果园苗木捆扎机热合板顶杆的静态和模态分析

　　0 引言

　　近年来,我国林果业生产突飞猛进,在果园苗木的培育与生产中,成品苗木被挖掘之后的打捆运输工作也是苗木培育作业的重要环节之一.

　　果园环境比较恶劣,果园苗木捆扎机比工业捆扎机需要更高的可靠性与零部件的工作稳定性.捆扎接头连接装置是苗木捆扎机的核心部件,其可靠性直接决定着整机工作的稳定性与捆扎机捆扎接头质量的好坏.因此,应对捆扎接头连接装置中的关键零部件进行优化设计,以使捆扎机在内部构造和可靠性等方面适应野外作业的要求.热合板顶杆是捆扎接头连接装置中控制热合板左右移动的装置.捆扎机构完成捆扎带的粘合动作之后,热合板应及时退出,以防止由于捆扎带的张紧作用使热合板被卡死在导板中,导致捆扎机构无法继续工作.热合板顶杆在弹簧拉力的作用下,其应力、应变、位移及振动稳定性等物理量的分布和变化对热合板顶杆的工作可靠性影响很大,故应对其进行相应的静态分析和模态分析,以便为进一步优化提供理论依据和数据参考.

　　1 顶杆联动机构及参数化特征模型

　　1. 1 顶杆联动机构及工作原理

　　果园苗木捆扎机[1]的热合板顶杆联动机构是决定捆扎机工作可靠性和稳定性的重要部件.它主要是由热合板、导板、凸轮轴、轴承座、顶杆轴、顶杆定位圈、顶杆及隔热板等零部件组成,如图 1 所示.

　　当捆扎带接头由烫头粘合完成烫头退出的同时,热合板和隔热板在顶杆头部的拨动下在导板中滑动,顶杆按照凸轮轮廓曲线绕顶杆轴转动,从而配合捆扎机其它装置完成苗木捆扎工作.

　　1. 2 顶杆参数化特征模型

　　Pro / E 与有限元软件 ANSYS Workbench 具有良好的兼容性[2],故本文使用 Pro/E 按照热合板顶杆的实际尺寸建立其三维模型,如图 2 所示; 然后,通过第 3方格式导入 ANSYS Workbench 中进行相关分析; 建模时,为了便于计算机分析,把模型进行简化,忽略倒角、圆角及小圆孔等特征.

　　

　　2 顶杆的静力学分析

　　线性静力结构分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应[3].其数学模型是经典力学理论中的动力学通用方程的简化,即
    ［K］{ x} = { F}

　　其中,[K]是刚度矩阵; { x} 是节点位移矢量;{ F} 是力矢量.

　　为确保其分析结果的正确性,分析时应当满足以下基本假设: ①顶杆材料满足线弹性和小变形理论; ②不考虑随时间变化的载荷及惯性( 如质量、阻尼等) 的影响; ③不考虑温度对顶杆材料的影响.

　　2. 1 顶杆模型前处理

　　2. 1. 1 导入几何模型并设置材料属性利用 Pro/E 与 ANSYS12. 1 的数据接口将热合板顶杆模型导入 ANSYS Workbench 中,进入静力分析Static Structural 模块,如图 3 所示.

　　

　　设置单位为 mm、kg、N、s.热合板顶杆的材料为HT250,密度为 7. 2×10^-6kg / mmm³,杨氏模量为 1. 2×10^11N / m²,泊松比为 0. 25,最小抗拉强度为 250MPa.

　　2. 1. 2 模型网格划分

　　进入 ANSYS Workbench 的 Model 环境,为热合板顶杆划分网格.Hex Dominant 网格划分法能够获得较好的网格单元,故采用 Hex Dominant 法进行网格划分.Relevance 设置为 100,Relevance Center 为 Fine,网格划分生成 35 716 个节点、9 992 个单元,如图 4 所示.

　　

　　2. 1. 3 施加载荷及约束

　　对热合板顶杆联动机构进行运动仿真,以确定热合板顶杆运动的极限位置,进而为计算其最大受力点提供依据.凸轮轴转速为 1. 5s/rad,故以 1. 5s 为运动周期进行机构运动仿真.仿真曲线如图 5 所示.

　　

　　由运动曲线可知: 当热合板顶杆控制凸轮的运动角转到 312°时,凸轮从动件即热合板顶杆到达极限位置; 同时,热合板运动曲线在 1. 3s 左右时,热合板也运动到单侧极限位置,此时顶杆弹簧拉力最大,故以此时刻的拉力值作为载荷输入到有限元仿真环境中.

　　经测量,载荷( Loads) 为力载荷( Force) 98N,并以分量( Components) 的形式施加到热合板顶杆上,载荷方向与 Z 轴负方向成 15°角.由工程力学相关理论可知,载荷各分量分别为: X=25.364N,Y=0,Z=-94.661N.

　　根据热合板顶杆联动机构中各零部件的相互运动关系,对热合板顶杆施加约束边界条件.分别对顶杆固定孔和滚子螺栓固定孔执行固定约束( FixedSupport) ,载荷和约束施加情况如图 6 所示.

　　

　　2. 2 模型求解及分析结果

　　结果 Solution 主要对热合板顶杆的等效应力( E-quivalent Stress ) 、等 效 弹 性 应 变 ( Equivalent ElasticStrain) ,全位移( Total Deformation) 进行分析[2].

　　分析结果显示: 热合板顶杆所受的主要应力范围为 2. 915 3e-7 ~0. 096 741MPa,最大应力主要集中在顶杆和弹簧螺栓连接处,如图 7 所示; 最大弹性应变为4. 6067e-7,位于弹簧螺栓孔附近; 最大位移位于顶杆头部,如图 8 所示,最大值为 0. 005 338 6mm.

　　热合 板 顶 杆 所 用 HT250 的 最 小 抗 拉 强 度 为250MPa,远远大于热合板顶杆在最大固定载荷作用下的应力值,故结构强度能够满足使用要求.

　　3 顶杆的模态分析

　　模态分析主要用于确定机器部件或设计机构的振动特性[4]( 即固有频率和振型) ,是动态载荷结构设计中的主要参数.结构振动可以表达为各阶振型的线性叠加[4],其中低阶振型比高阶振型对结构的振动影响大,随着阶次的升高影响急剧减小.

　　根据 ANSYS Workbench 有限元分析软件的计算结果,提取其前 6 阶的固有频率和振型如表 1 所示.

　　各阶振型云图如图 9 所示.

　　

　　根据振动理论,热合板顶杆振动过程中的能量主要集中于 1、2 阶频率处.由表 1 中振型可知,弯曲变形是热合板顶杆主要的振动破坏形式.

　　根据转速和频率的关系有
    n = 60f
    其中,n 为转速,r/min; f 为频率,Hz.由公式可得热合板顶杆的临界转速,如表 2 所示.

　　由表 2 可知: 1 阶固有频率所对应的转速 616. 08r/min 即为热合板顶杆的 1 阶临界转速; 而该顶杆的最高工作转 速 为 40r/min,远 低 于 其 1 阶 临 界 转 速 的93. 5% .故该顶杆的工作转速是安全的,有效避免了共振的发生.

　　4 结论

　　通过对果园苗木捆扎机上的关键结构热合板顶杆进行有限元静动态性能分析,确认了顶杆的受力和变形完全在材料可以接受的范围内,顶杆的转速符合模态特性的要求,不会与捆扎机主体发生共振破坏,符合工作要求.此外,通过对热合板顶杆模态振型的分析可知,弯曲振动是顶杆发生破坏的主要形式,为进一步优化设计、提高整机性能提供了数据参考.

　　参考文献:

　　[1] 河北农业大学. 苹果苗捆扎机: 中国,200920101748. 5[P]. 2009-12-23.

　　[2] 袁军,王景立. 基于 Pro/E 与 ANSYS Workbench 的深松铲结构分析及优化[J]. 中国农机化,2012( 5) : 77.

　　[3] 浦广益. ANSYS Workbench 基础教程与实例详解[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2010.

　　[4] 文怀兴,崔康. 基于 ANSYS Workbench 的高速电主轴静动态性能分析[J]. 组合机床与自动化加功能技术,2012,12( 12) : 51.

　　[5] 许林成. 包装机械原理与设计[M]. 上海: 上海科学技术出版社,1988.

　　[6] 黄颖为. 包装机械结构与设计[M]. 北京: 化学工业出版社,2007.

　　[7] 罗玉福,王少岩. 机械设计基础( 2 版) [M]. 大连: 大连理工大学出版社,2006.

　　[8] 吴玉亮,梁正. 工程力学[M]. 北京: 化学工业出版社,2004.