多自由度自锁式香蕉收割机的有限元分析

卢煜海，曾昭文，马桂香，马俊生

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



多自由度自锁式香蕉收割机的有限元分析

卢煜海，曾昭文，马桂香，马俊生

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：针对大规模香蕉种植基地香蕉收割机具的研发比较缺乏，研制了一种多自由度自锁式香蕉收割机。该机可收割各型株高的香蕉，具有自锁、多自由度动作及小型运输等特点。通过分析该机的工作原理，对其关键零部件建立有限元模型，进行基于ANSYS的有限元分析。结果表明：收割机关键零部件的刚度和强度满足工作要求。自锁式多自由度香蕉收割机的研制可为其他类似农作物收割机具的研制提供参考。

关键词：香蕉收割机;自锁;多自由度;ANSYS

0引言

香蕉种类繁多，广泛栽培于我国的广东、广西、海南、台湾等地区，品种丰富，色香味美，深受广大消费者喜爱，拥有较高的经济价值和广泛的消费市场。目前，大规模香蕉种植基地香蕉的收割与基地运输没有比较成熟的机具，普遍是人工镰刀收割、肩挑运出基地方式，劳动强度大，工作效率低。因此，研制一种集收割运输一体，操作简单、结构合理、轻巧牢固，可作业各型株高的香蕉收割机十分必要。为使该机结构合理、轻巧牢固，可承受较大的负载，且为今后香蕉收割机具的研发提供有效的设计参考，利用有限元理论，结合ANSYS软件，对多自由度自锁式香蕉收割机的关键零部件进行强度刚度分析，验证其设计和材料是否满足工作要求。此方法对降低研发成本，明确收割机的负载范围，提高机具使用寿命具有重要的指导意义。

1工作原理

多自由度自锁式香蕉收割机主要由动力系统、进给系统及收割系统等部分组成，如图1所示。

动力系统由蓄电池为直流电机供电驱动收割机前行，代替了传统的柴油机，节能减排。进给系统拥有3个自由度，采用手动方式，通过开式齿轮齿条结构实现X方向进给、自锁式螺杆传动螺母移动螺旋结构实现Y方向进给、剪叉升降-螺旋传动自锁复式结构实现Z方向进给，把收割系统输送到所要作业的位置。收割系统拥有2个自由度，由小型直流电机驱动刀具对香蕉进行收割。收割机的下半机体设计有空间，可放置收割后的香蕉对其进行运输。

图1　多自由度自锁式香蕉收割机的结构示意图

2动力系统力学分析

动力系统通过蓄电池为直流电机提供电源驱动整机前进。电机的输出端与小链轮连接，小链轮通过链条与固定在大轮车轴中间的大链轮连接。当收割机的路况不佳、链条以低链速(v≤0.6m/s)传动时，其主要失效形式为静力破坏。链传动的静力破坏限制链传动能够承受的最大载荷，因此需要对链传动关键零部件链轮及链条的静力破坏进行有限元分析。

2.1链传动的受力分析

如图2所示，链传动在工作时，存在紧边拉力和松边拉力。如果不计传动中的动载荷，则紧边拉力和松边拉力分别为

F1=Fe+Fc+Ff

(1)

F2=Fc+Ff

(2)

式中Fe—有效圆周力(N)；

Fc—离心力引起的拉力(N)；

Ff—悬垂拉力(N)。

有效圆周力为

(3)

式中P—传递的功率(kW)；

v—链速(m/s)。

离心力引起的拉力为

Fc=qv2

(4)

式中q—链条单位长度的质量(kg/m)。

图2　链传动原理图

如图3所示，假想下方悬垂链条从中部断开，对链与链轮的起始接触点取力矩，则由平衡条件得

(5)

(6)

式中q—链条单位长度的质量(kg/m)；

g—重力加速度(N/kg)；

a—链传动中心距(m)；

f—下垂度(m)。

2.2链传动的参数选择

按照链轮传动额定功率曲线，收割机在负载地形工作，承受冲击载荷。优选地，z1取17，且链轮齿萃硬。由于链节数通常是偶数，为使链条和链轮磨损均匀，常取链轮齿数为奇数，并尽可能与链节数互质，收割机不需要很大减速比，z2取19。收割机采用额定功率1.5kW的电机，根据链传动的工作情况、小链轮齿数及链条排数，将链传动所传递的功率修正为当量的单排链的计算功率，则有

式中KA—工况系数，取1.1；

KZ—小链轮齿数系数，取0.53；

Kp—多排链系数，取1；

P—传递的功率(kW)。

根据Pca=2.52kW以及最低设计工作转速n1=80r/min,链型可选16A，则链条节距p=25.4mm。

图3　悬垂拉力计算简图

a0=(30～50)p=762～1 270mm

取a为920mm，相应的链长节数为

因此，取链长节数Lp为90节。

链速v为0.6m/s时，有效圆周力为

链条常用材料为45Mn，线密度q为6.38kg/m，则离心力引起的拉力为

Fc=qv2≈2.30N

链条下垂度为30mm时，链条的悬垂拉力为

所以链条的紧边拉力为

F1=Fe+Fc+Ff=2722.80N

链条松边拉力为

F2=Fe+Ff=2720.50N

3小链轮的有限元分析

3.1材料特性

链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多，所受冲击也比较大，故小链轮应采用较好的材料制造。国内常用的材料为45Mn优质碳素结构钢，具有较高强度、硬度、耐磨性及良好的韧性。其主要力学性能，如图4所示。

图4　45Mn钢的力学性能

3.2网格划分

网格的划分是指将模型划分为许多具有简单形状的有限单元，这些有限单元通过节点相互连接在一起。网格的质量决定了有限元分析的精度，网格质量由网格类型、网格参数和局部网格控制几个因素保证。小链轮网格类型选择三角形面片，单元大小按零件大小智能划分，全局网格控制方式，有限元模型如图5所示。

图5　小链轮网格划分图

3.3有限元计算

选取小链轮与紧边链条啮合的一个轮齿，在其与链条滚子啮合处施加载荷，计算链轮在低速(v≤0.6m/s)传动下，轮齿的应力分布情况。平均负载计算至少为480.40N，现在给轮齿施加500N载荷。

经有限元计算，小链轮应力分布情况如图6所示。轮齿与链条滚子啮合处所受的最大应力，图6中应力条顶部所示最大应力为7.379e+006MPa，远小于材料的屈服应力1.850e+008MPa，所以小链轮强度满足要求。

图6　小链轮应力图

经有限元计算，小链轮形变分布情况如图7所示。图7中应变条顶部所示最大形变为1.562e-003mm，在材料弹性范围内变形极微小，所以小链轮刚度满足要求。

4外链板的有限元分析

4.1材料特性

链条传动是具有中间挠性件的啮合传动，在运动过程中，外链板的两端受到紧边拉力的作用。链板的使用性能要求有较高的抗拉强度及韧性，国内普遍选用45Mn制造，材料特性如图4所示。

4.2网格划分

外链板网格类型选择三角形面片，单元大小按零件大小智能划分，全局网格控制方式，有限元模型如图8所示。

图7　小链轮形变图

图8　外链板网格划分图

4.3有限元计算

链条的两侧分别有一块外链板，所以单侧外链板所承受的拉力为紧边拉力的1/2，则

而单侧链板承受拉力的部分为外半圆周，计算拉力为1 361.40N，现在外半孔心处施加圆周向外1 400N载荷。

经有限元计算，链板外半圆周部分应力图如图9所示。图中应力条顶部所示最大应力为4.723e+007MPa，远小于屈服应力1.850e+008MPa，外链板强度满足要求。

经有限元计算，链板外半圆周部分形变分布情况如图10所示。图10中应变条顶部所示最大形变为7.599e-004mm，在材料弹性范围内变形极微小，所以外链板刚度满足要求。

5结论

1)多自由度自锁式香蕉收割机动力系统主要零部件最大应力远小于材料的许用应力，满足强度要求。

2)多自由度自锁式香蕉收割机动力系统主要零部件形变极小，在材料弹性范围内，满足刚度要求。

3)多自由度自锁式香蕉收割机可在路况不佳情况下，以低链速前行。

图9　外链板应力图

图10　外链板形变图

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0065-EA

Finite Element Analysis to Banana Harvester with Multi Degree of Freedom and Self Looking

Lu Yuhai, Zeng Zhaowen, Ma Guixiang, Ma Junsheng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Due to the lack of research and development for large banana planting base of banana harvesting equipment, a multi degree of freedom and self-locking banana harvester was designed. The machine can harvest the various types of bananas. It has the characteristics of self-locking, multi degree of freedom movement, small transport etc. Through the analysis of the working principle of the machine, the finite element model is established for the key parts, and finite element analysis based on ANSYS is done. The results show that: the stiffness and strength of the harvester key parts can meet the requirements of the job. Design of banana harvester with multi degree of freedom and self locking can be provided as a reference to other similar crop harvesting machinery.

Key words：banana harvester； self locking, multiple degrees of freedom； ANSYS

文章编号：1003-188X(2016)03-0065-04

中图分类号：S225.93；S59

文献标识码：A

作者简介：卢煜海(1970-)，女，广西桂平人，讲师，(E-mail)lyuhai@163.com。通讯作者：曾昭文(1988-)，男，江西吉安人，硕士研究生，(E-mail)zzw2015tg@sohu.com。

基金项目：广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目(1305109S03)

收稿日期：2015-02-10