升降式電動全驅割草機的結構設計與主軸有限元分析*

□ 徐 紅 □ 周天文 □ 譚光宇 □ 魏原芳 □ 李廣慧

1.濟南大學泉城學院工學院 山東蓬萊 265600

2.廣東海洋大學工程學院 廣東湛江 524088

1 研究背景

近年來，草坪綠地產業的迅速發展，極大地推動了我國園林機械產品需求量的快速增長。割草機以自身突出的優勢，已成為一個產品門類比較齊全、創新能力不斷增強的園林機械朝陽產業［1-2］。經過對現有國內外割草機現狀進行調研，筆者設計一款新型升降式電動全驅割草機，由電力驅動代替傳統的柴油機驅動，并且可以遙控轉向，使設備更節能、更環保、更便捷，控制也更簡便。該款割草機不僅可以廣泛應用于牧場、高爾夫球場、足球場、園林綠化場地，而且可以應用于對噪聲控制較嚴格的場地［3-4］。

為了縮短設計周期，提高設計效率和準確性，應用SolidWorks軟件建立了割草機核心零部件的三維模型并進行裝配，完成割草機的結構設計。借助ANSYS Workbench軟件對割草機關鍵部件——主軸進行靜力學和模態分析，為優化設計提供理論依據［5-6］。

2 總體方案

傳統割草機通常采用柴油機或汽油機作為動力來源，在割刀除草過程中，往往造成草屑飛揚，噪聲很大，影響環境，且需要人工操作，單次割草面積小，造成重復工作，十分煩瑣。或是需要大型農機搭載，十分笨拙，且沒有自動收草裝置，需要人工收集落草，十分麻煩，勞動強度較大。此外，傳統割草機進行割草作業時，刀片轉速達2 700～3 000 r/min，割草刀盤裸露在外，沒有保護裝置，十分危險。升降式電動全驅割草機以電力驅動代替傳統的柴油機驅動，其應用范圍更廣，不僅可以廣泛應用于牧場、高爾夫球場、足球場、園林綠化等場地，而且可以應用于對噪聲控制較嚴格的場地。割草機采用可升降桿組，可以控制割草量和留茬高度，能滿足絕大多數工況的需要，工作范圍更廣。帶輪采用鋁合金材料制成，質量輕，力學性能更好，更節能。機架多用角鐵材料制成，成本更低。通過對升降機構和主軸等核心技術和關鍵零部件的計算和校核，最后確定其總體技術參數［7-8］。

3 切割裝置結構

切割裝置是升降式電動全驅割草機上最重要的工作部件，其工作性能直接影響到整機的使用性能。升降式電動全驅割草機的切割裝置主要由支撐架、主軸、電動機、刀罩、刀、軸承瓦盒及集草箱等部件組成。割草機由四輪電動全驅車體和切割裝置組成，切割裝置懸掛于四輪車體的前方。車輛車載控制系統包括車輛照明系統、行走控制系統、超聲波及紅外避障系統、剎車系統、割草系統、收草系統、電機驅動器、動力分配及電動操控接口等。割草機切割裝置可以實現掛接、升降、傳動、切割等功能，設計簡單，結構緊湊。采用交錯刀盤設計，雙刀盤相切放置，在顯著提高工作效率的同時，保證不重割，不漏割。割草機切割裝置以電力驅動代替傳統的柴油機驅動，創新運用交錯刀盤設計，旋轉的雙刀盤在割草面上呈現為相切，在倍增割草效率的前提下能有效避免重割、漏割。在刀片上添加旋翼，利用刀片高速旋轉帶動空氣將落草收入集草箱，從而實現割草、收草的自動化和一體化。升降式電動全驅割草機切割裝置如圖1所示。

▲圖1 升降式電動全驅割草機切割裝置

4 主軸有限元分析

有限元分析軟件ANSYS Workbench在機械結構的優化設計方面應用越來越普遍。筆者根據割草機主軸的約束和受力情況，借助有限元分析軟件對其進行結構靜力學分析和模態分析，從而能夠有效縮短設計周期，提高生產效率，為設計工作提供重要保障［9-10］。

4.1 靜力學分析

4.1.1 設置材料屬性

主軸的材料選用45號鋼，其材料屬性見表1。

表1 45號鋼材料屬性

4.1.2 網格劃分

在對主軸進行網格劃分和求解的過程中，為了提高求解精度，盡量將網格劃分細化。同時將對整體求解影響不大的結構，如尺寸較小的螺紋和倒角等忽略，以便節省和優化實體單元。網格劃分模型如圖2所示，共有148 938個節點、102 713個單元。

▲圖2 主軸網格劃分模型

4.1.3 邊界條件及載荷

升降式電動全驅割草機主軸的兩端軸肩處安裝滾動軸承，在上滾動軸承處施加位移約束，并設置X軸方向和Z軸方向位移為0，即這兩個方向受到約束。在下滾動軸承處施加位移約束，并設置X軸方向、Y軸方向和Z軸方向位移為0，即這三個方向受到約束。同時，將主軸的自重作為慣性載荷，直接施加。將皮帶輪、切割圓盤及刀片等作為集中載荷施加［11］。

4.1.4 結果分析

主軸靜力學分析結果如圖3～圖6所示。

▲圖3 主軸總位移云圖

▲圖4 X軸方向位移云圖

▲圖5 Z軸方向位移云圖

▲圖6 主軸應力云圖

由分析結果可見，主軸最大位移為0.043 459 mm，X軸方向最大位移為0.043 303 mm。主軸的許用撓度為0.05 mm，因此主軸剛度符合要求。

主軸最大應力為19.654 MPa，應力較大處主要集中在上下軸承頸附近。主軸的材料是45號鋼，最大許用彎曲應力為55 MPa，主軸的最大應力遠遠小于許用應力，因此主軸強度滿足要求。

4.2 模態分析

為了保證求解的準確性和合理性，筆者在對主軸進行模態分析時，把預應力效果考慮在內，這是因為結構的應力狀態可能影響整個模型的固有頻率。在對割草機主軸進行靜力學分析的基礎上，求解其在預應力下的模態分析，如圖7所示。

▲圖7 預應力下模態分析

在對割草機主軸求解結果中，剔除剛體模態參數。由于主軸的對稱性，會出現頻率和振型相同的情況，按一種情況處理。筆者提取主軸的前六階固有頻率，并計算其臨界轉速，結果見表2，主振型如圖8所示。

表2 主軸固有頻率與臨界轉速

升降式電動全驅割草機主軸的前六階模態固有頻率為 1 126.6～8 279.3 Hz，臨界轉速為 67 596～496 758 r/min。而主軸正常工作時的轉速為2 000 r/min，通過頻率與臨界轉速的關系式n=60f，可得正常工作時的轉速遠遠小于臨界轉速，所以不會產生共振現象，主軸在正常工作時是安全的。隨著固有頻率的增大，彎曲振動與扭轉振動均會出現，使升降式電動全驅割草機主軸的變形增大。

5 切割裝置實物

根據三維建模及優化分析，加工出割草機切割裝置實物，如圖9所示。

6 結束語

筆者充分利用SolidWorks軟件三維建模的優勢與ANSYS Workbench軟件在靜力學和動力學方面分析的顯著優點，分析得到以下結論。

（1）應用 SolidWorks與 ANSYS Workbench軟件對升降式電動全驅割草機主軸進行靜力學和模態分析，不但簡化了設計過程，而且縮短了分析時間，提高了效率。

（2）通過模擬主軸在實際工況下的受力情況，可知主軸在正常工作時滿足設計要求和強度、剛度要求。

（3）主軸的一階固有頻率比較大，明顯大于工作時的頻率，在正常工作條件下主軸能夠避開共振，滿足穩定性要求。

后續將對割草機整體進行優化，并對切割裝置進行相應的諧響應分析和隨機振動分析，這樣能夠進一步優化和提高割草機的整體性能。

▲圖8 主軸主振型

▲圖9 切割裝置實物