4SZ-1型酸枣采收机机架有限元分析

李世伟，郑美朝，郑德聪

(1.山西省农业机械发展中心，山西 太原030027； 2.山西农业大学工学院，山西 太谷030801)

0 引言

酸枣是中国北方广泛分布的一种林果资源，其枣肉具备丰富的营养价值，枣核则是著名的中医药材[1-2]。为提高酸枣采收效率、解决人工采收的诸多难题，设计并试制了4SZ-1型酸枣采收机。

4SZ-1型酸枣采收机是通过使树干高频振动，枣果受到较大的惯性力作用，完成枣果与树枝的分离和采收[3-5]。

工作时，机具安装的环境条件复杂，外部影响因素较多，对机架的工作性能也提出了较高要求[6]。由于工作中支座支撑反力较大，不仅要求机具与地面的锚固连接要可靠，机架本身的强度和刚度也必须严格控制，以保持机具在生命周期内不至于损坏和保证采收工作质量[7]。

本文通过ANSYS Workbench软件平台，以4SZ-1型酸枣采收机机架为研究对象，对机架进行静力学有限元分析，为机架结构的设计优化提供依据[7-9]。

1 4SZ-1型酸枣采收机结构

4SZ-1型酸枣采收机的结构如图1所示。主要由夹紧机构、机架、传动机构、汽油机和枣果收集装置等组成。

工作时，将枣果收集装置布置于树根四周，机架的4个支脚插入地下，使整机固定于树旁，夹紧机构夹紧树干。汽油机通过传动机构驱动夹紧机构作高频往复运动，使酸枣枣果与树枝分离，落入收集装置完成采收。

2 机架有限元分析模型

2.1力学模型

4SZ-1型酸枣采收机机架力学模型如图2所示。以其中一个固定支脚O为坐标原点，建立右手直角坐标系。4个支撑点分别为约束点。外载荷主要为汽油机自重、汽油机连接支撑反力、曲柄轴承座支撑反力和滑块轴承座支撑反力等。

4SZ-1型酸枣采收机传动部件是曲柄滑块机构，可选定滑块位于两极限位置作为机架有限元静力学分析的工作状态[10]。如图3所示，当滑块4位于最远端时，设为工况a；当滑块4位于最近端时，设为工况b。

不同的工况下机架所受载荷数据也不同，根据机构曲柄以1 200 rmin运转时的运动学和动力学分析结果，获取机架所受外载荷数据，如表1所示[4]。

表1 机架所受外载荷

2.2几何模型

根据机架结构设计的结果，利用ANSYS Workbench建立机架有限元几何模型，结果如图4所示。

2.3有限元分析模型

机架分析的有限元模型如图5所示[11]。网格划分结果为252 632个节点、131 580个四面体单元，全局单元尺寸设定为3 mm。

3 机架有限元静力学分析

3.1机架材料参数

机架材料参数如表2所示。

表2 机架材料力学性能

3.2边界条件处理

根据机架力学模型的简化结果，位移边界条件为4个支脚部位，设定6个位移分量为0。载荷边界条件的处理根据静力等效原则将实际载荷移置到支座连接孔处，如图2所示[12-14]。不同工况下载荷移置结果不同，移置结果如表3、表4所示。

表3 工况a时载荷移置数据

表4 工况b时载荷移置数据

边界条件处理后，通过软件可直观体现机架的载荷添加情况和约束情况，处理结果如图6、图7所示[15-16]。

3.3计算结果和分析

通过软件内置求解器进行求解运算，得出求解结果并进行结果后处理，获取机架在不同工况下位移、应力和应变变化云图[17-19]。工况a的后处理结果如图8～10所示，工况b的后处理结果图11～13所示。

工况a位移云图表明，机架滑块轴承座固定处外下方存在z轴负方向位移变化较大，其值为0.285 3 mm，滑块导轨连接座厚度远大于机架钢板厚度，不影响滑块导轨机构正常工作[20-21]。曲柄支撑板顶端内侧位移较大，其值为0.499 4 mm，此处距离曲柄轴承安装位置较远，不影响轴承正常工作。

工况a应力云图表明，机架滑块轴承座固定处外下侧(螺栓孔5、6处)和机架曲柄轴承座下方的应力水平较高。机架正前方滑块导轨固定处外侧角钢边缘存在应力极值，其值为239.63 MPa，小于机架材质屈服极限，其他部位应力极小且分布均匀，约为3.8×10-4MPa。

鉴于机架是同一材质的板材和型材组成焊接式结构，其应变发生部位和大小与其应力变化呈正相关，机架正前方滑块导轨固定处外侧的角钢边缘存在应变极值，其值为0.001 3，其他区域应变极小且分布均匀，忽略不计，约为1.96×10-9。

工况b位移云图表明，机架支撑平面中心(螺栓孔6、8、10处附近)z轴负方向位移变化较大，其值为0.473 2 mm，滑块轴承座厚度远大于机架钢板厚度，不影响滑块导轨机构正常工作。曲柄支撑板顶端边缘存在位移变化极值，其值为0.946 4 mm，该部位距离曲柄轴承安装位置较远，不影响轴承正常工作。

工况b应力云图表明，机架滑块导轨固定处侧方和机架支撑平面(螺栓孔12处附近)应力水平较高。机架右侧滑块导轨固定处角钢边缘存在应力极值，其值为200.05 MPa，小于机架材质屈服极限，其他部位应力极小且分布均匀，约为3.8×10-4MPa。

鉴于机架是同一材质的板材和型材组成焊接式结构，其应变发生部位和大小与其应力变化呈正相关，机架右侧滑块轴承座固定处角钢边缘存在应变极值，其值为0.001 2，其他区域应变极小且分布均匀，忽略不计，约为1.91×10-9。

4 结论

(1)根据静力学等效原则，完成不同工况时的载荷移置。确定了曲柄滑块式摇树机构在曲柄工作转速为1 200 rmin，滑块运动到两个极限位置时机架受力，并将其作为边界条件添加在有限元分析模型上，为机架有限元分析提供基础参数。

(2)4SZ-1型酸枣采收机机架在滑块运动到机构远端位置时，应力范围为3.8×10-4～239.63 MPa，应变范围为1.96×10-9～1.3×10-3，位移变化范围为0～0.499 4 mm，应力极值小于机架材质屈服极限，满足机具正常工作的刚度和强度要求。

(3)4SZ-1型酸枣采收机机架在滑块运动到机构近端位置时，应力范围为3.8×10-4～200.05 MPa，应变范围为1.91×10-9～1.2×10-3，位移变化范围为0～0.946 4 mm，应力极值小于机架材质屈服极限，满足机具正常工作的刚度和强度要求。

根据静力学等效原则，完成了不同工况时的载荷移置，通过ANSYS Workbench软件分析4SZ-1型酸枣采收机机架在不同工况下的位移、应力和应变情况，既是对机架刚度和强度的校核计算，也是为今后机型的设计优化提供有力支撑。