基于ANSYS的馬鈴薯制種裝置的有限元仿真設(shè)計(jì)

蘇文桂,江 山,岑光杜,王 馨,李中淼,喬子萱,溫潔明

(廣西大學(xué) 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530004 )

0 引言

馬鈴薯是茄科多年生草本植物,塊莖可以食用,是全球第四大主要的糧食作物。根據(jù)調(diào)查顯示:馬鈴薯最早產(chǎn)于5 000年前的秘魯?shù)貐^(qū),因?yàn)閷?duì)生產(chǎn)環(huán)境要求不高,所以在世界各國(guó)均有產(chǎn)出,且我國(guó)是第一大產(chǎn)地[1]。

近年來,我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)種植面積基本穩(wěn)定,總產(chǎn)略有增加。隨著第四主糧的提出和人民對(duì)健康綠色生活要求的不斷提升,馬鈴薯的需求不斷增加。在馬鈴薯的種植過程中,播種、收獲等過程然均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化播種和收獲。但是,經(jīng)過對(duì)馬鈴薯的整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn):在馬鈴薯制種階段仍然采用人工切種,而馬鈴薯切種的質(zhì)量直接影響馬鈴薯的出芽率和產(chǎn)收,是影響農(nóng)民直接利益的關(guān)鍵步驟。為了解決這一問題,促進(jìn)農(nóng)民增收,設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯氣動(dòng)切種裝置,以實(shí)現(xiàn)馬鈴薯自動(dòng)化切種和物流傳輸過程。同時(shí),利用UG建立虛擬仿真模型,并通過ANSYS對(duì)模型的可靠性進(jìn)行分析,驗(yàn)證馬鈴薯氣動(dòng)切種裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)是否合理,以及其主要構(gòu)件的剛度和壽命是否符合生產(chǎn)要求[2]。

1 總體闡述

馬鈴薯切種裝置分為切種裝置和供給裝置,由供給鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)切種盒內(nèi)馬鈴薯的運(yùn)送,然后切種裝置運(yùn)作,對(duì)馬鈴薯進(jìn)行切割;完成后,供給機(jī)構(gòu)運(yùn)送新的馬鈴薯進(jìn)行切種。其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.約束架 2.底座 3.切種盒 4.刀具 5.刀具端架

2 關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)切種機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)切種機(jī)構(gòu)如圖2所示。該機(jī)構(gòu)為裝置的主要部件,裝配關(guān)系為:刀具安裝在刀具端架上,刀具端架與氣缸固定連接,從而約束刀具的垂直移動(dòng)。刀具的主要組成有兩片上位橫向刀具和下位縱向刀具。切種時(shí),下位刀具先對(duì)馬鈴薯進(jìn)行切割,然后上位刀具再進(jìn)行切割。采用分時(shí)切割方式,有利于增大瞬時(shí)切割壓強(qiáng),從而更好地對(duì)馬鈴薯進(jìn)行切割。

1.刀具端架 2.上位橫向刀具 3.下位縱向刀具 4.馬鈴薯

為保證切削力,切種操作采用氣缸作為動(dòng)力,標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

選取工作壓力為0.5MPa,氣缸運(yùn)行速度為400mm/s。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),刀具設(shè)計(jì)對(duì)于氣缸速度在50～500mm/s范圍內(nèi)的水平或垂直動(dòng)作,A≤0.5,則取A=0.5。

式中F—實(shí)際輸出力;

A—工作阻力;

P—工作壓力;

D—缸徑。

分析可得:氣缸的實(shí)際輸出力為201N,刀具行程150mm,運(yùn)行速度為400mm/s。經(jīng)檢驗(yàn),該輸出力滿足馬鈴薯切削所需,速度適中,不會(huì)造成馬鈴薯的跳動(dòng)和底座構(gòu)架的不穩(wěn)固。

馬鈴薯塊莖作為種子的基本要求有:必須表面具有芽種;塊莖質(zhì)量在30～40g之間。馬鈴薯長(zhǎng)期放置后,芽種數(shù)量基本符合要求。馬鈴薯分塊方面仍需要比較仔細(xì),為了保證分塊的均勻性,特選用三刀具、六分塊模式,來保證每個(gè)馬鈴薯分塊的合理性。刀具參數(shù)如表2所示。

表2 刀具參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2 氣動(dòng)單向鏈輪供料機(jī)構(gòu)

因切種裝置采用氣動(dòng)切種,對(duì)馬鈴薯及其固定裝置沖擊性較大,且運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快。為保證操作人員的安全和提高機(jī)械自動(dòng)化程度,特設(shè)計(jì)自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)。

供給機(jī)構(gòu)主要是以氣缸為動(dòng)力源,帶動(dòng)齒條在水平方向運(yùn)動(dòng),齒條帶動(dòng)齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)單向齒輪的單向間歇旋轉(zhuǎn),致使切種盒的單向進(jìn)給,從而完成供料過程,如圖3所示。

1.氣缸 2.齒條 3.單向軸承 4.切種盒

切種盒的作用為承載切種時(shí)的載荷和對(duì)馬鈴薯的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制。為保證切種盒與馬鈴薯和刀具的適配性,切種盒的長(zhǎng)為155mm,寬為75mm,高為50mm,切種盒間距為80mm。

選用鏈輪的分度圓直徑為61.08mm,齒數(shù)為15,每移動(dòng)1個(gè)工位鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為150.09°,則

式中d1—切種盒間距;

d2—鏈輪分度圓直徑;

φ—鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

為保證每種運(yùn)動(dòng)后切種盒的準(zhǔn)確切換及切種盒的平穩(wěn)運(yùn)行,特選用氣缸和齒輪軸規(guī)格如表3所示。

表3 供給機(jī)構(gòu)參數(shù)

式中θ—齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

在行程為40mm的氣缸的帶動(dòng)下,齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度152.7°與鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度150.09°在誤差允許范圍內(nèi),則能夠保證切種盒的準(zhǔn)確定位,從而保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 有限元分析

為了檢驗(yàn)裝置在力學(xué)方面的性能,將UG模型導(dǎo)入到ANSYS中,根據(jù)實(shí)際情況的需求,材料選用45鋼、灰鑄鐵等。網(wǎng)格劃分為大小5mm的六面體網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)數(shù)1 806 585,元素?cái)?shù)857 064。對(duì)其整體部件及關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行仿真分析(見圖4)和優(yōu)化設(shè)計(jì),以更好地證明本裝置的可行性和合理性。

圖4 整體構(gòu)件有限元分析

3.1 刀具性能有限元分析

刀具是裝置的核心部件,要求刀具安全可靠,具有較高的經(jīng)濟(jì)性,方便農(nóng)民的使用及市場(chǎng)的推廣。因刀具存在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和沖擊性受力,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),采用45鋼,其主要參數(shù)為: 硬度≥55HRC,許用應(yīng)力=335MPa,泊松比=0.3。

3.1.1 刀具的等效應(yīng)力有限元分析

前文中計(jì)算得出,氣缸對(duì)刀具施加的壓力為201N,根據(jù)力作用的相對(duì)性,對(duì)刀具3個(gè)刃面施加201N的垂直作用力,刀具支撐架為固定支撐點(diǎn)。由圖5可知:刀具受到最大為1.14MPa的壓力,遠(yuǎn)小于45鋼的許用應(yīng)力為335MPa,因而在切種時(shí)刀具不會(huì)損傷而對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響,則可認(rèn)為刀具的硬度設(shè)計(jì)是安全可靠的[3]。

圖5 刀具的等效應(yīng)力

3.1.2 刀具的等效彈性應(yīng)變有限元分析

圖6為刀具的等效位移圖,目的是測(cè)試刀具在測(cè)試壓力下,刀具的位移量。由測(cè)試結(jié)果可知:最大變形量為6.43×10-6mm,遠(yuǎn)小于45鋼的彈性變形極限0.68mm(即在測(cè)試受力范圍內(nèi)),刀具變形屬于彈性變形,刀具運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

圖6 刀具的等效彈性應(yīng)變

3.2 供料機(jī)構(gòu)主動(dòng)齒輪和齒輪軸有限元分析

切種裝置完成切種后,供給機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),氣缸對(duì)齒輪軸施加推力,推動(dòng)主傳動(dòng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn),帶動(dòng)切種盒傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。其中,主傳動(dòng)齒輪和齒輪軸的性能直接關(guān)系到供給機(jī)構(gòu)的壽命和可行性。為測(cè)得機(jī)構(gòu)的合理性,定義材料為結(jié)構(gòu)鋼,鋼號(hào)Q235,彈性模量200、泊松比0.3、屈服極限235MPa、密度7.85g/cm3。對(duì)齒輪軸施加壓力201N,同時(shí)對(duì)主動(dòng)齒輪施加反向壓力,大小與齒輪軸的壓力相同[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。在測(cè)驗(yàn)條件下,齒輪軸和主動(dòng)齒輪的最大等效應(yīng)力為4×106Pa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限370×106Pa;最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.3×10-5mm,遠(yuǎn)小于彈性變形量10-3mm。所以,此條件下的主動(dòng)齒輪和齒輪軸各項(xiàng)指標(biāo)均在安全范圍內(nèi),符合可行性要求。

圖7 主動(dòng)齒輪和齒輪軸等效應(yīng)力

圖8 主動(dòng)齒輪和齒輪軸等效彈性應(yīng)變

3.3 切種盒沖擊受力分析

刀具切割馬鈴薯時(shí),裝載馬鈴薯的裝置,即切種盒也相應(yīng)受到相同大小的沖擊性壓力,而切種盒的完整性是保證供給機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的另一關(guān)鍵要素[5]。定義切種盒材料為45鋼,其主要參數(shù)為: 硬度≥55HRC,許用應(yīng)力=335MPa,泊松比=0.3。對(duì)切種盒內(nèi)端面施加201N垂直壓力,切種盒底部螺栓安裝處為固定支撐面,結(jié)果如圖9、圖10所示。切種盒最大等效應(yīng)力為7.9×105Pa,最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?×10-6mm,均小于該材料的屈服極限和彈性變形位移量,且裝置無可見變形和結(jié)構(gòu)損傷,符合安全性和穩(wěn)定性的要求。

圖9 切種盒沖擊等效應(yīng)力

圖10 切種盒沖擊等效彈性應(yīng)變

4 實(shí)驗(yàn)

利用UG繪制三維草圖,并用ANSYS對(duì)其進(jìn)行仿真分析,經(jīng)過整體構(gòu)件及關(guān)鍵部件的仿真與改進(jìn),制造馬鈴薯種植氣動(dòng)控制切種裝置物理樣機(jī)1臺(tái),如圖11、圖12所示。

圖11 刀具樣機(jī)

圖12 供給機(jī)構(gòu)樣機(jī)

為了檢驗(yàn)該裝置的性能能否滿足農(nóng)民的日常需求,對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)物運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試,并與農(nóng)民馬鈴薯切種效率進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示。

表4 馬鈴薯切種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖13 馬鈴薯切種數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:裝置在運(yùn)行期間,運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,單位時(shí)間內(nèi)的切種數(shù)量較為平均,機(jī)器制種效率約為人工制種的2.6倍。由圖13可知:人工制種時(shí),開始效率較高,但隨著肌肉的疲勞,人工的單位時(shí)間制種數(shù)量一直在下降。可見,人工制種不穩(wěn)定性較大,長(zhǎng)期勞作,會(huì)產(chǎn)生多種病痛;相反,機(jī)器制種則可以完美解決這個(gè)問題。

5 結(jié)論

1)穩(wěn)定性高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)期間,切種速度相對(duì)穩(wěn)定,無巨大波動(dòng)。

2)效率高,約是人工效率的2.6倍。

3)成本低。裝置采用氣缸與機(jī)械裝置的巧妙配合,占地空間不大,價(jià)格低廉,適合農(nóng)民對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械低成本、高效率的要求。