基于ANSYS的马铃薯制种装置的有限元仿真设计

苏文桂,江 山,岑光杜,王 馨,李中淼,乔子萱,温洁明

(广西大学 广西制造系统与先进制造技术重点实验室,南宁 530004 )

0 引言

马铃薯是茄科多年生草本植物,块茎可以食用,是全球第四大主要的粮食作物。根据调查显示:马铃薯最早产于5 000年前的秘鲁地区,因为对生产环境要求不高,所以在世界各国均有产出,且我国是第一大产地[1]。

近年来,我国马铃薯产业种植面积基本稳定,总产略有增加。随着第四主粮的提出和人民对健康绿色生活要求的不断提升,马铃薯的需求不断增加。在马铃薯的种植过程中,播种、收获等过程然均实现了自动化播种和收获。但是,经过对马铃薯的整个生产活动的调研中发现:在马铃薯制种阶段仍然采用人工切种,而马铃薯切种的质量直接影响马铃薯的出芽率和产收,是影响农民直接利益的关键步骤。为了解决这一问题,促进农民增收,设计了一种马铃薯气动切种装置,以实现马铃薯自动化切种和物流传输过程。同时,利用UG建立虚拟仿真模型,并通过ANSYS对模型的可靠性进行分析,验证马铃薯气动切种装置机械结构是否合理,以及其主要构件的刚度和寿命是否符合生产要求[2]。

1 总体阐述

马铃薯切种装置分为切种装置和供给装置,由供给链的转动来带动切种盒内马铃薯的运送,然后切种装置运作,对马铃薯进行切割;完成后,供给机构运送新的马铃薯进行切种。其总体设计如图1所示。

1.约束架 2.底座 3.切种盒 4.刀具 5.刀具端架

2 关键构件设计

2.1 气动切种机构

气动切种机构如图2所示。该机构为装置的主要部件,装配关系为:刀具安装在刀具端架上,刀具端架与气缸固定连接,从而约束刀具的垂直移动。刀具的主要组成有两片上位横向刀具和下位纵向刀具。切种时,下位刀具先对马铃薯进行切割,然后上位刀具再进行切割。采用分时切割方式,有利于增大瞬时切割压强,从而更好地对马铃薯进行切割。

1.刀具端架 2.上位横向刀具 3.下位纵向刀具 4.马铃薯

为保证切削力,切种操作采用气缸作为动力,标准参数如表1所示。

选取工作压力为0.5MPa,气缸运行速度为400mm/s。按照国家标准,刀具设计对于气缸速度在50～500mm/s范围内的水平或垂直动作,A≤0.5,则取A=0.5。

式中F—实际输出力;

A—工作阻力;

P—工作压力;

D—缸径。

分析可得:气缸的实际输出力为201N,刀具行程150mm,运行速度为400mm/s。经检验,该输出力满足马铃薯切削所需,速度适中,不会造成马铃薯的跳动和底座构架的不稳固。

马铃薯块茎作为种子的基本要求有:必须表面具有芽种;块茎质量在30～40g之间。马铃薯长期放置后,芽种数量基本符合要求。马铃薯分块方面仍需要比较仔细,为了保证分块的均匀性,特选用三刀具、六分块模式,来保证每个马铃薯分块的合理性。刀具参数如表2所示。

表2 刀具参数设计

2.2 气动单向链轮供料机构

因切种装置采用气动切种,对马铃薯及其固定装置冲击性较大,且运转速度较快。为保证操作人员的安全和提高机械自动化程度,特设计自动供给机构。

供给机构主要是以气缸为动力源,带动齿条在水平方向运动,齿条带动齿轮轴的转动,从而带动单向齿轮的单向间歇旋转,致使切种盒的单向进给,从而完成供料过程,如图3所示。

1.气缸 2.齿条 3.单向轴承 4.切种盒

切种盒的作用为承载切种时的载荷和对马铃薯的运动进行限制。为保证切种盒与马铃薯和刀具的适配性,切种盒的长为155mm,宽为75mm,高为50mm,切种盒间距为80mm。

选用链轮的分度圆直径为61.08mm,齿数为15,每移动1个工位链轮的转动角度为150.09°,则

式中d1—切种盒间距;

d2—链轮分度圆直径;

φ—链轮转动角度。

为保证每种运动后切种盒的准确切换及切种盒的平稳运行,特选用气缸和齿轮轴规格如表3所示。

表3 供给机构参数

式中θ—齿轮轴的转动角度。

在行程为40mm的气缸的带动下,齿轮轴的转动角度152.7°与链轮的转动角度150.09°在误差允许范围内,则能够保证切种盒的准确定位,从而保证机器的正常运转。

3 有限元分析

为了检验装置在力学方面的性能,将UG模型导入到ANSYS中,根据实际情况的需求,材料选用45钢、灰铸铁等。网格划分为大小5mm的六面体网格,节点数1 806 585,元素数857 064。对其整体部件及关键构件进行仿真分析(见图4)和优化设计,以更好地证明本装置的可行性和合理性。

图4 整体构件有限元分析

3.1 刀具性能有限元分析

刀具是装置的核心部件,要求刀具安全可靠,具有较高的经济性,方便农民的使用及市场的推广。因刀具存在高速运转和冲击性受力,根据机械设计标准,采用45钢,其主要参数为: 硬度≥55HRC,许用应力=335MPa,泊松比=0.3。

3.1.1 刀具的等效应力有限元分析

前文中计算得出,气缸对刀具施加的压力为201N,根据力作用的相对性,对刀具3个刃面施加201N的垂直作用力,刀具支撑架为固定支撑点。由图5可知:刀具受到最大为1.14MPa的压力,远小于45钢的许用应力为335MPa,因而在切种时刀具不会损伤而对机构产生影响,则可认为刀具的硬度设计是安全可靠的[3]。

图5 刀具的等效应力

3.1.2 刀具的等效弹性应变有限元分析

图6为刀具的等效位移图,目的是测试刀具在测试压力下,刀具的位移量。由测试结果可知:最大变形量为6.43×10-6mm,远小于45钢的弹性变形极限0.68mm(即在测试受力范围内),刀具变形属于弹性变形,刀具运转正常。

图6 刀具的等效弹性应变

3.2 供料机构主动齿轮和齿轮轴有限元分析

切种装置完成切种后,供给机构运转,气缸对齿轮轴施加推力,推动主传动齿轮运转,带动切种盒传送带运转。其中,主传动齿轮和齿轮轴的性能直接关系到供给机构的寿命和可行性。为测得机构的合理性,定义材料为结构钢,钢号Q235,弹性模量200、泊松比0.3、屈服极限235MPa、密度7.85g/cm3。对齿轮轴施加压力201N,同时对主动齿轮施加反向压力,大小与齿轮轴的压力相同[4]。实验结果如图7、图8所示。在测验条件下,齿轮轴和主动齿轮的最大等效应力为4×106Pa,远小于材料的屈服极限370×106Pa;最大等效弹性应变为3.3×10-5mm,远小于弹性变形量10-3mm。所以,此条件下的主动齿轮和齿轮轴各项指标均在安全范围内,符合可行性要求。

图7 主动齿轮和齿轮轴等效应力

图8 主动齿轮和齿轮轴等效弹性应变

3.3 切种盒冲击受力分析

刀具切割马铃薯时,装载马铃薯的装置,即切种盒也相应受到相同大小的冲击性压力,而切种盒的完整性是保证供给机构正常运行的另一关键要素[5]。定义切种盒材料为45钢,其主要参数为: 硬度≥55HRC,许用应力=335MPa,泊松比=0.3。对切种盒内端面施加201N垂直压力,切种盒底部螺栓安装处为固定支撑面,结果如图9、图10所示。切种盒最大等效应力为7.9×105Pa,最大等效弹性应变为4×10-6mm,均小于该材料的屈服极限和弹性变形位移量,且装置无可见变形和结构损伤,符合安全性和稳定性的要求。

图9 切种盒冲击等效应力

图10 切种盒冲击等效弹性应变

4 实验

利用UG绘制三维草图,并用ANSYS对其进行仿真分析,经过整体构件及关键部件的仿真与改进,制造马铃薯种植气动控制切种装置物理样机1台,如图11、图12所示。

图11 刀具样机

图12 供给机构样机

为了检验该装置的性能能否满足农民的日常需求,对该装置进行实物运转测试,并与农民马铃薯切种效率进行对比。实验参数如表4所示,实验数据如图13所示。

表4 马铃薯切种实验数据

图13 马铃薯切种数据

实验结果表明:装置在运行期间,运转稳定,单位时间内的切种数量较为平均,机器制种效率约为人工制种的2.6倍。由图13可知:人工制种时,开始效率较高,但随着肌肉的疲劳,人工的单位时间制种数量一直在下降。可见,人工制种不稳定性较大,长期劳作,会产生多种病痛;相反,机器制种则可以完美解决这个问题。

5 结论

1)稳定性高。实验数据表明:在装置运转期间,切种速度相对稳定,无巨大波动。

2)效率高,约是人工效率的2.6倍。

3)成本低。装置采用气缸与机械装置的巧妙配合,占地空间不大,价格低廉,适合农民对于农业机械低成本、高效率的要求。