W型香菇培育裝置結構有限元分析

盧澤民 王 銳 廖 劍 高星星 龐雄斌 舒虹杰 羅 欣

(武漢市農(nóng)業(yè)科學院，湖北 武漢 430000)

1 W型香菇培育裝置結構簡介

W型香菇培育裝置主要由機架、電動機、主傳動部件、從傳動部件、循環(huán)鏈條、吊籃(等節(jié)距排列)、張緊調(diào)節(jié)機構、過渡鏈輪、托輪等組成，圖1為一個八列的W型香菇培養(yǎng)裝置示意圖。設備動力驅動裝置包括電動機、變頻器、擺線針輪減速機、鏈輪鏈條等組成，通過鏈傳動使吊籃循環(huán)運轉。開機后，在動力驅使下，掛在橫向兩側循環(huán)鏈條銷軸上的吊籃緩慢地隨著鏈條在機架框架空間內(nèi)前后上下作立體循環(huán)往復運動。裝卸區(qū)域一般設置于機架縱向前端(布置電動機的一端)。在進行菌棒裝卸作業(yè)或菇類采集時，要求作業(yè)人員在裝卸區(qū)域進行作業(yè)。

1-主傳動部件；2-電動機；3-循環(huán)鏈條；4-機架；5-吊籃；6-過渡鏈條；7-從傳動部件；8-張緊調(diào)節(jié)螺桿；9-托輪圖1 W型香菇培育裝置

2 W型香菇培育裝置結構機架的分析與研究

2.1 機架的結構設計

W型香菇培育裝置機架由立體框架結構組成，基本尺寸為15800mm×3690mm×4040mm，主要包括立柱、橫梁、縱梁、加強桿(梁)等組成，機架主要承受吊籃及其承載物香菇的重力載荷，圖2為W型香菇培養(yǎng)裝置機架立體三維圖。框架材料為矩形鋼管，相對于其材料厚度尺寸而言，機架部件屬于大跨度柔性結構，且其受到重載的影響，因此，需要分析其強度和剛度，驗算使用的安全性和可靠性，為設計和優(yōu)化提供重要的依據(jù)[2]。

圖2 W型香菇培育裝置機架立體三維圖

2.2 機架有限元模型建立

在solidworks環(huán)境下進行建模，生成ansys workbench可識別文檔，導入ansys workbe nch軟件中進行有限元分析，能夠有效實現(xiàn)三維軟件與分析計算軟件之間的數(shù)據(jù)共享和自動轉換。在生成的集合模型上直接選擇材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷并進行求解[3]等。

圖3 三維簡化模型

(1)在solidworks中建立三維模型，W型香菇培育裝置機架可由多列組成，分析過程中，為了減少建模和分析計算時間，本文以五例機架為研究對象；同時，對模型進行合理地簡化處理，忽略一些局部特征[4]，得到三維簡化模型如圖3所示。

(2)將三維模型導入ansys workbench中，定義機架的材料屬性，機架材料為普通碳鋼，在軟件中將材料設置為structural steel。從材料手冊中查得其彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，材料密度為7800kg/m3，屈服強度為σ=220MPa。

(3)定義邊界條件，在有限元靜力分析過程中，必須采用足夠的約束穩(wěn)定模型，在本文中，底梁與地面固定，自由度約束為零，選擇2根底梁的2個面，對底部進行固定約束，如圖4所示。

圖4 定義邊界條件

添加載荷，對機架施加載荷，通過簡化模型，機架鏈條上承受吊籃及其香菇重量的載荷，將此載荷施加在過渡軸上，相當于集中力載荷加載在此處，根據(jù)計算可得，每處承受16000N豎直載荷(圖5)。

圖5 添加載荷

對機架進行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分時，單元的多少影響運算速度和結果精度。本文對機架進行實體網(wǎng)格劃分[5]，采用高精度網(wǎng)格單元，節(jié)點數(shù)為378736個，單元總數(shù)為97892個。機架網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

2.3 有限元的求解和分析

通過建模、定義邊界調(diào)節(jié)、劃分網(wǎng)格及施加載荷以后，在ansys workbench中選擇運行選項，進行靜力學分析，經(jīng)過ansys workbench分析計算[5]，最后得到機架的等效變形云圖和等效應力云圖，如圖7和8所示。

圖7 等效應力云圖

從圖7等效應力云圖中可以得出，立柱頂端處應力最大，最大等效應力為48.75MPa，小于許用應力[σ]=220MPa。從圖8等效變形云圖中可以得出，立柱中間靠上處變形最大，最大等效變形為5.96mm，小于設計變形量[V]=8mm。從圖中分析可得，當機架承受載荷時，機架應力和變形在設計的工作強度和剛度范圍內(nèi)，保證了使用的安全性和可靠性。

圖8 等效變形云圖

3 W型香菇培育裝置機架結構改進與優(yōu)化

根據(jù)圖2和圖3可以看出，機架結構內(nèi)部缺少雙邊加強斜撐件，主要考慮鏈條帶動吊籃循環(huán)運動時與雙邊加強斜撐件的空間距離太小，但此結構使得機架框架結構變形稍大、穩(wěn)定性差，故后期改進在機架內(nèi)部增加了單邊拉桿；同時，為了使得機架整體性能更好，在變形最大處增加了2根整圈圈梁，如圖9所示。

圖9 W型香菇培育裝置機架改進和優(yōu)化立體三維圖

通過同樣的有限元分析，得到改進機架的等效應力云圖和等效變形云圖，如圖10和11所示。從圖10等效應力云圖中可以得出，立柱頂端處應力最大，最大等效應力為41.325MPa，小于許用應力[σ]=220MPa，且小于改進前的最大等效應力48.75MPa。從圖11等效變形云圖中可以得出，頂梁中間的橫撐變形最大，最大等效變形為2.72mm，小于設計變形量[v]=8mm，且小于改進前的最大等效變形5.96mm。從圖中分析可得，改進和優(yōu)化的機架結構更加合理，更能滿足使用的安全性和可靠性。

圖10 等效應力云圖

圖11 等效變形云圖

4 結語

運用solidworks/ansys workbench三維建模和有限元分析方法，對W型香菇培育裝置機架進行了靜力學分析，研究了受力狀態(tài)下機架的應力和變形，并通過結構改進和優(yōu)化，對機架結構進行了合理設計與完善，更加滿足其強度和剛度要求，保證了使用的安全性和可靠性，同時也為后期進一步優(yōu)化設計與改進提供了參考依據(jù)。