新型捆扎机机架的拓扑优化分析

韦丽娇，何留伟，黄月芹，娄玉印，牛钊君，黄伟华，张坚敏

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江 524091；2.柳州工学院，广西柳州 545005；3.广东广垦农机服务有限公司，广东湛江 524300；4.广西双高农机有限公司，广西南宁 530100）

0 引言

甘蔗是我国最大的经济作物之一，其产业的发展影响到广西、云南、广东、海南等省区几千万产业农民和公认的民生问题。甘蔗捆扎工作是甘蔗生产中一项重要的工作内容，目前该工作主要靠人工完成，劳动力成本高、工作效率低。传统的甘蔗捆扎机械大部分是通过类比或经验进行设计，该设计方法具有一定的盲目性和不可靠性。针对当前甘蔗生产中甘蔗捆扎工作存在的普遍问题及甘蔗捆扎机械传统设计方法的不足，采用合理、先进的现代设计方法及手段研发一种新型甘蔗捆扎机机架[1-3]，运用有限元理论结合有限元分析软件HyperMesh建立甘蔗捆扎机机架的有限元模型，对其进行拓扑优化，得出甘蔗捆扎机机架合理机构，并对其进行强度、刚度分析，结果表明：经有限元拓扑后的新型甘蔗捆扎机机架能够满足强度、刚度要求；通过实验分析，验证的新型甘蔗捆扎机的实用性，新型甘蔗捆扎机机架能够满足使用要求。此设计方法对提高甘蔗捆扎机机架的寿命、可靠性以及降低制造成本具有重要的意义。

1 新型甘蔗捆扎机结构组成及原理

1.1 结构组成

本新型甘蔗捆扎机主要由机架、定量装置、压紧装置、驱动装置及捆扎装置组成[4]。其结构如图1。机架主要起到储存甘蔗以及固定和支撑整机的作用。机架的两侧有斜坡，以方便甘蔗在重力的作用下滑下，使捆扎好的甘蔗滑至地面。根据砍收剥叶机剥叶后整秆甘蔗长度大约为1.2 m，因此设计甘蔗捆扎机机架高度应低于1.2 m。现设计机架高度1 m，宽度1.5 m。其结构如图2所示。

图1 新型甘蔗捆扎机结构原理图

图2 新型甘蔗捆扎机机架

定量装置主要起到确保每次捆绑的甘蔗量为定量，其结构为缺口圆盘，每次输送的甘蔗大约为14根，重量为25 kg。半角为15 mm。其缺口圆盘角度为120度，直径为0.1 m。其结构如图3所示。

图3 新型甘蔗捆扎机缺口圆盘

压紧装置主要起到加紧装置输送过来的甘蔗挤压成捆，以方便打结器打结。驱动装置主要由电动机一、电动机二、电动机三组成，三个电机混合驱动以控制定量装置、压紧装置以及送线装置顺次运动，完成甘蔗捆扎机的捆扎作业。捆扎装置主要起到捆扎甘蔗的作用，其主要由送线装置和打结器组成。

1.2 工作原理

本新型甘蔗捆扎机的主要工作包括定量、压紧、捆扎三个工作过程。定量工况：电动机二驱动定量装置，获取所需的定量甘蔗，当定量装置旋转至和机架弧形位置重合时，电动机二停止运动。加紧工况：定量所取的甘蔗在重力的作用下滑至压紧装置位置，电动机一、连杆一、连杆二和加紧装置形成四杆机构，电动机二带动四杆机构旋转将松散的挤压。压紧机构如图4所示。当甘蔗挤压成型后，电动机一停止运动。捆扎工况：电动机三旋转带动送线装置送线，打结器将甘蔗捆扎打结。通关上述三个工况，完成甘蔗的捆扎作业。

图4 新型甘蔗捆扎机压紧机构

2 新型甘蔗机机架的受力分析

新型甘蔗机机架是整机的主要部件，起到固定和支撑整机的作用。根据新型甘蔗捆扎机每次定量选取14根甘蔗，大约为25 kg。故甘蔗捆扎机受力大约250 N。取新型甘蔗捆扎机压紧工况进行受力分析。

2.1 材料选择

根据结构参数，新型甘蔗捆扎机机架的材料为45号钢。该材料的弹性模量E=2.02 E +05 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10－6kg/mm3，屈服极限σs=355 MPa[5]。

2.2 有限元模型的建立

根据新型甘蔗捆扎机机架的结构特性，选取四节点四边形2D网格。该网格主要用于冲压件或中空的塑料件[6-7]。采用automesh智能划分网格方式，得新型甘蔗捆扎机机架有限元模型如节点的数目17 890，单元数目为12 530。

2.3 加载和约束

加紧：由甘蔗捆扎机机架受力分析得：甘蔗捆扎机受力大约250 N。

约束：甘蔗捆扎机机架与地面通过四颗地脚螺丝连接，将甘蔗捆扎机地脚螺栓处设为全约束。

2.4 有限元分析求解结果

采用HyperMesh仿真计算出新型甘蔗捆扎机机架应力分布如图5所示：新型甘蔗捆扎机机架的最大应力1.66 E+02 Mpa，发生在甘蔗捆扎机架上部焊接处。

图5 新型甘蔗捆扎机机架应力云图

新型甘蔗捆扎机机架仿真计算受力云图如图6所示。机机架的最大应变为1.5 E+01mm，发生在机架支撑加紧装置处，满足刚度要求。

图6 有限元分析变形云图

3 新型甘蔗捆扎机架机架的拓扑优化

3.1 划定拓扑优化区域

将新型甘蔗捆扎机机架螺栓连接处设为拓扑不变区，其余部分设为拓扑区域。

3.2 优化目标

将型甘蔗捆扎机机架体积最小设为优化目标

3.3 优化条件

将型甘蔗捆扎机机架最大应力小于1.66+E02 Mpa为约束条件。

3.4 优化结果

根据有限元理论结合有限元软件HyperMesh得出新型甘蔗捆扎机机架的拓扑模型如图7所示，从上述结果可知：甘蔗机机架底部和侧面上下部材料富裕。

图7 有限元分析拓扑结果

4 新型甘蔗捆扎机机架的二次设计

4.1 Pro/E模型构建

根据新型甘蔗捆扎机机架的拓扑模型，再次建立新型甘蔗捆扎机机架的Pro/E模型如图8所示。

图8 新型甘蔗捆扎机机架二次设计

4.2 新型甘蔗捆扎机机架有限元分析

采用有限元理论结合有限元软件HyperMesh应力云图如图9所示：新型甘蔗捆扎机机架的最大应力1.74 E+02 Mpa，发生在甘蔗捆扎机架上部焊接处。虽然，甘蔗捆扎机机架的二次设计应力有所上升，但仍在需要应力范围为，满足强度条件。

图9 捆扎机机架二次设计应力云图

经有限元理论结合有限元软件HyperMesh得新型甘蔗捆扎机机架的变形云图如图10所示：新型甘蔗捆扎机机架最大应变为1.6 E+01 mm，发生在机架支撑加紧装置处，满足刚度要求。

图10 有限元分析变形云图

5 实验分析

本新型甘蔗捆扎机在实验室环境下，采用额定转速100 r/min，以1 000 kg甘蔗为研究对象，从中随机抽去15捆，进行采样分析，数据如表1所示。

表1 甘蔗捆扎机实验表格图

实验结果分析：将打捆序号和打捆时间转化为图11所示。

图11 成捆时间曲线图

新型甘蔗捆扎机成捆的平均周期设计值为120 s，通过对15组采用分析，成捆时间最大值为130 s，最小值为110 s，与理论值基本符合。由于多电动机可控运动的不稳定性，和整机间隙及振动，造成打捆时间和理论值有一定的偏差，其平均时间为119.6 s，接近理论设计值，符合设计要求。

图12 成捆半径曲线图

新型甘蔗捆扎机设计成捆的平均半径为210 mm，通过对15组采用分析，成捆半径的最大值为235 m，最小值为205 mm。由于甘蔗成捆形状不规则性、单甘蔗半径的误差以及由于天气等原因造成的甘蔗膨胀造成甘蔗成捆半径偏大，其平均值为221.33，与设计理论值基本相符，符合设计要求。

6 结论

1）通过有限元拓扑优化可知，新型甘蔗捆扎机机架的主要零件最大应力远远小于材料的许用应力，满足强度条件。

2）通过有限元拓扑优化可知，新型甘蔗捆扎机机架满足刚度要求。

3）通过新型甘蔗捆扎机实验分析，验证的新型甘蔗捆扎机的实用性，该机能够节省人力成本，提高劳动效率。