基于ANSYS的养蚕装置接沙盘锁紧机构的设计和仿真

黄 峥，黄泽界

（遵义职业技术学院，贵州遵义 563000）

0 引言

蚕桑产业在我国有着悠久的历史，20世纪70年代，我国蚕茧产量就超越了日本成为世界第一大蚕茧生产国。2019年我国桑园面积为75.53万hm2；蚕茧产量为72.08万t，蚕茧和生丝产量占全球80%以上。2000年，国家经贸委提出“东桑西移”战略，商务部在2006年开展了“东桑西移”工程，中西部地区的蚕桑产业得到了飞速的发展。产业转移的原因在于我国蚕桑产业的机械化自动化程度较低，对产业技术人员的依赖度高。土地和人力成本的不断攀升导致了国家蚕桑产业发展战略的转移。

根据2017年对山东、浙江两地的蚕桑从业人员进行调研时发现，蚕农老龄化程度高，老龄化趋势严重。根据相关报道，目前我国蚕桑产业综合机械化率还不到5%，主要依靠人力，劳动强度大、生产效率低是蚕桑产业中亟待解决的问题。工信部等六部门印发的《蚕桑丝绸产业高质量发展行动计划（2021—2025年）》中提到了建设规模化、集约化的蚕桑基地。通过产业政策引导，在蚕桑主产区持续推动蚕桑规模化和集约化发展，建立适合机械化作业、自动化操作的标准化蚕桑种养新体系。

1 方案简介

除沙是养蚕作业中的一个重要环节，其目的在于清除蚕箔中的桑叶残渣、蚕的排泄物等。如果不清除蚕沙，则会导致蚕箔内蚕沙的堆积，造成细菌和病毒感染。传统的除沙方法是工人将蚕移到一个干净的蚕箔之后，再将原蚕箔中的蚕沙清扫干净。因此，除沙作业的时间成本和人力成本均居高不下。本设计方案的目的在于进一步提高养蚕的机械化水平，为接沙盘设计了一套锁紧机构，实现接沙盘的解锁和锁紧。接沙盘的作用在于收集从蚕箔掉落的蚕沙，并进行清理。

1.1 安装位置、结构及工作原理

1.1.1 安装位置

本设计方案锁紧机构的安装位置（图1）。用于养蚕的蚕箔放置在蚕架内，两个锁紧机构对称安装在蚕架两侧，接沙盘通过两个锁紧机构锁紧在蚕架底部。

图1 锁紧机构安装位置示意图

1.1.2 锁紧机构的结构

锁紧机构的具体结构（图2）。弹簧体和安装座都安装固定在蚕架上，夹板与安装座通过销轴连接，夹板上端与弹簧体之间无连接，弹簧体内使用的弹簧为压缩弹簧，弹簧体内的弹簧在图示状态下处于压缩状态，橡胶板粘贴在夹板下端。橡胶板的作用在于减小摩擦及缓冲。

图2 锁紧机构结构示意图

1.1.3 工作原理

解锁作业：当需要进行除沙作业时，直线运动机构推动伸出并作用在夹板上端，从而推动夹板绕销轴运动，同时挤压弹簧体。当夹板转动一定角度后，夹板下端从接沙盘底部脱离。接沙盘落下，进行除沙作业。锁紧作业：当完成除沙作业后，执行机构将接沙盘推到初始位置，直线运动机构缩回。在弹簧体的弹力作用下，夹板复位，夹板下端锁紧接沙盘。

2 设计计算

2.1 受力分析

在接沙盘被锁紧的状态下，夹板转轴点满足公式：

式中，F1为夹板受到弹簧体的作用力；

L1为F1的力臂；

F2为夹板受到接沙盘的作用力；

L2为F2的力臂。

计算得到弹簧体对夹板的作用力需大于或等于22 N，才能保证锁紧机构不会因为接沙盘及蚕沙的重力作用而自动解锁。

2.2 弹簧体设计

弹簧体的结构（图3）。弹簧上下两端分别和上下底板焊接，同时在上底板和下底板分别焊接有圆柱体和套管。

图3 弹簧体示意图

根据设计要求，弹簧的安装载荷为22 N，安装高度为34 mm，工作行程为18 mm。经验证，弹簧特性、疲劳强度、稳定性要求等均满足要求，则本设计方案中为弹簧体所设计的弹簧满足要求。

3 仿真分析

3.1 底座

利用ANSYS软件分别对几个重要的零件进行仿真分析，验证零件强度是否要求。本设计方案中，夹板、底座以及上下底板均选用Q345B钢板，厚度为2 mm，屈服点为，销轴材料选用45号钢，屈服点为。

结合对锁紧机构的在锁紧状态的受力分析，利用ANSYS软件对底座进行仿真分析。最终分析得到底座的应变（图4），最大应变为3.5×10-5mm。底座应力（图5），最大应力为9.5 MPa，远小于屈服强度，则零件材料和结构满足性能要求。

图4 底座应变示意图

图5 底座应力示意图

3.2 夹板

夹板的三维模型（图6），采用钣金工艺设计，并在两侧面进行了弯边处理以提升其结构强度和刚度。结合对锁紧机构在锁紧状态的受力分析，利用ANSYS软件对夹板进行分析。最终分析得到夹板的应变（图7），最大应变为2.8×10-4mm。夹板应力（图8），最大应力为52.9 MPa，小于屈服强度，则零件材料和结构满足性能要求。

图6 夹板三维图

图7 夹板应变示意图

图8 夹板应力示意图

3.3 销轴

用于连接夹板和底座的销轴在仿真软件中的分析计算。

最终分析得到销轴的应变（图9），最大应变为2.5×10-5mm。销轴应力（图10），最大应力为4.7 MPa，小于屈服强度，则零件材料和结构满足性能要求。经过对几个重要零件的仿真分析，验证得到零件强度均满足设计要求。

图9 销轴应变示意图

图10 夹板应力示意图

4 结语

本方案所设计的锁紧机构能够满足锁紧接沙盘的功能要求，能够在有限的安装空间内实现接沙盘的锁紧，以及在外力作用下实现接沙盘的解锁。经分析计算，所设计的弹簧体能够保证在接沙盘在被锁止的状态下，不会因为接沙盘以及蚕沙的重力作用而自动解锁。经ANSYS软件仿真分析，接沙盘锁紧机构几个重要的零件所选用的材料及结构均满足强度要求。本方案设计的锁紧机构能够满足锁紧和解锁接沙盘的要求。