新型甘蔗剥叶机结构分析及实验研究

杨春兰，徐敏敏，胡明军，黄　伟，麻芳兰，陆雪雯

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



新型甘蔗剥叶机结构分析及实验研究

杨春兰，徐敏敏，胡明军，黄伟，麻芳兰，陆雪雯

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：对研发的新型甘蔗剥叶机机架进行了结构分析和实验验证。按照总体设计建立有限元分析模型进行结构分析，表明新型甘蔗剥叶机机架强度满足设计要求。为了进一步验证分析结果，进行了动态应变应力测试，将测试结果与仿真计算结果进行对比，验证了新型甘蔗剥叶机结构分析的正确性，为该新型甘蔗剥叶机设计的合理性提供了理论支撑。

关键词：甘蔗剥叶机；机架；有限元分析；应变应力测试

0引言

我国甘蔗种植主产区多为丘陵地貌，大多为狭长地带，只有小部分比较平坦的地区能实现连片种植[1]。从总的情况上来看，由于地貌的原因，大型联合收割机不太适合在此作业。因此，目前在这些地带，主要采取的是砍蔗与剥叶分开进行的分段式收获方式。虽然随着政府的支持和科研的发展，各种各样的联合收割机相继问世，然而其技术和效率等方面还存在一些问题，很难在这些地区大规模地采用[2-5]。因此，在借鉴前人的研究经验的基础上，因地制宜地研制出新型甘蔗剥叶机是尤为必要的。本文以研发的新型甘蔗剥叶机为对象，进行了相关的研究。

1有限元模型的建立

利用Pro/E对新型甘蔗剥叶机机架进行建模，将得到的实体几何模型导入HyperWorks前处理模块HyperMesh中，并根据某新型甘蔗剥叶机的结构及工作特点对其进行适当的简化，如图1所示。

该剥叶机机架为薄板类零件，为了简化求解工作量、缩短运算时间，对该剥叶机机架几何模型进行中性面抽取操作，直接用数值来表示零件的厚度。这种方法产生的有限元壳单元在外形上与零件模型非常相似，可代表几何实体[6-7]，如图2所示。

图1　机架实体模型

图2　抽取中面后的机架

该机架采用45钢，轴承座采用HT200，其材料力学特性如表1所示。

表1　材料力学特性

选取空间板壳单元SHELL对图2所示的机架模型进行网格划分。根据机架尺寸，选取网格单元为2mm，利用rigid模拟焊点[8]。对整个车架划分网格并修复不合格网格后，如图3所示。

图3　剥叶机机架连接位置图

2有限元模型强度分析

本文只研究在该剥叶机机架受到的最大负载时工作状况下的应力情况，并且采用HyperWorks自带的求解器RADIOSS对新型甘蔗剥叶机的机架进行应力分析求解，结果如图4所示。

图4　剥叶机机架应力云图

由图4可知：新型甘蔗剥叶机机架的最大应力出现在机架角铁的连接处，应力最大值为133.5MPa，且最大应力区在该剥叶机机架应力云图中所占的比例比较小。此外，剥叶机机架大部分材料为45钢，屈服极限为355MPa；轴承座处材料为HT200，材料的屈服极限为220MPa。由此可知，剥叶机机架强度满足设计要求。

3动态应力实验及结果研究

为了验证结构分析的结果，进行了生产的实际测试。

3.1　贴片方案

根据实验需要，贴片应尽量贴在受力比较大的位置，又要保证贴片时方便操作。基于以上的原则，本文将新型甘蔗剥叶机机架动态应力测试的测点设在轴承座位置上，如图5所示。

图5　应变片位置图

根据实际情况，由图5可知：本文共选择了8个点对新型甘蔗剥叶机工作时轴承座的应力情况进行测量；同时，假定甘蔗的输送方向为X轴，竖直方向为Y轴，轴向为Z轴。对每个测点都选择两个方向进行测量，具体情况如表2所示。电阻应变片的贴片和系统连接如图6所示。

表2　测点位置方向对照表

图6 应变片位置图

3.2　实验开始和数据采集

本文首先根据被测样机位置的材料及实验环境对DH5937动态应变应力采集仪的系统参数进行设置：采样频率为500Hz，采样方式为连续采样，显示类型均为应力，桥路类型均为方式2，应变电阻均为120Ω，灵敏度系数均为2.08，泊松比均为0.29，弹性模量均为126GPa。

由于本实验测点比较多及实验条件的限制，所以本次实验分两组完成，分别得到两组实验数据图，如图7和图8所示。

图7　A-D测点结果

图8　E-H测点结果

图7为第1组实验的实验数据图，是对A、B、C、D这4个测点进行测试后的实验结果。A-X、A-Y、B-X、B-Y、C-X、C-Y、D-X、D-Y分别与图中的8个通道相对应。具体对应关系如表3所示。

表3测点位置与通道号对应关系图

Table 3Relationship chart of the gauging points’ position and the channel number

测点位置通道号A-X(a-d)T8-2A-Y(a-d)T8-1B-X(a-d)T8-5B-Y(a-d)T8-4C-X(a-d)T8-3C-Y(a-d)T8-7D-X(a-d)T8-6D-Y(a-d)T8-8

图8为第2组实验的实验数据图，是对E、F、G、H这4个测点进行测试后的实验结果。E-Y、E-Z、F-X、F-Y、G-Y、G-Z、H-Y、H-Z分别与图中的8个通道相对应。具体对应关系如表4所示。

表4测点位置与通道号对应关系图

Table 4Relationship chart of the gauging points’ position and the channel number

测点位置通道号E-Y(e-h)T8-1E-Z(e-h)T8-2F-X(e-h)T8-6F-Y(e-h)T8-5G-Y(e-h)T8-4G-Z(e-h)T8-3H-Y(e-h)T8-8H-Z(e-h)T8-7

3.3　动态应力测试结果研究

本实验测试要求在线弹性范围内进行，对动态测试的曲线，取新型甘蔗剥叶机剥叶工作状况下的平均值作为测点的测试应力值。根据应力绝对偏差和相对偏差的绝对值来评判对动态、计算应力值的分析，以下为绝对偏差和相对偏差绝对值的计算方法，即

特别说明：由于在理论情况下，新型甘蔗剥叶机在剥叶工作状态时，不受轴向(即Z轴方向)的力或受很小的力，所以在对新型甘蔗剥叶机机架进行有限元分析时，没有考虑轴向力的施加。因此，此处也不对剥叶机机架Z方向的应力进行对比分析。

另外，在对新型甘蔗剥叶机进行动态应力测试时，由于F-Y测点的应变片发生了损坏，导致F-Y测点测试结果有误，所以该测点也不进行应力对比分析。

针对本实验进行应力对比分析的测点，数据整理结果如表5所示。

表5　测试结果与计算结果分析

由表5可以看出：大部分测点的应力误差在10%以下，有限元仿真结果与实验结果的大部分数据相吻合。

4结论

1)通过对新型甘蔗剥叶机机架进行有限元分析可知，该新型甘蔗剥叶机机架的强度满足设计要求。

2)对新型甘蔗剥叶机样机进行动态应变应力实验研究，发现实验结果与仿真结果相吻合，进一步验证该机架有限元分析的正确性，即甘蔗剥叶机机架建模、约束和加载的准确性。

参考文献：

[1]黄晖,李明,邓干然.我国甘蔗剥叶机械的发展现状与建议[J]. 中国热带农业, 2009(6):32-34.

[2]陈东,林茂, 徐欧腾.甘蔗剥叶机械存在的问题与研究对策[J]. 安徽农业科学, 2012,40(4): 2499-2501.

[3]周勇.甘蔗收获机械化发展现状分析与思考[J].安徽农业科学, 2012, 40(22):11479-11481.

[4]牟向伟,黄煜, 万理,等.甘蔗整秆剥叶关键技术与剥叶机理研究[J]. 农机化研究,2013, 35(11): 13-17.

[5]黎毓鹏.小型甘蔗剥叶机的试验与研究[J].农业科技与装备, 2010 (2): 23-24.

[6]皮特.基于 HyperWorks 的面棒机有限元分析及优化设计[D].兰州:兰州交通大学, 2014.

[7]B. H. V. Topping. Finite element mesh generation [M].Kippen: Saxe-Coburg Publication, 2004.

[8]闫海涛. 基于参数化模型的混凝土泵车臂架系统强度刚度分析及优化[D].长春:吉林大学, 2012.

Structural Analysis and Experimental Study of New Type Sugarcane Leaf Stripper’s Frame

Yang Chunlan, Xu Minmin, Hu Mingjun, Huang Wei, Ma Fanglan, Lu Xuewen

(School of Mechanical Engineering, Guangxi University，Nanning 530004, China)

Abstract：Structural analysis and experimental verification of a new type of sugarcane leaf stripper’s frame were studied in the paper. Structural analysis was studied through the finite element analysis model that established according to the general design. The analysis showed that the strength of the frame meet the design requirements. In order to verify the result of the analysis further, dynamic strain and stress test was proceeded. Compared the result of the test with the simulation, it verified the accuracy of the structural analysis of the sugarcane leaf stripper. It also provided theoretical support to the reasonability of the design of the sugarcane leaf stripper.

Key words：sugarcane leaf stripper; frame; finite element analysis; strain and stress test

中图分类号：S225.5+3；S220.39

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0179-04

作者简介：杨春兰(1970-)，女(壮族)，广西河池人，讲师，硕士，(E-mail)bhchunlan@163.com。通讯作者：徐敏敏(1989-)，男，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail)gxuxmm@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465004)

收稿日期：2015-11-05