茶园电动微耕机的虚拟样机设计

2017-03-13翟永全潘仟仟胡立华陈仕国陈学永

绥化学院学报 2017年3期

关键词：微耕机茶园电动

翟永全潘仟仟胡立华陈仕国陈学永

（福建农林大学机电工程学院福建福州 350002）

茶园电动微耕机的虚拟样机设计

翟永全潘仟仟胡立华陈仕国陈学永

（福建农林大学机电工程学院福建福州 350002）

针对茶园工作环境，设计了一种手扶式茶园电动微耕机，利用电池供电，电机驱动，整机结构精简、轻巧，能够有效地提高工作效率，降低劳动强度。此设计采用 Pro/E三维制图及ANSYSWorkbench有限元分析方法，对车体关键部件进行三维建模，并对整车关键零部件进行了应力应变分析。分析表明电机支架边缘变形较大，需要增加厚度或者更换材料来提高电机支架的强度和刚度。

茶园；电动微耕机；ANSYSWorkbench

我国有茶园面积约246.9万hm2，茶区分布广泛[1]。我国茶园机械有一定的发展，但相对发展缓慢，茶园机械的研发生产和实际应用水平很低[2]。目前，国内一些茶园管理机械普遍以柴油机或汽油机作为动力[3]，这样既污染了环境又损害了茶的品质。国内也出现一些生产茶园机械的厂家，但机器的工作能力和工作效率还达不到机械化生产的要求，国外厂家生产的茶园机械价格贵又不能很好地适应我国的茶园环境。现在我国茶园管理机械化水平很低，大部分还是依靠人工作业。最近几年，随着农村劳动力的流失，致使茶园劳动力短缺，阻碍了茶叶的生产效率。随着经济的快速发展，人们生活水平的逐渐提高，人们对茶叶品质的要求也在不断地提高，解决并提高茶园机械化生产水平成为必须解决的问题[3]。

针对茶园作业环境上，设计一款经济实用型的茶园电动微耕机，以提高茶园生产效率。所设计的茶园电动微耕机主要由车架、控制单元、电池组等部分组成，采用电池供电，电机驱动。用Pro/E软件对茶园电动微耕机建立了三维模型，通过ANSYSWorkbench有限元分析方法对车体部分部件进行应力应变分析，检验并优化设计方案，从而缩减设计成本[4]。

一、总体结构

（一）主要结构组成及特点。该机在微耕机的基础上研究开发的，总体设计如图1所示。

图1 茶园电动微耕机整体布置图

1.电动机；2.电池组；3.变速箱；4.刹车；5.换挡器；6.控制器；7.离合器；8.调速杆；9.后支架；10.旋耕刀；11.电池支架12.电机之架；13.支撑轮。该机主要由电动机、电池组、车身支架、变速箱、车轮、手把、控制器、离合器、支撑轮等部件组成。支撑轮可调，整机机架采用螺栓链接，方便拆卸及维修。本机在一定程度上减小了微耕机的外部尺寸结构，使整机操作的灵活性得到保障。

（二）工作原理。在茶园作业时，电动机的动力传到变速箱，变速箱将动力经蜗轮蜗杆传到旋耕刀上，使电动微耕机的旋耕刀获得动力完成旋耕作业。操作人员通过操纵控制器开关来控制电动机转速，从而控制茶园电动微耕机的前进速度与刀具切削速度，从而保证了茶园电动微耕机的旋耕效果。

（三）主要技术参数。针对茶树的种植特点，结合农业机械相关设计标准，确定的电动微耕机主要技术参数如表1所示[5-8]。

Table1 The main technicalparameters

（四）零部件特征构造。由车体结构可看出主要零件有整机机架、变速箱、控制器盒等。通过 Pro/E软件对电机支架、电池支架、后支架进行三维建模并进行应力应变分析。建立好模型导入ANSYSWorkbench的模型如图2、3、4所示。

图2 电机支架三维实体模型

图3 后支架三维实体模型

图4 电池支架三维实体模型

二、应力应变分析

电机支架主要是固定支撑电机以及拖挂电池箱，该车结构小，支架固定处采用螺栓连接，电机支架受整车质量影响，容易产生形变。

ANSYSWorkbench软件能够提供结构的受力分析，通过分析即可得到整车结构设计是否安全合理，并可对车身结构进行优化。电机机械结构在应力应变分析时,在 Model环境中划分网格，点击Mesh工具栏中MeshControl进行网格划分，划分过程共产生有106506个节点，54760个单元[9]。支架采用了Q235钢,各结构材料的参数见表2。

Table2 MaterialProperties ofthe Motorframe

经过在ANSYSWorkbench软件中进行结构分析得到零件的应力应变图。

图5 电机支架应力分布

图6 电机支架的应变分布

图7 电机支架的形变分布

求解得到的电机支架结构应力分布见图5,电机支架机械结构的应变和变形分别如图6和图7所示。由以上分析结果得出,电机支架结构的最大应力为1866.9MPa,应变为位于支撑板中间部位和支撑板横向螺栓固定孔处。电机支架机械结构的最大变形位于支撑板边缘处,为5.3mm，对支架有一定影响，采用增加支撑板厚度或者延长加强筋的方式来提高支架的强度和刚度。

图8 后支架的应力分布

图9 后支架的应变分布

图10 后支架的形变分布

后支架机械结构在应力应变分析时,在Model环境中划分网格，点击Mesh工具栏中MeshControl进行网格划分，划分过程共产生有66462个节点，36255个单元[9]。后支架采用了Q235钢,其结构材料的参数见表2。

求解得到的后支架结构应力分布见图8,后支架机械结构的应变和变形分别如图9和图10所示。由以上分析结果得出,后支架结构的最大应力为17.06MPa,应变为位于支撑板中间部位和支撑板横向螺栓固定孔处。后支架机械结构的最大变形位于支架x轴方向边缘处，最大变形22um，可忽略不计。

图11 电池支架的应力分布

图12 电池支架的应变分布

图13 电池支架的形变分布

电池支架机械结构在应力应变分析时,在Model环境中划分网格，点击Mesh工具栏中MeshControl进行网格划分，划分过程共产生有29227个节点，13630个单元[9]。电池支架采用了304不锈钢,其结构材料的参数见表2。求解得到的电池支架结构应力分布见图11,电池支架机械结构的应变和变形分别如图12和图13所示。由以上分析结果得出,电池支架结构的最大应力为316.7MPa,最大应变为位于横向支架螺栓固定孔处。电池支架机械结构的最大变形位于横向支架边缘处，最大变形2.6mm。从云图结果可以看出，电池支架满足要求。