酿酒葡萄修剪机高度调节设计与有限元分析

韩会敏，周 艳，贾首星，何 磊，代亚猛，蔡文龙，李 帆

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832003)

0 引言

葡萄为多年蔓生作物，其枝条能缠绕他物攀援上升，枝蔓的中下部被遮挡而得不到充足的风及阳光[1]。如果对其进行合理的修剪，能确保一定数量的芽眼，长出良好的新生枝蔓，减少营养的流失，并能使果实充分着色，提升果实的外观和品质。因此，合理的葡萄修剪是使葡萄获得稳产、高产的必要条件。目前，我国葡萄修剪作业主要以人工修剪为主，只有少数使用气动或电动修剪机具[2]。人工修剪需要大量的劳动力，且存在劳动强度大、效率低及修剪质量难以保证等诸多问题[3]。

针对这一现状，在国内外修剪机械研究的基础上设计了一种葡萄修剪机械。高度调节装置是整个修剪机械的关键部件之一，其设计的好坏将事关整个机器能否顺利运行。调节装置主要通过液压油缸进行调节，是一种微型高度调节机构，可在液压油缸调节的基础上根据葡萄实际高度来调节修剪机械的修剪高度。该高度调节装置承受着整个修剪装置的重力和工作中的缓冲载荷，因此需要经过全面合理的分析、计算、优化和验证[4]。

本文结合工作要求在SolidWorks中建立三维模型，然后运用Ansys Workbench有限元分析软件进行静力学、模态分析，并结合试验验证其设计的合理性。

1 酿酒葡萄种植模式与调节装置

1.1 酿酒葡萄种植模式

酿酒葡萄的种植模式主要有[5]棚架式、篱壁式、柱架式，而新疆葡萄的种植模式主要为单臂篱壁式[6]，如图1所示。其株距L1一般为0.5～1m，行距L2为2.5～3.5m，葡萄枝藤宽度L3为1.5m，高度L5为1.8m，树桩的高度L4为2m。

图1 酿酒葡萄种植模式

1.2 调节装置主要结构及模型的建立

由于葡萄种植管理的不同，后期葡萄的长势会有很大的差别。为了便于修剪不同高度的枝条，设计了一种伸缩杆式的调节装置，可根据葡萄修剪要求微调节修剪机修剪范围。

酿酒葡萄修剪机高度调节装置由主横梁、下连接管、上刀架内套管、前刀架外套管、主摆架连接板、加强筋、前支板及侧横梁管等组成，如图2所示。其中，主横梁两端连接两侧部修剪装置采用龙门式修剪，可同时修剪葡萄藤的两侧，根据修剪要求调整两侧部修剪装置间的距离。下连接管处和顶部修剪装置相连接，修剪高度由前刀架外套管和上刀架内套管调整而得。

1.主横梁 2.下连接管 3.上刀架内套管 4.主摆架连接板 5.前支板 6.侧横梁管 7.加强筋 8.前刀架外套管图2 调节装置三维结构简图

1.3 主要结构参数

调节装置主要技术参数如表1所示。

表1 调节装置相关参数

2 调节装置静力学分析

2.1 调节装置的受力分析

酿酒葡萄修剪机高度调节装置所受载荷主要包括调节装置自重、左右两侧修剪部装，以及工作时停止、启动和运行中的惯性载荷。为了便于分析，现把修剪装置看作一个整体[7]，对其在正常工作状态下进行受力分析，如图3所示。

图3 调节装置受力简图

调节装置竖直方向上主要承受的载荷为

Q=KG0+G1+G2+Fa

其中，G0为调节装置自重(N);K为重量转化系数，一般取K=1.2；G1、G2为左右切削部装自重的作用力(N)；Fa为工作过程中的惯性力，Fa=m0a。

利用SolidWorks中评估功能，评估出所需零部件的质量。其中，m0=142kg，m1+m2=86kg。由于竖直方向上惯性加速度相对比较小,取a=0.018m/s2，Fa=m0a=2.556N,Q=2 515.276N。

2.2 有限元模型建立、网格划分

本文采用SolidWorks 三维绘图软件建立高度调节装置模型，并在该软件中进行装配；模型创建完成后，为了与Ansys 有限元分析软件对接[8]，将该模型保存为IGES格式，避免了再次建模，节约了绘图时间，提高了效率[9]。为了便于建立有限元模型，现对结构中局部细节进行合理简化，并采用实体单元SOLID95对修剪机调节装置进行网格划分[10]。定义材料属性如表2所示。

表2 模型属性参数

为了减少计算时间，提高计算效率，采用自动网格划分，如图4所示。该结构共划分311 401个节点、16 210个单元。

2.3 添加载荷、求解分析结果

按照调节装置的受力分析，对其施加载荷，分别求解调节装置的总变形云图和应力云图，如图5、图6所示。

图4 修剪装置的网格划分

图5 总变形云图

图6 应力云图

在修剪工作状态中，调节装置最大变形量为1.536 6mm，主要发生在上刀架内套管与前刀架外套管连接处。由于受到上刀架部装对孔的压力和扭矩，因此该处发生形变位移最大。

调节装置的最大应力发生在前支板处，最大应力为216MPa。根据许用应力的计算公式[11-12]，则

其中，σb为材料的屈服极限，nb为安全系数，[σ]为许用应力。

根据零件材料取σb=235MPa，nb=1，代入上述公式，则[σ]=235MPa，[σ]max=216MPa<[σ]=235MPa。因此，该调节装置的设计满足强度要求。

3 调节装置的模态分析与安全系数分析

3.1 调节装置模态分析

对修剪机高度调节装置进行模态分析，是为了更好地在试制样机前预测产品的动态性能，同时根据优化结果抑制或消除振动和外界噪声的影响，避免工作时的激振频率与自然频率相近而引起共振现象，或使工作频率避开一定范围的激振频率。因此，现利用Ansys 有限元分析软件对修剪机调节装置进行模态仿真分析[13]。为了便于分析计算、减少运行内存，现取前6阶模态进行分析[14]。1～6阶模态如图7～图13所示。

图7 调节装置1～6阶的固有频率

图8 1阶模态频率振型

图9 2阶模态频率振型

图10 3阶模态频率振型

图8中 ，主横梁两端处变形量最大，偏移量为479.26mm。图9中，下连接管端口处变形量最大，偏移量为786.87mm。图10中，下链接管上端口处变形量最大，偏移量为799.43mm。

图11 4阶模态频率振型

图12 5阶模态频率振型

图13 6阶模态频率振型

图11～图13中，主横梁两端处变形量最大，偏移量分别为574.73、551.82、657.49mm。由此可以看出，模态频率对变形量的影响很大。为了防止共振现象产生，可对偏移量发生较大的位置采取加筋板等方式加强处理。

为了确认调节装置在工作时是否发生共振现象，现对其进行激振分析。激振频率公式[15]为

其中，μ为修剪机前进速度；λ为地面弧度波长。

取μ=6km/h，λ=0.2m，代入上述公式得F=8.33Hz。

在图7调节装置的固有频率中，固有频率呈现逐渐增大的趋势，而最小1阶频率50Hz远大于激振频率8.33Hz，所以该高度调节装置在工作中不会发生共振现象。

3.2 调节装置安全系数分析

安全系数是确保修剪机械安全、可靠的重要因素，现对调节装置进行安全仿真分析，结果如图14所示。其中，最小安全系数1.15大于1，结果验证了其设计的安全合理性[16]。

图14 安全系数

4 试验验证

由上文高度调节装置的应力、模态分析及安全系数分析结果可知，酿酒葡萄修剪机高度调节装置的设计符合工作要求。在此基础上对其加工、组装，并进行田间测试试验,如图15所示。

图15 田间试验

2017年9月,在新疆石河子的葡萄园进行了样机田间试验，样机的技术参数如表3所示。试验结果表明：修剪机高度调节装置的设计符合修剪机各项要求指标。

表3 样机技术参数

续表3

5 结论

1)运用SolidWorks三维绘图软件对酿酒葡萄修剪机高度调节装置进行实体建模，利用数据交换将其导入有限元分析软件ANSYS中，并针对工作要求对形变、应力进行静力学分析。结果表明：最大应力小于许用应力，设计满足强度要求。

2)对高度调节装置进行前6阶模态分析，其振动频率均大于外界激振频率，故不会发生共振现象。安全系数仿真结果均大于1，因此该设计满足安全性和可靠性要求。