基于 CAE 的煙草烤房掛煙機械結構優化分析

石毅新，蔣蘋，彭才望，李軍政，周菊林

（湖南農業大學，湖南長沙 410128）

基于 CAE 的煙草烤房掛煙機械結構優化分析

石毅新，蔣蘋，彭才望，李軍政，周菊林

（湖南農業大學，湖南長沙 410128）

文章以傳統理論計算方法與有限元分析方法相結合，以掛煙作業實際情況為基礎，重點研究掛煙機械中主要結構部件的性能特征，以得出結構簡單，機構緊湊，安全可靠的掛煙機械虛擬樣機結構，為后續實際樣機制作提供必要的理論支持與數據支撐。

掛煙機；車架；結構分析

烤煙是煙草生產加工過程中至關重要的一個步驟，烘烤質量直接決定了煙葉的品質與級別。近幾年來，國家煙草總局積極推行的密集烤房在全國得到了大力發展，采用密集烤房在提高了烤煙效率的同時，對于烘烤前的人力上煙也提出了較大考驗。目前的密集型烤房通常采取三層布置，三層布置位置分別距地面高度為 1.2m、2.2m、3.2m，人工上煙時，上煙效率比較低，特別是在第二層和第三層的上煙時，需要借助扶梯掛煙，煙農通常手提 1～2 個標準煙夾，再爬上扶梯進行操作。高空作業在增加勞動強度的同時，無疑也造成了較大安全隱患，因此對于掛煙機械的分析研究，特別是其結構分析則顯得尤為重要。

文章以有限元法為主要研究方法，對煙葉自動掛煙裝置的總體結構進行分析，研究出一套經濟、穩定、可靠的結構布置，對掛煙機械的機具開發設計提供重要理論依據。

1 總體方案設計

根據機械設計與理論計算，得出該機械結構設計主要有三大部件組成：

（1）行走車架底盤：機具主體承重和裝配載體，車架下端安裝行走驅動車橋以及轉向車橋；車架上端連接安裝舉升裝置；車架前端預留煙夾儲存位置；因整機采取電動液壓驅動，所以車架尾部為駕駛員操作部位及動力裝置安裝位置。

（2）三段剪式舉升裝置：因密集型烤煙房為三層布置，因此為適應不同高度的掛煙作業要求，特別為滿足第二、三層掛煙要求，該舉升裝置根據作業要求，提供不同工作位置的掛煙舉升高度。剪式舉升裝置為目前采用較多的舉升結構形式，剪式機構具備舉升過程中，機具重心投影始終位于同一位置的穩定特性，同時為兼顧整機結構的緊湊性與穩定性，在需求舉升高度范圍內，采用三段剪式機構。

（3）頂架機構：頂架機構的設計，主要通過前期調查，得出目前密集型烤房的掛煙角鐵寬度及與之匹配的梳式煙夾的標準長度為 1.35m；另為保證作業效率，單次掛送煙夾個數為10～15 個；同時為保證下端剪式舉升正常工作。機構采用掛煙部位為懸臂設置，后端兩連接部位分別為鉸鏈連接和滑軌鏈接。

具體整機方案設計結構圖如圖1 所示：

圖1 掛煙機總體方案設計圖

2 關鍵部件優化設計分析

為保證機具能順利穩定的滿足工作要求，針對機具中的三大結構部件分別進行結構優化分析。文章通過 solidworks三維建模軟件根據設計要求對模型進行構建，進而基于軟件simulation 仿真模塊，進行靜力學有限元分析。基本設計分析思路以圖2 流程路線所示。

圖2 有限元分析基本流程

優化分析以三大部件為分析對象，在總體方案設計的基礎上，對結構進行優化調整，以達到滿足機具工作性能要求的前提下，降低整機空載質量，縮減機具設計尺寸。同時，由于整機結構為鋼管焊接件，因此通過有限元分析計算，在機具部分結構細節部位進行局部加強、分載處理，以降低焊接等加工工藝帶來的熱變形及結構設計的應力集中現象。

（1）車架對比分析。依據有限元分析基本流程，充分考慮機具作業時的各種載荷、約束情況，得出車架 Mises 應力分布及總變形情況如圖3、圖4 所示。

圖3 車架應力分布云圖

圖4 車架位移變形分布圖

根據以上分析結果可看出，車架的應力值較大位置主要集中在形狀結構變化較大，且受力點較多的區域；從位移變形量結果分析可看出，變形較大位置主要集中在車架尾部駕駛座。針對以上分析結果考慮對車架中段受力較大位置進行局部加固處理；考慮尾部駕駛座位區域為近似懸臂結構設計，因此考慮在車架尾部下端，加裝橡膠萬向輪用于輔助支撐，經過結構調整后，重新進行分析得出結果如圖5、圖6 所示。

圖5 車架結構優化后應力分布云圖

圖6 車架結構優化后位移變形分布圖

從以上結果分布云圖中可明顯得出，經過對特定部位的結構調整，車架的靜力學結構分析應力和位移變形數值均有明顯降低。

（2）舉升裝置分析。本機具的舉升機構采用三段式剪式舉升機構，此機構經過有限元分析后，發現應力較大部位主要集中于各聯接鉸點位置。因此，根據分析結果，對舉升機構各鉸接點，均改用軸套銷的聯接方式，并對各聯接點端部，均采用鋼板加厚處理。結構優化后，部件穩定性和變形量都有一定改善。

（3）頂架對比分析。針對頂架的對比分析采用同樣的方式進行，首先分析初始設計模型得出頂架在實際載荷情況下的應力分布和位移變形情況，結果如圖7、圖8 所示。

圖7 頂架應力分布云圖

圖8 頂架位移變形分布圖

經過分析結果發現，頂架尾端一頭采用鉸接與剪式支撐裝置連接，另一頭采用滑軌形式連接，頂架前端為懸臂結構，其應力分布較大區域位于頂架中段與懸臂連接位置，因此考慮對該區域進行局部加固；變形量較大區域主要位于頂架前端的懸臂端。經過結構的局部優化調整，重新分析得出如圖9、圖10 所示。

圖9 頂架結構優化后應力分布云圖

圖10 頂架結構優化后位移變形分布圖

對比前后結構調整發現，結構調整后，應力分布和位移變形值均有降低。因此，擬采用優化調整后結構為最終設計結構。

3 結論

在傳統理論設計的基礎上，運用有限元分析方法對初始設計模型進行分析，并在結果基礎上對結構進行優化調整和局部區域的加固與改進，并重新通過同參數下的有限元分析，比對前后結果，最終確立掛煙機械的三大主體部件的優化結構形式。

［1］唐躍進，彭才望，石毅新.新型煙草上房機設計［J］.湖南農機，2014，（8）：33-35.

［2］石毅新，蔣蘋，彭才望.小型生物質直燃爐結構設計［J］.時代農機，2015，（1）：25-27.

［3］張小玲.MP C15-6 型平板車的強度校核［J］.企業科技與發展，2013，（5）：23-25.

［4］曹茹.SolidWorks 2014 三維設計及應用教程［M］.北京：機械工業出版社，2016.

Analysis of Optimization of Tobacco Flue Curing Machinery Structure based on CAE

SHI Yi-xin，JIANG Pin，PE NG Cai-wang，LI Jun-zheng，ZHOU Ju-lin
（H unan A gricultural University，Changsha，H unan 410128，China）

According to the traditional theory calculation method and finite element analysis method，combining with the actual situation of smoke hanging work，the paper focuses on the performance characteristics of the main parts of tobacco hanging in the machinery，and obtains secure virtual machine structure of hanging hood with simple and compact structure，which provides theoretical support and necessary data support for the actual prototype production.

hanging hood；frame；structure analysis

TN02

A

2095-980X（2016）12-0022-02

2016- 11-09

湖南農業大學校青年基金項目（14QN06）。

石毅新（1986 -），男，湖南長沙人，博士，講師，主要研究方向：農業機械結構設計與優化。