王斌，李麗麗，劉德華，張淑娟*

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學 信息學院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801； 3.山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801)

6HT-100型核桃分級破殼機機架的有限元分析

王斌1，李麗麗2，劉德華3，張淑娟3*

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學 信息學院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801； 3.山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801)

[目的]機架是核桃分級破殼機的關(guān)鍵部件，為了研究其動態(tài)特性，掌握應力應變情況，明確機架在受力后的薄弱環(huán)節(jié)。[方法]首先分析該機機架的工作特性，結(jié)合核桃分級破殼機要求，確定機架結(jié)構(gòu)參數(shù)；其次，利用三維實體建模軟件Solid Works建立機架模型，將其通過接口導入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，對所建機架模型進行靜力學和模態(tài)分析；最后求解并得到核桃分級破殼機機架的總變形圖、等效應力云圖、等效應變圖及機架的前6階模態(tài)頻率和振型。[結(jié)果]結(jié)果表明，機架最大應力為23.48 MPa<[τ]=68.96 MPa，模態(tài)頻率為7.5～66.8 Hz，機架結(jié)構(gòu)設計合理，能夠達到工作要求。[結(jié)論]為后續(xù)優(yōu)化設計奠定基礎并提供參考依據(jù)。

核桃分級破殼機； 機架； ANSYS Workbench； 有限元分析

核桃，屬胡桃科植物，又被稱為胡桃或羌桃。目前，國內(nèi)普遍是以人工的方式進行破殼，再由人工篩選果殼與果仁，不僅工作效率低，勞動強度大，而且果品的衛(wèi)生情況也很難達到標準，嚴重影響了核桃產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1，2]。通過機械對核桃進行破殼是一個理想的方法，既能提高生產(chǎn)效率，又能滿足破殼后果品的衛(wèi)生要求，因此，核桃破殼機的研發(fā)屢見報導。

機架是整個核桃分級破殼機的關(guān)鍵承載部件，在工作狀態(tài)下，機架受到動載荷的影響而發(fā)生變形，變形過大會影響脫殼機的正常工作，因此利用有限元分析ANSYS對機架進行靜力學分析和模態(tài)分析，可明確機架受力后的應力應變情況，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，從而加以改進[3]。

靜力分析計算是固定載荷作用下機械結(jié)構(gòu)的響應。通過靜力學分析，可校核機械結(jié)構(gòu)的剛度和強度是否滿足設計要求[4，5]；模態(tài)分析可以得到設計機構(gòu)的固有頻率和振型，避免共振產(chǎn)生[6]。史建新等采用結(jié)構(gòu)靜力分析的有限元分析方法對核桃破殼技術(shù)進行研究，通過試驗為核桃破殼機提供了一些有益的參數(shù)和條件[7]；權(quán)龍哲等對玉米根茬收獲系統(tǒng)進行有限元模態(tài)分析與試驗，得到了該系統(tǒng)前20階固有頻率和各主要工作部件的振型[8]；肖成林等利用ANSYS軟件建立了耕整機機架的有限元模型，并對強度和剛度進行了分析，得到了機架的應力分布云圖[5]；郭昌進等利用ANSYS Workbench對甘蔗葉粉碎機機架進行模態(tài)分析，明確了各階振型對機架的影響，為后續(xù)粉碎機的優(yōu)化和改進提供了理論依據(jù)[9]。

為進一步提高核桃破殼機的工作性能，采用ANSYS Workbench軟件對破殼機機架進行靜力學分析和模態(tài)分析，得到機架的總變形圖、等效應力云圖、等效應變圖及機架的前6階模態(tài)頻率和振型，為后續(xù)機架的優(yōu)化設計奠定基礎并提供參考依據(jù)。

1 機架靜力學分析

1.1 建立機架有限元模型

該機機架主要由支架和支板組成。如圖1所示。利用Solid Works軟件建立機架的幾何模型。為簡便起見，建模時不考慮小孔和倒角的影響，只根據(jù)機架的實際尺寸將建立好的機架三維模型保存為Parasolid文件，以便于將該模型導入到ANSYS環(huán)境中進行后續(xù)分析。導入后的機架有限元模型如圖1所示。

1. 支板 2.支架1.Support plate 2.Bracket圖1 核桃分級破殼機機架的有限元模型Fig.1 Finite element model of frame

1.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接決定了分析結(jié)果的準確性，所以必須選用合理的網(wǎng)格劃分方法。

通過多次試驗，并結(jié)合前人的研究分析，本文選擇自動劃分法(Automatic)進行網(wǎng)格劃分，并通過Sizing控制網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing

需要說明，該有限元模型中包含54 038個節(jié)點和25 004個單元，機架材料為Q235碳素鋼，其彈性模量E=2.11×1011N/m2，材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3。

1.3 施加載荷與約束

施加載荷與約束是進行有限元靜力學分析的關(guān)鍵一步。該破殼機機架施加的約束與載荷為：

(1)位移約束：對支架的一個底座設置為Fixed Support，其余三個底座Y軸位移設置為0 mm，X和Z方向設置為自由。

(2)加載：施加機架的自身重力(Standard Earth Gravity)，機架上各個部件的質(zhì)量如表1所示；對5個軸孔施加轉(zhuǎn)矩(moment)。施加全部約束和載荷的核桃分級破殼機機架有限元模型如圖3所示。

表1 機架上各部分的質(zhì)量

圖3 施加載荷與約束的機架有限元模型Fig.3 Applying the loading frame finite element model with the constraints

1.4 靜力學求解結(jié)果與分析

通過求解可得到核桃分級破殼機機架的總變形圖、機架的等效應力圖和機架的等效應變圖，分別如圖4～6所示。

圖4 機架的總變形圖Fig.4 The total deformation of frame

圖5 機架的等效應力云圖Fig.5 The equivalent stress nephogram of frame

圖6 機架的等效應變圖Fig.6 The equivalent strain nephogram of frame

對機架進行有限元靜力學分析可知，機架的受力最大位置是電動機支座，其最大應力為23.48 MPa<[τ]=68.96MPa。因此，本設計的機架結(jié)構(gòu)可以滿足本機的強度設計要求。

2 機架模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學分析最基本內(nèi)容，其可避免機械產(chǎn)品設計工程中可能存在的共振，并且有助于在結(jié)構(gòu)動態(tài)響應與其他動力特性分析中估算求解控制參數(shù)[10]。因為低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性影響較大，所以選擇前6階的模態(tài)頻率和主要振型進行研究，結(jié)果如圖7和表2所示。

表2 機架的模態(tài)頻率和主要振型

圖7 機架各階振型Fig.7 The mode shapes of frame

由圖7可知，核桃分級破殼機機架的模態(tài)頻率分布在7.5～66.8 Hz，并隨振型階數(shù)的增加而增加。其中，在1階、4階、5階和6階振型時，支架受影響較大，在2階和3階振型時，支板受影響較大。當電動機轉(zhuǎn)速為910 r·min-1，級數(shù)為6，根據(jù)公式f=np/60求取電動機頻率為91 Hz，所以，前6階模態(tài)的固有頻率都與電動機頻率相差較大，不會發(fā)生共振。

綜上，采用ANSYS Workbench軟件對核桃分級破殼機機架的靜力學分析和模態(tài)分析結(jié)果可信，機架設計合理，可以滿足使用要求。

3 結(jié)論

利用ANSYS Workbench軟件對6HT-100型核桃分級破殼機機架進行靜力學分析和模態(tài)分析，得到：

(1)對機架進行有限元靜力學分析，機架最大受力位置是電動機支座，其最大應力為23.48 MPa<[τ]=68.96MPa，完全可以滿足核桃分級破殼機的強度要求。

(2)由模態(tài)分析得到了機架前6階模態(tài)的固有頻率和振型，模態(tài)頻率為7.5～66.8Hz，已知電動機頻率為91Hz，因此該機架不會發(fā)生共振，滿足使用要求。

(3)研究結(jié)果為核桃分級破殼機整機和機架的后續(xù)優(yōu)化設計奠定了理論基礎和參考依據(jù)。

[1]劉奎,李忠新,楊莉玲.核桃破殼裝置的發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014(8):55-57.

[2]喬園園,史建新,董遠德.影響核桃殼仁脫離的主要因素[J].農(nóng)機化研究,2008(4):43-45.

[3]呂廷,石秀東,張秋菊,等.基于ANSYS的破碎機機架模態(tài)分析[J].機械設計與制造,2008(11):99-101.

[4]周潔,尹志宏.直線振動分級篩機架的靜力學與動力學分析[J].新技術(shù)新工藝,2014(5):74-76.

[5]肖成林,周德義,王永強.基于ANSYS的耕整機機架有限元分析[J].吉林農(nóng)業(yè)大學學報,2011,33(4):459-463.

[6]劉選偉,金亮,王景立.基于ANSYSWorkbench的深松機機架模態(tài)分析[J].農(nóng)機化研究,2015(5):29-31.

[7]史建新,趙海軍,辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(3):185-188.

[8]權(quán)龍哲,咚金,曾百功.玉米根茬收獲系統(tǒng)的有限元模態(tài)分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(11):15-20.

[9]郭昌進,楊喜,王金麗.基于ANSYSWorkbench甘蔗葉粉碎機機架模態(tài)分析[J].農(nóng)機化研究,2014(8):23-26.

[10]楊一,周靖博,張淑娟.紅棗去核機傳動系統(tǒng)中主軸的有限元分析[J].農(nóng)機化研究,2015(10):19-23.

(編輯：李曉斌)

The finite element analysis of 6HT-100 walnut grading and shell-breaking machine of frame

Wang Bin1, Li Lili2, Liu Dehua3, Zhang Shujuan3*

(1.CollegeofInformation，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China； 2.CollegeofInformationScienceandEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China； 3.CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China)

[Objective]The walnut grading and shell-breaking machine of frame is the key part of walnut grading and shell-breaking machine.In order to research the dynamic characteristic of the rack master the stress and strain,clear frame in the weak link after the force. [Methods] Firstly, by analysing of the operating characteristics of frame, determined the parameters of the frame structure; secondly, the model of frame was established by using the 3D solid modeling software Solid Works, Three-dimensional model was imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench by interface, ANSYS Workbench made the static analysis and modal analysis for the model, At last, the analysis results showed the contours of deformation, stress and strain, the first 6 natural frequencies and vibration modes were obtained. [Results]Final results showed that the maximum stress was 23.48 MPa < [τ]=68.96 MPa, the modal frequency was 7.5～66.8 Hz of frame, and the design of frame was reasonable.[Conclusion]It laid the foundation and provides a reference for the analysis of subsequent optimal design.

Walnut grading and shell-breaking machine， Frame， ANSYS workbench， Finite element analysis

2016-12-28

2017-01-16

王斌(1988-)，男(漢)，山西襄汾人，助教，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)機械設計與實驗研究

*通信作者：張淑娟，教授，博士生導師，Tel:13935491091；E-mail:zsujuan@263.net

國家自然科學基金(31271973)；山西省自然科學基金(2012011030-3)；山西農(nóng)業(yè)大學青年科技創(chuàng)新項目(2016005)

S226.9

A

1671-8151(2017)05-0376-05