高度可调式甘蔗运输机的分析与实验——基于有限元法

梁 策，孟 强，成 铭，谢炳光，许海浪

(广西大学 机械工程学院，南宁 530004)

0 引言

为解决甘蔗在运输上车均为人工作业及运输汽车的车厢底板高度不一的问题，设计了高度可调式甘蔗运输机。该机在实验中的效率表现十分优良，为了保证高度可调式甘蔗运输机能够可靠工作，需要对可调式甘蔗运输机进行结构的强度分析，但是通过实体测试费时费力，所以本文采用有限元法对高度可调式运输机进行强度分析。

本文运用ANSYS Workbench对该机械的3件危险零件进行强度分析，以便得到该机械在两种极限工况下的最大负载条件下的安全系数；同时，通过比较，取3件零件在两种工况下的较小者为整机的安全系数，再由整体机械的安全系数来评定高度可调式甘蔗运输机的安全性。

1 高度可调式甘蔗运输机结构与工况分析

1.1 高度可调式运输机结构分析

高度可调式运输机主要由机架部分、动力传输部分、运输部分及高度调节部分组成，如图1所示。由力分析可知：在高度可调式运输机工作过程中，其危险部件有3个，分别为运输架、大链轮和小链轮。所以，本文将在高度运输机两种极限工位处、最大允许载荷条件下对3个危险部件分别进行强度分析，然后再对整机进行安全系数评定。

1.底座 2.变速器 3.电动机 4.运输支架

1.2 高度可调式运输机工况分析

由设计要求可知，高度可调式运输机的工况如表1所示。

表1 高度可调甘蔗运输工况表 Table 1 Height adjustable cane transport condition tables

本文将以最大运输条件下的两个极限位置为研究条件：单次运输载重为25kg，可调角度为45°和60°，并以45°工况为极限位置1,60°为极限位置2。

2 运输架的强度分析

2.1 极限位置1强度分析

2.1.1 模型的建立与工况的添加

由UG模型导入ANSYS Workbench模型中，选定运输架的材料为结构钢，并进行网格处理，如图2所示。设定甘蔗模型的密度，使得其质量为25kg，添加-Z方向的重力加速度，得到极限位置1的工况的添加，最后以运输架与链条的固定点创建固定约束，完成整体的研究模型的建立。

图2 极限位置1的研究模型

2.1.2 极限位置1的结果分析

通过以上研究模型的建立，并进行求解，分别得到运输架的应力云图、应变云图及安全系数云图。

1)极限位置1运输架应力云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下的极限位置1的应力云图，如图3所示。

图3 运输架极限位置1的应力云图

由图3可知：输架极限位置1的最大应力为141.94MPa，而结构钢的屈服强度为215～235MPa，运输架在工作过程中是安全的。

2)极限位置1运输架应变云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下的极限位置1的应变云图，如图4所示。

图4 运输架极限位置1的应变云图

由图4可知：运输架运输架极限位置1的最大应变为2.4711×10-6m ，而结构钢的弹性形变极限为1.14×10-4m，运输架在工作过程中是安全的。

3)极限位置1运输架安全系数云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下的极限位置1的安全系数云图，如图5所示。

图5 运输架极限位置1的安全系数云图

由图5可知：运输架极限位置1的最小安全系数为1.764 3，即运输架有安全预留。

2.2 极限位置2强度分析

2.2.1 模型的建立与工况的添加

同理，将UG模型导入ANSYS Workbench模型中，选定运输架的材料为结构钢，并进行网格处理，如图6所示。设定甘蔗模型的密度，使得其质量为25kg，添加-Z方向的重力加速度，得到极限位置2工况的添加，最后以运输架与链条的固定点创建固定约束，完成整体的研究模型的建立。

2.2.2 极限位置2的结果分析

通过以上研究模型的建立，并进行求解，分别得到运输架的应力云图、应变云图以及安全系数云图。

1)极限位置2运输架应力云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下的极限位置2的应力云图，如图7所示。

图6 极限位置2的研究模型

图7 运输架极限位置2的应力云图

由图7可知：运输架极限位置1的最大应力为137.4MPa，而结构钢的屈服强度215～235MPa，运输架在工作过程中是安全的。

2)极限位置2运输架应变云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下的极限位置2的应变云图，如图8所示。

图8 运输架极限位置2的应变云图

由图8可知：运输架运输架极限位置1的最大应变为2.520 5×10-6m，而结构钢的弹性形变极限为1.14×10-4m，运输架在工作过程中是安全的。

3)极限位置2运输架安全系数云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下的极限位置2的安全系数云图，如图9所示。

图9 运输架极限位置2的安全系数云图

由图9可知：运输架极限位置1的最小安全系数为1.819 5，即运输架有安全预留。

2.3 运输架安全系数的确定

由以上两种极限位置可知：取其中较小的安全系数为运输架的安全系数，即运输架的安全系数为1.764 3。

3 大链轮的强度分析

在高度可调式甘蔗运输机工作过程中，大链轮与链条都是与链条运动方向相垂直的接触受力面承受的力有瞬间最大值，近似地可看成是所带载荷的力，所以只需研究瞬间承受最大压力的垂直面即可。

3.1 模型的建立与工况的添加

将UG模型导入ANSYS Workbench模型中，选定大链轮的材料为结构钢，并进行网格处理，如图10所示。以大链轮安装孔的内壁为固定面形成约束，以其中一个齿的齿面为受力面，施加与25kg甘蔗的重力相等的力为载荷，完成大链轮的工况模型。

图10 大链轮网格图

3.2 大链轮结果分析

通过以上研究模型的建立，并进行求解，分别得到大链轮的应力云图、应变云图以及安全系数云图。

1)大链轮应力云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下大链轮的应力云图，如图11所示。

图11 大链轮应力云图

由图11可知：大链轮的最大应力为28.384MPa，而结构钢的屈服强度为215～235MPa，运输架在工作过程中是安全的。

2)大链轮应变云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下大链轮的应变云图，如图12所示。

图12 大链轮应变云图

由图12可知：大链轮的最大应变为5.188 7×10-6m，而结构钢的弹性形变极限为1.14×10-4m，大链轮在工作过程中是安全的。

3)大链轮安全系数云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下大链轮的安全系数云图，如图13所示。

由图13可知：大链轮的最小安全系数为3.037，即大链轮有安全预留。

3.3 大链轮安全系数的确定

由上结果分析可知，在任意角度下，在最大载荷条件下 ，大链轮的安全系数均为3.037。

图13 大链轮安全系数云图

4 小链轮的强度分析

在高度可调式甘蔗运输机工作过程中，小链轮与链条都是与链条运动方向相垂直的接触受力面承受的力有瞬间最大值，其近似地可看成是所带载荷的力，所以只需研究瞬间承受最大压力的垂直面即可。

4.1 模型的建立与工况的添加

同理，将UG模型导入ANSYS Workbench模型中，选定小链轮的材料为结构钢，并进行网格处理，如图14所示。以小链轮的安装孔的内壁为固定面形成约束，以其中一个齿的齿面为受力面，施加与25kg甘蔗的重力相等的力为载荷，完成小链轮的工况模型。

图14 小链轮网格图

4.2小链轮结果分析

通过以上研究模型的建立，并进行求解，分别得到小链轮的应力云图、应变云图以及安全系数云图。

1)小链轮应力云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下小链轮的应力云图，如图15所示。

由图15可知：小链轮的最大应力为12.557MPa，而结构钢的屈服强度为215～235MPa，运输架在工作过程中是安全的。

2)小链轮应变云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下小链轮的应变云图，如图16所示。

图15 小链轮应力云图

图16 小链轮应变云图

由图16可知：大链轮的最大应变为1.063 1×10-6m ，而结构钢的弹性形变极限为1.14×10-4m，运输架在工作过程中是安全的。

3)小链轮安全系数云图。由ANSYS Workbench求解得到最大载荷下小链轮的安全系数云图，如图17所示。

图17 小链轮安全系数云图

由图17可知：小链轮的最小安全系数为6.8646，即小链轮有安全预留。

4.3 小链轮安全系数的确定

由上结果分析可知：任意角度时，在最大载荷条件下 ，小链轮的安全系数均为6.864 6。

5 高度可调式运输机安全系数评定

通过对高度可调式甘蔗运输机的三大危险零件分别进行强度分析，得到各部件的安全系数及高度可调式甘蔗运输机的安全系数，如表2 所示。

表2 高度可调式甘蔗运输机安全系数的确定

由表2可知：在最大运输载荷条件下，高度可调式运输机仍然有1.764 3的安全系数。本实验室设计的高度可调式甘蔗运输机在保证良好的运输效率的前提下，仍有较高的安全预留度，即在保证有较好的安全系数下也可以实现一定小量的、短时间的超负荷运作。

6 高度可调式运输机效率实验

经实验室试制后进对该机械的效率进行测试。由于该机械的运动时间周期只与其选定的工作挡位有关，与其自身选择的角度无关，所以实验过程只需要在极限角度范围的任意一个角度进行即可，结果如表3所示。

表3 效率实验表

由表3可知：最大装运效率5.4t/h，就现行的农场生产和装载效率来说可达到所需的装载目标；同时，对于大型农场来说，可根据生产需要改变电动机规格和相应传动系的结构参数，即能达到更高的生产效率。

7 结论

通过对高度可调式甘蔗运输机的有限元分析分析及工作效率实验可知，该机械在较为恶劣的工作条件下依然可以保证1.764 3的整机安全系数。同时，在实验中验证了该机械的工作可靠性及良好的机械振动特性。该机械的最大装运效率可达到5.4t/h，对于现行的农场生产和装载效率来说可以达到所需的装载目标，具有良好的市场前景。

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