新型捆扎機機架的拓撲優化分析

韋麗嬌，何留偉，黃月芹，婁玉印，牛釗君，黃偉華，張堅敏

（1.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東湛江 524091；2.柳州工學院，廣西柳州 545005；3.廣東廣墾農機服務有限公司，廣東湛江 524300；4.廣西雙高農機有限公司，廣西南寧 530100）

0 引言

甘蔗是我國最大的經濟作物之一，其產業的發展影響到廣西、云南、廣東、海南等省區幾千萬產業農民和公認的民生問題。甘蔗捆扎工作是甘蔗生產中一項重要的工作內容，目前該工作主要靠人工完成，勞動力成本高、工作效率低。傳統的甘蔗捆扎機械大部分是通過類比或經驗進行設計，該設計方法具有一定的盲目性和不可靠性。針對當前甘蔗生產中甘蔗捆扎工作存在的普遍問題及甘蔗捆扎機械傳統設計方法的不足，采用合理、先進的現代設計方法及手段研發一種新型甘蔗捆扎機機架[1-3]，運用有限元理論結合有限元分析軟件HyperMesh建立甘蔗捆扎機機架的有限元模型，對其進行拓撲優化，得出甘蔗捆扎機機架合理機構，并對其進行強度、剛度分析，結果表明：經有限元拓撲后的新型甘蔗捆扎機機架能夠滿足強度、剛度要求；通過實驗分析，驗證的新型甘蔗捆扎機的實用性，新型甘蔗捆扎機機架能夠滿足使用要求。此設計方法對提高甘蔗捆扎機機架的壽命、可靠性以及降低制造成本具有重要的意義。

1 新型甘蔗捆扎機結構組成及原理

1.1 結構組成

本新型甘蔗捆扎機主要由機架、定量裝置、壓緊裝置、驅動裝置及捆扎裝置組成[4]。其結構如圖1。機架主要起到儲存甘蔗以及固定和支撐整機的作用。機架的兩側有斜坡，以方便甘蔗在重力的作用下滑下，使捆扎好的甘蔗滑至地面。根據砍收剝葉機剝葉后整稈甘蔗長度大約為1.2 m，因此設計甘蔗捆扎機機架高度應低于1.2 m。現設計機架高度1 m，寬度1.5 m。其結構如圖2所示。

圖1 新型甘蔗捆扎機結構原理圖

圖2 新型甘蔗捆扎機機架

定量裝置主要起到確保每次捆綁的甘蔗量為定量，其結構為缺口圓盤，每次輸送的甘蔗大約為14根，重量為25 kg。半角為15 mm。其缺口圓盤角度為120度，直徑為0.1 m。其結構如圖3所示。

圖3 新型甘蔗捆扎機缺口圓盤

壓緊裝置主要起到加緊裝置輸送過來的甘蔗擠壓成捆，以方便打結器打結。驅動裝置主要由電動機一、電動機二、電動機三組成，三個電機混合驅動以控制定量裝置、壓緊裝置以及送線裝置順次運動，完成甘蔗捆扎機的捆扎作業。捆扎裝置主要起到捆扎甘蔗的作用，其主要由送線裝置和打結器組成。

1.2 工作原理

本新型甘蔗捆扎機的主要工作包括定量、壓緊、捆扎三個工作過程。定量工況：電動機二驅動定量裝置，獲取所需的定量甘蔗，當定量裝置旋轉至和機架弧形位置重合時，電動機二停止運動。加緊工況：定量所取的甘蔗在重力的作用下滑至壓緊裝置位置，電動機一、連桿一、連桿二和加緊裝置形成四桿機構，電動機二帶動四桿機構旋轉將松散的擠壓。壓緊機構如圖4所示。當甘蔗擠壓成型后，電動機一停止運動。捆扎工況：電動機三旋轉帶動送線裝置送線，打結器將甘蔗捆扎打結。通關上述三個工況，完成甘蔗的捆扎作業。

圖4 新型甘蔗捆扎機壓緊機構

2 新型甘蔗機機架的受力分析

新型甘蔗機機架是整機的主要部件，起到固定和支撐整機的作用。根據新型甘蔗捆扎機每次定量選取14根甘蔗，大約為25 kg。故甘蔗捆扎機受力大約250 N。取新型甘蔗捆扎機壓緊工況進行受力分析。

2.1 材料選擇

根據結構參數，新型甘蔗捆扎機機架的材料為45號鋼。該材料的彈性模量E=2.02 E +05 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10－6kg/mm3，屈服極限σs=355 MPa[5]。

2.2 有限元模型的建立

根據新型甘蔗捆扎機機架的結構特性，選取四節點四邊形2D網格。該網格主要用于沖壓件或中空的塑料件[6-7]。采用automesh智能劃分網格方式，得新型甘蔗捆扎機機架有限元模型如節點的數目17 890，單元數目為12 530。

2.3 加載和約束

加緊：由甘蔗捆扎機機架受力分析得：甘蔗捆扎機受力大約250 N。

約束：甘蔗捆扎機機架與地面通過四顆地腳螺絲連接，將甘蔗捆扎機地腳螺栓處設為全約束。

2.4 有限元分析求解結果

采用HyperMesh仿真計算出新型甘蔗捆扎機機架應力分布如圖5所示：新型甘蔗捆扎機機架的最大應力1.66 E+02 Mpa，發生在甘蔗捆扎機架上部焊接處。

圖5 新型甘蔗捆扎機機架應力云圖

新型甘蔗捆扎機機架仿真計算受力云圖如圖6所示。機機架的最大應變為1.5 E+01mm，發生在機架支撐加緊裝置處，滿足剛度要求。

圖6 有限元分析變形云圖

3 新型甘蔗捆扎機架機架的拓撲優化

3.1 劃定拓撲優化區域

將新型甘蔗捆扎機機架螺栓連接處設為拓撲不變區，其余部分設為拓撲區域。

3.2 優化目標

將型甘蔗捆扎機機架體積最小設為優化目標

3.3 優化條件

將型甘蔗捆扎機機架最大應力小于1.66+E02 Mpa為約束條件。

3.4 優化結果

根據有限元理論結合有限元軟件HyperMesh得出新型甘蔗捆扎機機架的拓撲模型如圖7所示，從上述結果可知：甘蔗機機架底部和側面上下部材料富裕。

圖7 有限元分析拓撲結果

4 新型甘蔗捆扎機機架的二次設計

4.1 Pro/E模型構建

根據新型甘蔗捆扎機機架的拓撲模型，再次建立新型甘蔗捆扎機機架的Pro/E模型如圖8所示。

圖8 新型甘蔗捆扎機機架二次設計

4.2 新型甘蔗捆扎機機架有限元分析

采用有限元理論結合有限元軟件HyperMesh應力云圖如圖9所示：新型甘蔗捆扎機機架的最大應力1.74 E+02 Mpa，發生在甘蔗捆扎機架上部焊接處。雖然，甘蔗捆扎機機架的二次設計應力有所上升，但仍在需要應力范圍為，滿足強度條件。

圖9 捆扎機機架二次設計應力云圖

經有限元理論結合有限元軟件HyperMesh得新型甘蔗捆扎機機架的變形云圖如圖10所示：新型甘蔗捆扎機機架最大應變為1.6 E+01 mm，發生在機架支撐加緊裝置處，滿足剛度要求。

圖10 有限元分析變形云圖

5 實驗分析

本新型甘蔗捆扎機在實驗室環境下，采用額定轉速100 r/min，以1 000 kg甘蔗為研究對象，從中隨機抽去15捆，進行采樣分析，數據如表1所示。

表1 甘蔗捆扎機實驗表格圖

實驗結果分析：將打捆序號和打捆時間轉化為圖11所示。

圖11 成捆時間曲線圖

新型甘蔗捆扎機成捆的平均周期設計值為120 s，通過對15組采用分析，成捆時間最大值為130 s，最小值為110 s，與理論值基本符合。由于多電動機可控運動的不穩定性，和整機間隙及振動，造成打捆時間和理論值有一定的偏差，其平均時間為119.6 s，接近理論設計值，符合設計要求。

圖12 成捆半徑曲線圖

新型甘蔗捆扎機設計成捆的平均半徑為210 mm，通過對15組采用分析，成捆半徑的最大值為235 m，最小值為205 mm。由于甘蔗成捆形狀不規則性、單甘蔗半徑的誤差以及由于天氣等原因造成的甘蔗膨脹造成甘蔗成捆半徑偏大，其平均值為221.33，與設計理論值基本相符，符合設計要求。

6 結論

1）通過有限元拓撲優化可知，新型甘蔗捆扎機機架的主要零件最大應力遠遠小于材料的許用應力，滿足強度條件。

2）通過有限元拓撲優化可知，新型甘蔗捆扎機機架滿足剛度要求。

3）通過新型甘蔗捆扎機實驗分析，驗證的新型甘蔗捆扎機的實用性，該機能夠節省人力成本，提高勞動效率。