枸杞采摘机机架有限元分析

孙浩博， 胡明明， 胡忠强， 李声元， 赵永彪， 黄晓鹏， 万芳新*

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.浙江四方股份有限公司，浙江 永康 321000)

枸杞含有多种营养成分，是一种药食同源的浆果，制干后的枸杞子具有滋养保健、药用等功能，并可制做饮料或酒[1-4]。枸杞广泛种植于我国西北地区，主要分布在甘肃、宁夏、新疆等地，在宁夏枸杞核心产区的乡镇及专业村，农民种植或经营枸杞的收入占总收入的60% 以上。由于枸杞采摘的季节性强、劳动强度大，且要求分时有序采摘。因此机械化采收难度大，制约了枸杞产业的发展[5-7]。近年来国内关于枸杞采收机械化的研究取得了长足进步。目前枸杞采收机主要分为小型手持式和大中型自走式两类。小型手持式采摘机结构简单、便于操作、携带便捷，但存在采收效率低、劳动强度大等问题[8-10]。为提高采收效率，降低枸杞果实损伤率，目前研究热点多集中于大中型枸杞采收机。张文强等[11]设计了一种振摇式枸杞采收机，并优化了振摇装置。张最等[12]通过建立枸杞结果枝条的振动模型，优化分析得到振动法采摘成熟枸杞果实的最佳工作参数，设计了一种振动式枸杞采收机，在一定程度上提高了采摘机的采摘效率。赵健等[13]通过正交旋转组合试验对枸杞振动采收装置的振动频率、振动时间、振动杆直径进行了优化。周宏平[14]研发的高速气流采摘枸杞采摘装置，利用高速气流将枸杞吹落，可在一定程度上降低采收过程中枸杞果实的损伤。郭志东[15]设计了一种由气吸梳齿组合的自走式枸杞采摘收获机，采收时枸杞果实在引风机的风力作用下与竖直方向保持30°～90°夹角，梳齿采摘器靠近枸杞枝条将枸杞梳落。梅松[16]通过研究振动频率对枸杞采净率、含杂率、损伤率和误采率的影响，确定了往复式振摇采收枸杞秋果的最佳振动频率。现阶段大型自走式枸杞采收机工作效率高，但普遍存在误采率、损伤率较高等问题，尚不能得到有效推广应用。为解决实际生产问题，仍需对枸杞机械化采收设备及相关理论进行深入研究。

课题组设计了一种振摇式枸杞采摘机，为保证采摘机机体结构安全可靠，本文利用Ansys Workbench软件对枸杞采摘机机架进行有限元静态分析和模态分析。以确定机架是否满足强度和抗振性要求，以此为采摘机结构优化提供依据。

1 枸杞采摘机整机结构与工作原理

课题组设计的自走式枸杞振动采摘机结构如图1所示。该机能够一次性完成枸杞果实的采摘、输送、清选、收集工作。工作时，采摘机骑跨在枸杞果树上，并以一定的速度前行。振动杆深入枸杞树冠，在激振装置作用下上下往复振动。在振动作用下，枸杞从挂果枝条上脱落。枸杞经车体下方收集装置收集，再由传送带输送至物料斗，由物料斗进入清选装置，最后分别进入两组果实收集装置，实现枸杞机械化采摘。该枸杞采摘机采用一体式车架，各装置和部件都固定在机架上。

图1 自走式枸杞采摘机结构示意图1.机架；2.输送带；3.物料斗；4.柴油机；5.清选装置；6.集果箱；7.橡胶履带；8.履带轮罩；9.动力转换装置；10.果实收集装置；11.激振装置；12.驾驶室

2 机架有限元静力学分析

本文应用Ansys workbench对枸杞采摘机的机架进行静态结构分析以及模态分析。静态结构分析适用于模型承受固定载荷或载荷近似不变的情况，机架在使用过程中主要受到自身重量以及枸杞采摘机其他零部件对它的压力，分析时机架的倒U型框下端固定，倒U型框上端受到其他零部件对其施加载荷。

2.1 有限元模型构建

本研究利用Solidworks构建了机架的三维模型，保存为.x_t文件，将该模型文件导入到ANSYS中。通过Workbench自带材料库模块(Engineering Data)中设置机架材料为Q235结构钢材，其属性见表1。

表1 机架材料属性

2.2 模型的网格划分

有限元软件是通过几何体网格的迭代计算来模拟整个几何体受力情况，几何体网格划分在很大程度上影响着计算精度。本次研究根据机架最小尺寸为上限，单个网格尺寸大小为5 mm，划分成非结构型网格。网格划分结果如图2所示。

图2 机架模型网格划分

2.3 添加约束和载荷

在完成网格划分后开始载荷和约束的添加及设置。设置约束类型为固定约束，约束的面为枸杞采摘机机架两边最靠近地面的两个面。约束添加完后添加载荷，机架主要载荷为发动机、操作人员、采收的枸杞果实和其他零部件质量。假设作用在机架上的力是均匀分布，选择载荷的类型为压力，单位为MPa。枸杞采摘机的重力选取20 900 N，用Solidworks测量出枸杞采摘机受力面的总面积约为3.15×105mm2，通过计算得出采摘机受力面积的应力为0.066 4 MPa。枸杞采摘机机架的约束和载荷如图3所示。

图3 机架约束及载荷

2.4 静力学分析

设置要求解的项目为应力、应变以及变形。图4、图5、图6中分别为机架的应力云图、应变云图以及总变形云图，表2为机架的静态分析结果。

图4 机架应力云图

图5 机架应变云图

图6 机架总变形云图

表2 机架静态分析结果

从表1中可以看出机架受到的最大应力σmax约为80 MPa，Q235钢的屈服强度σs为235 MPa，根据资料可知，Q235钢材的安全系数[S]取2.5。

故机架的强度满足要求。

3 机架的模态分析

机架模态分析需要计算分析机架的固有频率特性，以防止枸杞采摘机的振动频率与机架的固有频率相等或相近，避免采摘机发生共振，影响采摘机使用寿命以及采摘质量。

机架的模型导入以及材料设置同静态结构分析相同。选择采摘机机架的两个底面，添加尺寸控制和固定约束。设置机架的前8阶模态分析，前10阶模态频率下机架的变形情况如图7所示，表3为分析所得前10阶模态的固有频率。

(a)一阶模态

(b)二阶模态

(c)三阶模态

(d)四阶模态

(e)五阶模态

(g)七阶模态

(h)八阶模态

表3 机架前十阶固有频率

从表2可以看出，机架的前十阶模态中一阶模态时的固有频率最低，为30.356 Hz，后面的九阶模态的频率呈逐渐升高的趋势。本采摘机正常工作时的振动频率为10～13.5 Hz，与30 Hz的差别较大，可有效避免采收过程中机架产生共振。

4 结论

利用Ansys Workbench对自主设计的枸杞采摘机机架进行了静态结构分析和前十阶模态分析，结果表明，采摘机机架所受到最大应力约为80 MPa，所选机架材料强度满足使用要求。采摘机机架的模态分析中，一阶模态的固有频率最低，约为30 Hz，所设计的枸杞采摘机的振动频率为10～13.5 Hz，采摘机不会发生共振，能够满足作业需求。研究可为进一步优化整机结构提供理论依据。