升降式电动全驱割草机的结构设计与主轴有限元分析*

□ 徐 红 □ 周天文 □ 谭光宇 □ 魏原芳 □ 李广慧

1.济南大学泉城学院工学院 山东蓬莱 265600

2.广东海洋大学工程学院 广东湛江 524088

1 研究背景

近年来，草坪绿地产业的迅速发展，极大地推动了我国园林机械产品需求量的快速增长。割草机以自身突出的优势，已成为一个产品门类比较齐全、创新能力不断增强的园林机械朝阳产业［1-2］。经过对现有国内外割草机现状进行调研，笔者设计一款新型升降式电动全驱割草机，由电力驱动代替传统的柴油机驱动，并且可以遥控转向，使设备更节能、更环保、更便捷，控制也更简便。该款割草机不仅可以广泛应用于牧场、高尔夫球场、足球场、园林绿化场地，而且可以应用于对噪声控制较严格的场地［3-4］。

为了缩短设计周期，提高设计效率和准确性，应用SolidWorks软件建立了割草机核心零部件的三维模型并进行装配，完成割草机的结构设计。借助ANSYS Workbench软件对割草机关键部件——主轴进行静力学和模态分析，为优化设计提供理论依据［5-6］。

2 总体方案

传统割草机通常采用柴油机或汽油机作为动力来源，在割刀除草过程中，往往造成草屑飞扬，噪声很大，影响环境，且需要人工操作，单次割草面积小，造成重复工作，十分烦琐。或是需要大型农机搭载，十分笨拙，且没有自动收草装置，需要人工收集落草，十分麻烦，劳动强度较大。此外，传统割草机进行割草作业时，刀片转速达2 700～3 000 r/min，割草刀盘裸露在外，没有保护装置，十分危险。升降式电动全驱割草机以电力驱动代替传统的柴油机驱动，其应用范围更广，不仅可以广泛应用于牧场、高尔夫球场、足球场、园林绿化等场地，而且可以应用于对噪声控制较严格的场地。割草机采用可升降杆组，可以控制割草量和留茬高度，能满足绝大多数工况的需要，工作范围更广。带轮采用铝合金材料制成，质量轻，力学性能更好，更节能。机架多用角铁材料制成，成本更低。通过对升降机构和主轴等核心技术和关键零部件的计算和校核，最后确定其总体技术参数［7-8］。

3 切割装置结构

切割装置是升降式电动全驱割草机上最重要的工作部件，其工作性能直接影响到整机的使用性能。升降式电动全驱割草机的切割装置主要由支撑架、主轴、电动机、刀罩、刀、轴承瓦盒及集草箱等部件组成。割草机由四轮电动全驱车体和切割装置组成，切割装置悬挂于四轮车体的前方。车辆车载控制系统包括车辆照明系统、行走控制系统、超声波及红外避障系统、刹车系统、割草系统、收草系统、电机驱动器、动力分配及电动操控接口等。割草机切割装置可以实现挂接、升降、传动、切割等功能，设计简单，结构紧凑。采用交错刀盘设计，双刀盘相切放置，在显著提高工作效率的同时，保证不重割，不漏割。割草机切割装置以电力驱动代替传统的柴油机驱动，创新运用交错刀盘设计，旋转的双刀盘在割草面上呈现为相切，在倍增割草效率的前提下能有效避免重割、漏割。在刀片上添加旋翼，利用刀片高速旋转带动空气将落草收入集草箱，从而实现割草、收草的自动化和一体化。升降式电动全驱割草机切割装置如图1所示。

▲图1 升降式电动全驱割草机切割装置

4 主轴有限元分析

有限元分析软件ANSYS Workbench在机械结构的优化设计方面应用越来越普遍。笔者根据割草机主轴的约束和受力情况，借助有限元分析软件对其进行结构静力学分析和模态分析，从而能够有效缩短设计周期，提高生产效率，为设计工作提供重要保障［9-10］。

4.1 静力学分析

4.1.1 设置材料属性

主轴的材料选用45号钢，其材料属性见表1。

表1 45号钢材料属性

4.1.2 网格划分

在对主轴进行网格划分和求解的过程中，为了提高求解精度，尽量将网格划分细化。同时将对整体求解影响不大的结构，如尺寸较小的螺纹和倒角等忽略，以便节省和优化实体单元。网格划分模型如图2所示，共有148 938个节点、102 713个单元。

▲图2 主轴网格划分模型

4.1.3 边界条件及载荷

升降式电动全驱割草机主轴的两端轴肩处安装滚动轴承，在上滚动轴承处施加位移约束，并设置X轴方向和Z轴方向位移为0，即这两个方向受到约束。在下滚动轴承处施加位移约束，并设置X轴方向、Y轴方向和Z轴方向位移为0，即这三个方向受到约束。同时，将主轴的自重作为惯性载荷，直接施加。将皮带轮、切割圆盘及刀片等作为集中载荷施加［11］。

4.1.4 结果分析

主轴静力学分析结果如图3～图6所示。

▲图3 主轴总位移云图

▲图4 X轴方向位移云图

▲图5 Z轴方向位移云图

▲图6 主轴应力云图

由分析结果可见，主轴最大位移为0.043 459 mm，X轴方向最大位移为0.043 303 mm。主轴的许用挠度为0.05 mm，因此主轴刚度符合要求。

主轴最大应力为19.654 MPa，应力较大处主要集中在上下轴承颈附近。主轴的材料是45号钢，最大许用弯曲应力为55 MPa，主轴的最大应力远远小于许用应力，因此主轴强度满足要求。

4.2 模态分析

为了保证求解的准确性和合理性，笔者在对主轴进行模态分析时，把预应力效果考虑在内，这是因为结构的应力状态可能影响整个模型的固有频率。在对割草机主轴进行静力学分析的基础上，求解其在预应力下的模态分析，如图7所示。

▲图7 预应力下模态分析

在对割草机主轴求解结果中，剔除刚体模态参数。由于主轴的对称性，会出现频率和振型相同的情况，按一种情况处理。笔者提取主轴的前六阶固有频率，并计算其临界转速，结果见表2，主振型如图8所示。

表2 主轴固有频率与临界转速

升降式电动全驱割草机主轴的前六阶模态固有频率为 1 126.6～8 279.3 Hz，临界转速为 67 596～496 758 r/min。而主轴正常工作时的转速为2 000 r/min，通过频率与临界转速的关系式n=60f，可得正常工作时的转速远远小于临界转速，所以不会产生共振现象，主轴在正常工作时是安全的。随着固有频率的增大，弯曲振动与扭转振动均会出现，使升降式电动全驱割草机主轴的变形增大。

5 切割装置实物

根据三维建模及优化分析，加工出割草机切割装置实物，如图9所示。

6 结束语

笔者充分利用SolidWorks软件三维建模的优势与ANSYS Workbench软件在静力学和动力学方面分析的显著优点，分析得到以下结论。

（1）应用 SolidWorks与 ANSYS Workbench软件对升降式电动全驱割草机主轴进行静力学和模态分析，不但简化了设计过程，而且缩短了分析时间，提高了效率。

（2）通过模拟主轴在实际工况下的受力情况，可知主轴在正常工作时满足设计要求和强度、刚度要求。

（3）主轴的一阶固有频率比较大，明显大于工作时的频率，在正常工作条件下主轴能够避开共振，满足稳定性要求。

后续将对割草机整体进行优化，并对切割装置进行相应的谐响应分析和随机振动分析，这样能够进一步优化和提高割草机的整体性能。

▲图8 主轴主振型

▲图9 切割装置实物