6HT-100型核桃分级破壳机机架的有限元分析

王斌，李丽丽，刘德华，张淑娟*

(1. 山西农业大学 信息学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801； 3.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

6HT-100型核桃分级破壳机机架的有限元分析

王斌1，李丽丽2，刘德华3，张淑娟3*

(1. 山西农业大学 信息学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801； 3.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

[目的]机架是核桃分级破壳机的关键部件，为了研究其动态特性，掌握应力应变情况，明确机架在受力后的薄弱环节。[方法]首先分析该机机架的工作特性，结合核桃分级破壳机要求，确定机架结构参数；其次，利用三维实体建模软件Solid Works建立机架模型，将其通过接口导入ANSYS Workbench有限元分析软件中，对所建机架模型进行静力学和模态分析；最后求解并得到核桃分级破壳机机架的总变形图、等效应力云图、等效应变图及机架的前6阶模态频率和振型。[结果]结果表明，机架最大应力为23.48 MPa<[τ]=68.96 MPa，模态频率为7.5～66.8 Hz，机架结构设计合理，能够达到工作要求。[结论]为后续优化设计奠定基础并提供参考依据。

核桃分级破壳机； 机架； ANSYS Workbench； 有限元分析

核桃，属胡桃科植物，又被称为胡桃或羌桃。目前，国内普遍是以人工的方式进行破壳，再由人工筛选果壳与果仁，不仅工作效率低，劳动强度大，而且果品的卫生情况也很难达到标准，严重影响了核桃产业的快速发展[1，2]。通过机械对核桃进行破壳是一个理想的方法，既能提高生产效率，又能满足破壳后果品的卫生要求，因此，核桃破壳机的研发屡见报导。

机架是整个核桃分级破壳机的关键承载部件，在工作状态下，机架受到动载荷的影响而发生变形，变形过大会影响脱壳机的正常工作，因此利用有限元分析ANSYS对机架进行静力学分析和模态分析，可明确机架受力后的应力应变情况，发现其薄弱环节，从而加以改进[3]。

静力分析计算是固定载荷作用下机械结构的响应。通过静力学分析，可校核机械结构的刚度和强度是否满足设计要求[4，5]；模态分析可以得到设计机构的固有频率和振型，避免共振产生[6]。史建新等采用结构静力分析的有限元分析方法对核桃破壳技术进行研究，通过试验为核桃破壳机提供了一些有益的参数和条件[7]；权龙哲等对玉米根茬收获系统进行有限元模态分析与试验，得到了该系统前20阶固有频率和各主要工作部件的振型[8]；肖成林等利用ANSYS软件建立了耕整机机架的有限元模型，并对强度和刚度进行了分析，得到了机架的应力分布云图[5]；郭昌进等利用ANSYS Workbench对甘蔗叶粉碎机机架进行模态分析，明确了各阶振型对机架的影响，为后续粉碎机的优化和改进提供了理论依据[9]。

为进一步提高核桃破壳机的工作性能，采用ANSYS Workbench软件对破壳机机架进行静力学分析和模态分析，得到机架的总变形图、等效应力云图、等效应变图及机架的前6阶模态频率和振型，为后续机架的优化设计奠定基础并提供参考依据。

1 机架静力学分析

1.1 建立机架有限元模型

该机机架主要由支架和支板组成。如图1所示。利用Solid Works软件建立机架的几何模型。为简便起见，建模时不考虑小孔和倒角的影响，只根据机架的实际尺寸将建立好的机架三维模型保存为Parasolid文件，以便于将该模型导入到ANSYS环境中进行后续分析。导入后的机架有限元模型如图1所示。

1. 支板 2.支架1.Support plate 2.Bracket图1 核桃分级破壳机机架的有限元模型Fig.1 Finite element model of frame

1.2 划分网格

网格划分的优劣直接决定了分析结果的准确性，所以必须选用合理的网格划分方法。

通过多次试验，并结合前人的研究分析，本文选择自动划分法(Automatic)进行网格划分，并通过Sizing控制网格划分的质量。网格划分结果如图2所示。

图2 网格划分Fig.2 Meshing

需要说明，该有限元模型中包含54 038个节点和25 004个单元，机架材料为Q235碳素钢，其弹性模量E=2.11×1011N/m2，材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3。

1.3 施加载荷与约束

施加载荷与约束是进行有限元静力学分析的关键一步。该破壳机机架施加的约束与载荷为：

(1)位移约束：对支架的一个底座设置为Fixed Support，其余三个底座Y轴位移设置为0 mm，X和Z方向设置为自由。

(2)加载：施加机架的自身重力(Standard Earth Gravity)，机架上各个部件的质量如表1所示；对5个轴孔施加转矩(moment)。施加全部约束和载荷的核桃分级破壳机机架有限元模型如图3所示。

表1 机架上各部分的质量

图3 施加载荷与约束的机架有限元模型Fig.3 Applying the loading frame finite element model with the constraints

1.4 静力学求解结果与分析

通过求解可得到核桃分级破壳机机架的总变形图、机架的等效应力图和机架的等效应变图，分别如图4～6所示。

图4 机架的总变形图Fig.4 The total deformation of frame

图5 机架的等效应力云图Fig.5 The equivalent stress nephogram of frame

图6 机架的等效应变图Fig.6 The equivalent strain nephogram of frame

对机架进行有限元静力学分析可知，机架的受力最大位置是电动机支座，其最大应力为23.48 MPa<[τ]=68.96MPa。因此，本设计的机架结构可以满足本机的强度设计要求。

2 机架模态分析

模态分析是结构动力学分析最基本内容，其可避免机械产品设计工程中可能存在的共振，并且有助于在结构动态响应与其他动力特性分析中估算求解控制参数[10]。因为低阶模态对结构的动态特性影响较大，所以选择前6阶的模态频率和主要振型进行研究，结果如图7和表2所示。

表2 机架的模态频率和主要振型

图7 机架各阶振型Fig.7 The mode shapes of frame

由图7可知，核桃分级破壳机机架的模态频率分布在7.5～66.8 Hz，并随振型阶数的增加而增加。其中，在1阶、4阶、5阶和6阶振型时，支架受影响较大，在2阶和3阶振型时，支板受影响较大。当电动机转速为910 r·min-1，级数为6，根据公式f=np/60求取电动机频率为91 Hz，所以，前6阶模态的固有频率都与电动机频率相差较大，不会发生共振。

综上，采用ANSYS Workbench软件对核桃分级破壳机机架的静力学分析和模态分析结果可信，机架设计合理，可以满足使用要求。

3 结论

利用ANSYS Workbench软件对6HT-100型核桃分级破壳机机架进行静力学分析和模态分析，得到：

(1)对机架进行有限元静力学分析，机架最大受力位置是电动机支座，其最大应力为23.48 MPa<[τ]=68.96MPa，完全可以满足核桃分级破壳机的强度要求。

(2)由模态分析得到了机架前6阶模态的固有频率和振型，模态频率为7.5～66.8Hz，已知电动机频率为91Hz，因此该机架不会发生共振，满足使用要求。

(3)研究结果为核桃分级破壳机整机和机架的后续优化设计奠定了理论基础和参考依据。

[1]刘奎,李忠新,杨莉玲.核桃破壳装置的发展研究[J].农业科技与装备,2014(8):55-57.

[2]乔园园,史建新,董远德.影响核桃壳仁脱离的主要因素[J].农机化研究,2008(4):43-45.

[3]吕廷,石秀东,张秋菊,等.基于ANSYS的破碎机机架模态分析[J].机械设计与制造,2008(11):99-101.

[4]周洁,尹志宏.直线振动分级筛机架的静力学与动力学分析[J].新技术新工艺,2014(5):74-76.

[5]肖成林,周德义,王永强.基于ANSYS的耕整机机架有限元分析[J].吉林农业大学学报,2011,33(4):459-463.

[6]刘选伟,金亮,王景立.基于ANSYSWorkbench的深松机机架模态分析[J].农机化研究,2015(5):29-31.

[7]史建新,赵海军,辛动军.基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J].农业工程学报,2005,21(3):185-188.

[8]权龙哲,咚金,曾百功.玉米根茬收获系统的有限元模态分析与试验[J].农业工程学报,2011,27(11):15-20.

[9]郭昌进,杨喜,王金丽.基于ANSYSWorkbench甘蔗叶粉碎机机架模态分析[J].农机化研究,2014(8):23-26.

[10]杨一,周靖博,张淑娟.红枣去核机传动系统中主轴的有限元分析[J].农机化研究,2015(10):19-23.

(编辑：李晓斌)

The finite element analysis of 6HT-100 walnut grading and shell-breaking machine of frame

Wang Bin1, Li Lili2, Liu Dehua3, Zhang Shujuan3*

(1.CollegeofInformation，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China； 2.CollegeofInformationScienceandEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China； 3.CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China)

[Objective]The walnut grading and shell-breaking machine of frame is the key part of walnut grading and shell-breaking machine.In order to research the dynamic characteristic of the rack master the stress and strain,clear frame in the weak link after the force. [Methods] Firstly, by analysing of the operating characteristics of frame, determined the parameters of the frame structure; secondly, the model of frame was established by using the 3D solid modeling software Solid Works, Three-dimensional model was imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench by interface, ANSYS Workbench made the static analysis and modal analysis for the model, At last, the analysis results showed the contours of deformation, stress and strain, the first 6 natural frequencies and vibration modes were obtained. [Results]Final results showed that the maximum stress was 23.48 MPa < [τ]=68.96 MPa, the modal frequency was 7.5～66.8 Hz of frame, and the design of frame was reasonable.[Conclusion]It laid the foundation and provides a reference for the analysis of subsequent optimal design.

Walnut grading and shell-breaking machine， Frame， ANSYS workbench， Finite element analysis

2016-12-28

2017-01-16

王斌(1988-)，男(汉)，山西襄汾人，助教，硕士，研究方向：农业机械设计与实验研究

*通信作者：张淑娟，教授，博士生导师，Tel:13935491091；E-mail:zsujuan@263.net

国家自然科学基金(31271973)；山西省自然科学基金(2012011030-3)；山西农业大学青年科技创新项目(2016005)

S226.9

A

1671-8151(2017)05-0376-05