翟永全 潘仟仟 胡立華 陳仕國(guó) 陳學(xué)永

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福建福州 350002）

茶園電動(dòng)微耕機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

翟永全 潘仟仟 胡立華 陳仕國(guó) 陳學(xué)永

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福建福州 350002）

針對(duì)茶園工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種手扶式茶園電動(dòng)微耕機(jī)，利用電池供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整機(jī)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、輕巧，能夠有效地提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。此設(shè)計(jì)采用 Pro/E三維制圖及ANSYSWorkbench有限元分析方法，對(duì)車體關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，并對(duì)整車關(guān)鍵零部件進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析。分析表明電機(jī)支架邊緣變形較大，需要增加厚度或者更換材料來提高電機(jī)支架的強(qiáng)度和剛度。

茶園；電動(dòng)微耕機(jī)；ANSYSWorkbench

我國(guó)有茶園面積約246.9萬hm2，茶區(qū)分布廣泛[1]。我國(guó)茶園機(jī)械有一定的發(fā)展，但相對(duì)發(fā)展緩慢，茶園機(jī)械的研發(fā)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用水平很低[2]。目前，國(guó)內(nèi)一些茶園管理機(jī)械普遍以柴油機(jī)或汽油機(jī)作為動(dòng)力[3]，這樣既污染了環(huán)境又損害了茶的品質(zhì)。國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)一些生產(chǎn)茶園機(jī)械的廠家，但機(jī)器的工作能力和工作效率還達(dá)不到機(jī)械化生產(chǎn)的要求，國(guó)外廠家生產(chǎn)的茶園機(jī)械價(jià)格貴又不能很好地適應(yīng)我國(guó)的茶園環(huán)境?，F(xiàn)在我國(guó)茶園管理機(jī)械化水平很低，大部分還是依靠人工作業(yè)。最近幾年，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的流失，致使茶園勞動(dòng)力短缺，阻礙了茶葉的生產(chǎn)效率。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，人們對(duì)茶葉品質(zhì)的要求也在不斷地提高，解決并提高茶園機(jī)械化生產(chǎn)水平成為必須解決的問題[3]。

針對(duì)茶園作業(yè)環(huán)境上，設(shè)計(jì)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的茶園電動(dòng)微耕機(jī)，以提高茶園生產(chǎn)效率。所設(shè)計(jì)的茶園電動(dòng)微耕機(jī)主要由車架、控制單元、電池組等部分組成，采用電池供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)。用Pro/E軟件對(duì)茶園電動(dòng)微耕機(jī)建立了三維模型，通過ANSYSWorkbench有限元分析方法對(duì)車體部分部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，檢驗(yàn)并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而縮減設(shè)計(jì)成本[4]。

一、總體結(jié)構(gòu)

（一）主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)。該機(jī)在微耕機(jī)的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 茶園電動(dòng)微耕機(jī)整體布置圖

1.電動(dòng)機(jī)；2.電池組；3.變速箱；4.剎車；5.換擋器；6.控制器；7.離合器；8.調(diào)速桿；9.后支架；10.旋耕刀；11.電池支架12.電機(jī)之架；13.支撐輪。該機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、電池組、車身支架、變速箱、車輪、手把、控制器、離合器、支撐輪等部件組成。支撐輪可調(diào)，整機(jī)機(jī)架采用螺栓鏈接，方便拆卸及維修。本機(jī)在一定程度上減小了微耕機(jī)的外部尺寸結(jié)構(gòu)，使整機(jī)操作的靈活性得到保障。

（二）工作原理。在茶園作業(yè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到變速箱，變速箱將動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿傳到旋耕刀上，使電動(dòng)微耕機(jī)的旋耕刀獲得動(dòng)力完成旋耕作業(yè)。操作人員通過操縱控制器開關(guān)來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制茶園電動(dòng)微耕機(jī)的前進(jìn)速度與刀具切削速度，從而保證了茶園電動(dòng)微耕機(jī)的旋耕效果。

（三）主要技術(shù)參數(shù)。針對(duì)茶樹的種植特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定的電動(dòng)微耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[5-8]。

Table1 The main technicalparameters

（四）零部件特征構(gòu)造。由車體結(jié)構(gòu)可看出主要零件有整機(jī)機(jī)架、變速箱、控制器盒等。通過 Pro/E軟件對(duì)電機(jī)支架、電池支架、后支架進(jìn)行三維建模并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。建立好模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench的模型如圖2、3、4所示。

圖2 電機(jī)支架三維實(shí)體模型

圖3 后支架三維實(shí)體模型

圖4 電池支架三維實(shí)體模型

二、應(yīng)力應(yīng)變分析

電機(jī)支架主要是固定支撐電機(jī)以及拖掛電池箱，該車結(jié)構(gòu)小，支架固定處采用螺栓連接，電機(jī)支架受整車質(zhì)量影響，容易產(chǎn)生形變。

ANSYSWorkbench軟件能夠提供結(jié)構(gòu)的受力分析，通過分析即可得到整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全合理，并可對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí),在 Model環(huán)境中劃分網(wǎng)格，點(diǎn)擊Mesh工具欄中MeshControl進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分過程共產(chǎn)生有106506個(gè)節(jié)點(diǎn)，54760個(gè)單元[9]。支架采用了Q235鋼,各結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)見表2。

Table2 MaterialProperties ofthe Motorframe

經(jīng)過在ANSYSWorkbench軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析得到零件的應(yīng)力應(yīng)變圖。

圖5 電機(jī)支架應(yīng)力分布

圖6 電機(jī)支架的應(yīng)變分布

圖7 電機(jī)支架的形變分布

求解得到的電機(jī)支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖5,電機(jī)支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和變形分別如圖6和圖7所示。由以上分析結(jié)果得出,電機(jī)支架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為1866.9MPa,應(yīng)變?yōu)槲挥谥伟逯虚g部位和支撐板橫向螺栓固定孔處。電機(jī)支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大變形位于支撐板邊緣處,為5.3mm，對(duì)支架有一定影響，采用增加支撐板厚度或者延長(zhǎng)加強(qiáng)筋的方式來提高支架的強(qiáng)度和剛度。

圖8 后支架的應(yīng)力分布

圖9 后支架的應(yīng)變分布

圖10 后支架的形變分布

后支架機(jī)械結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí),在Model環(huán)境中劃分網(wǎng)格，點(diǎn)擊Mesh工具欄中MeshControl進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分過程共產(chǎn)生有66462個(gè)節(jié)點(diǎn)，36255個(gè)單元[9]。后支架采用了Q235鋼,其結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)見表2。

求解得到的后支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖8,后支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和變形分別如圖9和圖10所示。由以上分析結(jié)果得出,后支架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為17.06MPa,應(yīng)變?yōu)槲挥谥伟逯虚g部位和支撐板橫向螺栓固定孔處。后支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大變形位于支架x軸方向邊緣處，最大變形22um，可忽略不計(jì)。

圖11 電池支架的應(yīng)力分布

圖12 電池支架的應(yīng)變分布

圖13 電池支架的形變分布

電池支架機(jī)械結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí),在Model環(huán)境中劃分網(wǎng)格，點(diǎn)擊Mesh工具欄中MeshControl進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分過程共產(chǎn)生有29227個(gè)節(jié)點(diǎn)，13630個(gè)單元[9]。電池支架采用了304不銹鋼,其結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)見表2。求解得到的電池支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖11,電池支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和變形分別如圖12和圖13所示。由以上分析結(jié)果得出,電池支架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為316.7MPa,最大應(yīng)變?yōu)槲挥跈M向支架螺栓固定孔處。電池支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大變形位于橫向支架邊緣處，最大變形2.6mm。從云圖結(jié)果可以看出，電池支架滿足要求。

三、結(jié)論

（一）整機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以電池作驅(qū)動(dòng)力，節(jié)能環(huán)保，有效地提高了茶園作業(yè)效率。

（二）通過Pro/E軟件建模并在ANSYSWorkbench軟件中對(duì)關(guān)鍵的連接部件做了應(yīng)力應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)支架最大變形為5.3mm，需要增加支撐板厚度或者延長(zhǎng)加強(qiáng)筋的方式來提高支架的強(qiáng)度和剛度，從而確保了整機(jī)設(shè)計(jì)安全性與合理性。

（三）結(jié)合ANSYSWorkbench軟件分析，有效地縮短了分析周期，為后續(xù)茶園電動(dòng)微耕機(jī)的樣機(jī)制造提供了理論依據(jù)。

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[責(zé)任編輯 鄭麗娟]

S222.29

A

2095-0438（2017）03-0145-04

2016-10-29

翟永全（1990－），男，內(nèi)蒙赤峰人，福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2014級(jí)碩士研究生，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)控制及自動(dòng)化。陳學(xué)永(1970－)，男，福建龍巖人，福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械系副教授，博士，研究方向:機(jī)械制造及其自動(dòng)化。