W型香菇培育装置结构有限元分析

卢泽民 王 锐 廖 剑 高星星 庞雄斌 舒虹杰 罗 欣

(武汉市农业科学院，湖北 武汉 430000)

1 W型香菇培育装置结构简介

W型香菇培育装置主要由机架、电动机、主传动部件、从传动部件、循环链条、吊篮(等节距排列)、张紧调节机构、过渡链轮、托轮等组成，图1为一个八列的W型香菇培养装置示意图。设备动力驱动装置包括电动机、变频器、摆线针轮减速机、链轮链条等组成，通过链传动使吊篮循环运转。开机后，在动力驱使下，挂在横向两侧循环链条销轴上的吊篮缓慢地随着链条在机架框架空间内前后上下作立体循环往复运动。装卸区域一般设置于机架纵向前端(布置电动机的一端)。在进行菌棒装卸作业或菇类采集时，要求作业人员在装卸区域进行作业。

1-主传动部件；2-电动机；3-循环链条；4-机架；5-吊篮；6-过渡链条；7-从传动部件；8-张紧调节螺杆；9-托轮图1 W型香菇培育装置

2 W型香菇培育装置结构机架的分析与研究

2.1 机架的结构设计

W型香菇培育装置机架由立体框架结构组成，基本尺寸为15800mm×3690mm×4040mm，主要包括立柱、横梁、纵梁、加强杆(梁)等组成，机架主要承受吊篮及其承载物香菇的重力载荷，图2为W型香菇培养装置机架立体三维图。框架材料为矩形钢管，相对于其材料厚度尺寸而言，机架部件属于大跨度柔性结构，且其受到重载的影响，因此，需要分析其强度和刚度，验算使用的安全性和可靠性，为设计和优化提供重要的依据[2]。

图2 W型香菇培育装置机架立体三维图

2.2 机架有限元模型建立

在solidworks环境下进行建模，生成ansys workbench可识别文档，导入ansys workbe nch软件中进行有限元分析，能够有效实现三维软件与分析计算软件之间的数据共享和自动转换。在生成的集合模型上直接选择材料属性、划分网格、添加约束和载荷并进行求解[3]等。

图3 三维简化模型

(1)在solidworks中建立三维模型，W型香菇培育装置机架可由多列组成，分析过程中，为了减少建模和分析计算时间，本文以五例机架为研究对象；同时，对模型进行合理地简化处理，忽略一些局部特征[4]，得到三维简化模型如图3所示。

(2)将三维模型导入ansys workbench中，定义机架的材料属性，机架材料为普通碳钢，在软件中将材料设置为structural steel。从材料手册中查得其弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，材料密度为7800kg/m3，屈服强度为σ=220MPa。

(3)定义边界条件，在有限元静力分析过程中，必须采用足够的约束稳定模型，在本文中，底梁与地面固定，自由度约束为零，选择2根底梁的2个面，对底部进行固定约束，如图4所示。

图4 定义边界条件

添加载荷，对机架施加载荷，通过简化模型，机架链条上承受吊篮及其香菇重量的载荷，将此载荷施加在过渡轴上，相当于集中力载荷加载在此处，根据计算可得，每处承受16000N竖直载荷(图5)。

图5 添加载荷

对机架进行划分网格，网格划分时，单元的多少影响运算速度和结果精度。本文对机架进行实体网格划分[5]，采用高精度网格单元，节点数为378736个，单元总数为97892个。机架网格划分模型如图6所示。

图6 网格划分

2.3 有限元的求解和分析

通过建模、定义边界调节、划分网格及施加载荷以后，在ansys workbench中选择运行选项，进行静力学分析，经过ansys workbench分析计算[5]，最后得到机架的等效变形云图和等效应力云图，如图7和8所示。

图7 等效应力云图

从图7等效应力云图中可以得出，立柱顶端处应力最大，最大等效应力为48.75MPa，小于许用应力[σ]=220MPa。从图8等效变形云图中可以得出，立柱中间靠上处变形最大，最大等效变形为5.96mm，小于设计变形量[V]=8mm。从图中分析可得，当机架承受载荷时，机架应力和变形在设计的工作强度和刚度范围内，保证了使用的安全性和可靠性。

图8 等效变形云图

3 W型香菇培育装置机架结构改进与优化

根据图2和图3可以看出，机架结构内部缺少双边加强斜撑件，主要考虑链条带动吊篮循环运动时与双边加强斜撑件的空间距离太小，但此结构使得机架框架结构变形稍大、稳定性差，故后期改进在机架内部增加了单边拉杆；同时，为了使得机架整体性能更好，在变形最大处增加了2根整圈圈梁，如图9所示。

图9 W型香菇培育装置机架改进和优化立体三维图

通过同样的有限元分析，得到改进机架的等效应力云图和等效变形云图，如图10和11所示。从图10等效应力云图中可以得出，立柱顶端处应力最大，最大等效应力为41.325MPa，小于许用应力[σ]=220MPa，且小于改进前的最大等效应力48.75MPa。从图11等效变形云图中可以得出，顶梁中间的横撑变形最大，最大等效变形为2.72mm，小于设计变形量[v]=8mm，且小于改进前的最大等效变形5.96mm。从图中分析可得，改进和优化的机架结构更加合理，更能满足使用的安全性和可靠性。

图10 等效应力云图

图11 等效变形云图

4 结语

运用solidworks/ansys workbench三维建模和有限元分析方法，对W型香菇培育装置机架进行了静力学分析，研究了受力状态下机架的应力和变形，并通过结构改进和优化，对机架结构进行了合理设计与完善，更加满足其强度和刚度要求，保证了使用的安全性和可靠性，同时也为后期进一步优化设计与改进提供了参考依据。