装置安装位置。

（2）三段剪式举升装置：因密集型烤烟房为三层布置，因此为适应不同高度的挂烟作业要求，特别为满足第二、三层挂烟要求，该举升装置根据作业要求，提供不同工作位置的挂烟举升高度。剪式举升装置为目前采用较多的举升结构形式，剪式机构具备举升过程中，机具重心投影始终位于同一位置的稳定特性，同时为兼顾整机结构的紧凑性与稳定性，在需求举升高度范围内，采用三段剪式机构。

（3）顶架机构：顶架机构的设计，主要通过前期调查，得出目前密集型烤房的挂烟角铁宽度及与之匹配的梳式烟夹的标准长度为 1.35m；另为保证作业效率，单次挂送烟夹个数为10～15 个；同时为保证下端剪式举升正常工作。机构采用挂烟部位为悬臂设置，后端两连接部位分别为铰链连接和滑轨链接。

具体整机方案设计结构图如图1 所示：

图1 挂烟机总体方案设计图

2 关键部件优化设计分析

为保证机具能顺利稳定的满足工作要求，针对机具中的三大结构部件分别进行结构优化分析。文章通过 solidworks三维建模软件根据设计要求对模型进行构建，进而基于软件simulation 仿真模块，进行静力学有限元分析。基本设计分析思路以图2 流程路线所示。

图2 有限元分析基本流程

优化分析以三大部件为分析对象，在总体方案设计的基础上，对结构进行优化调整，以达到满足机具工作性能要求的前提下，降低整机空载质量，缩减机具设计尺寸。同时，由于整机结构为钢管焊接件，因此通过有限元分析计算，在机具部分结构细节部位进行局部加强、分载处理，以降低焊接等加工工艺带来的热变形及结构设计的应力集中现象。

（1）车架对比分析。依据有限元分析基本流程，充分考虑机具作业时的各种载荷、约束情况，得出车架 Mises 应力分布及总变形情况如图3、图4 所示。

图3 车架应力分布云图

图4 车架位移变形分布图

根据以上分析结果可看出，车架的应力值较大位置主要集中在形状结构变化较大，且受力点较多的区域；从位移变形量结果分析可看出，变形较大位置主要集中在车架尾部驾驶座。针对以上分析结果考虑对车架中段受力较大位置进行局部加固处理；考虑尾部驾驶座位区域为近似悬臂结构设计，因此考虑在车架尾部下端，加装橡胶万向轮用于辅助支撑，经过结构调整后，重新进行分析得出结果如图5、图6 所示。

图5 车架结构优化后应力分布云图

图6 车架结构优化后位移变形分布图

从以上结果分布云图中可明显得出，经过对特定部位的结构调整，车架的静力学结构分析应力和位移变形数值均有明显降低。

（2）举升装置分析。本机具的举升机构采用三段式剪式举升机构，此机构经过有限元分析后，发现应力较大部位主要集中于各联接铰点位置。因此，根据分析结果，对举升机构各铰接点，均改用轴套销的联接方式，并对各联接点端部，均采用钢板加厚处理。结构优化后，部件稳定性和变形量都有一定改善。

（3）顶架对比分析。针对顶架的对比分析采用同样的方式进行，首先分析初始设计模型得出顶架在实际载荷情况下的应力分布和位移变形情况，结果如图7、图8 所示。

图7 顶架应力分布云图

图8 顶架位移变形分布图

经过分析结果发现，顶架尾端一头采用铰接与剪式支撑装置连接，另一头采用滑轨形式连接，顶架前端为悬臂结构，其应力分布较大区域位于顶架中段与悬臂连接位置，因此考虑对该区域进行局部加固；变形量较大区域主要位于顶架前端的悬臂端。经过结构的局部优化调整，重新分析得出如图9、图10 所示。

图9 顶架结构优化后应力分布云图

图10 顶架结构优化后位移变形分布图

对比前后结构调整发现，结构调整后，应力分布和位移变形值均有降低。因此，拟采用优化调整后结构为最终设计结构。

3 结论

在传统理论设计的基础上，运用有限元分析方法对初始设计模型进行分析，并在结果基础上对结构进行优化调整和局部区域的加固与改进，并重新通过同参数下的有限元分析，比对前后结果，最终确立挂烟机械的三大主体部件的优化结构形式。

［1］唐跃进，彭才望，石毅新.新型烟草上房机设计［J］.湖南农机，2014，（8）：33-35.

［2］石毅新，蒋蘋，彭才望.小型生物质直燃炉结构设计［J］.时代农机，2015，（1）：25-27.

［3］张小玲.MP C15-6 型平板车的强度校核［J］.企业科技与发展，2013，（5）：23-25.

［4］曹茹.SolidWorks 2014 三维设计及应用教程［M］.北京：机械工业出版社，2016.

Analysis of Optimization of Tobacco Flue Curing Machinery Structure based on CAE

SHI Yi-xin，JIANG Pin，PE NG Cai-wang，LI Jun-zheng，ZHOU Ju-lin
（H unan A gricultural University，Changsha，H unan 410128，China）

According to the traditional theory calculation method and finite element analysis method，combining with the actual situation of smoke hanging work，the paper focuses on the performance characteristics of the main parts of tobacco hanging in the machinery，and obtains secure virtual machine structure of hanging hood with simple and compact structure，which provides theoretical support and necessary data support for the actual prototype production.

hanging hood；frame；structure analysis

TN02

A

2095-980X（2016）12-0022-02

2016- 11-09

湖南农业大学校青年基金项目（14QN06）。

石毅新（1986 -），男，湖南长沙人，博士，讲师，主要研究方向：农业机械结构设计与优化。