打瓜机捡拾辊筒部件起升过程强度分析_基于ANSYSWorkbench

打瓜机捡拾辊筒部件起升过程强度分析

—基于ANSYS Workbench

张宏阳1，王春耀1，樊军1，陈发2，王学农2

（1．新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047；2．新疆农科院农机化所，乌鲁木齐830091）

摘要：捡拾辊筒部件是打瓜机的关键工作部件，分析捡拾辊筒部件起升过程的结构强度非常必要。应用UG 软件对捡拾辊筒部件总成进行三维建模，并对其整个起升过程进行运动仿真，找到液压缸和捡拾辊轴铰接点在整个仿真过程中受力的最大位置及状态，再将此文件导入ANSYS Workbench进行有限元强度分析，获得此部件的最大应力及应变，从而为捡拾辊筒部件的结构设计、生产实践提供必要的理论依据。

关键词：打瓜机捡拾辊筒；强度分析；UG；ANSYS Workbench

中图分类号：S225．93；S126文献标识码：A文章编号：1003－188X（2013）06－0041－04

0引言

新疆是我国主要的打瓜生产基地之一，其气候和土壤等条件极其适合种植打瓜。种植打瓜成为农民增加收入的主要来源之一。传统的打瓜脱籽机费劳力，劳动强度大，效率低。新疆农业科学院研制的新型打瓜捡拾脱籽收获机投入人力少、效率高，有着明显的优越性。此新型打瓜捡拾脱籽收获机的捡拾辊筒部件是该打瓜机的关键部件，其主体部分由捡拾打瓜的瓜刺、U型支架、捡拾辊筒和捡拾辊轴构成。整体结构的质量主要集中在瓜刺和捡拾辊筒上，结构的支撑由捡拾辊轴和液压缸构成，瓜刺和捡拾辊筒在结构的上半部分。捡拾辊筒从工作状态转换到运输状态时，捡拾辊筒部件的这种“头重脚轻”结构需要很好的整体结构强度，以便捡拾辊筒能够收放自如。捡拾辊筒部件的强度分析主要利用ANSYS Workbench强大的计算能力，重点分析液压缸和捡拾辊轴铰接点在整个仿真过程中受力最大位置及状态，获取它们的最大应力及应变，以检验该捡拾辊筒部件设计能否满足强度要求。

1三维捡拾辊筒部件模型的建立与仿真

收稿日期：2012－06－01

基金项目：新疆维吾尔自治区打瓜捡拾脱籽联合作业机中试与示范项目（2011GB2G400013）

作者简介：张宏阳（1984－），男，山东文登人，硕士研究生，（E－mail）sunred1@163．com。

通讯作者：王春耀（1956－），男，四川万源人，教授，硕士生导师，（E－mail）wangchun_yao@126．com。1．1在UG软件中建立三维模型

UG（Unigraphics）是一个高度集成的CAD/CAM/ CAE软件系统，可应用于产品的整个开发过程，包括产品的概念设计、建模、分析和加工等。它具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，是目前产品设计最常用的设计工具之一，广泛应用于模具、航空、机械等行业的设计和制造。

在UG软件中按照实体建模的方法，依据捡拾辊筒部件的辊筒、捡拾辊轴、液压缸和固定支座等主要零件的几何尺寸分别进行三维建模。在建立捡拾辊筒模型时，鉴于捡拾辊筒由很多的瓜刺和轮辐上的角铁组成，因此大量采用阵列的命令进行建模。针对一些标准件（如螺栓、螺母、销轴），可以从UG软件中安装的标准件库中调用。得到部件的各个零件以后，利用UG的装配功能，在虚拟环境中装配好捡拾辊筒部件的模型。装配模型的主体如图1所示

。

图1捡拾辊筒部件装配主体图

1．2运动仿真

UG的运动仿真模块（Motion Simulation）是CAE 应用软件，用于建立运动机构模型分析机构运动规律。运动仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。在进行产品或部件开发设计时，合理的使用运动分析可以极大地提高设计效率。

捡拾辊筒部件的运动状态：收获作业完成时，捡拾辊筒在液压缸活塞杆的推力下，捡拾辊轴围绕固定铰支进行转动，捡拾辊筒由水平位置变为垂直位置，以便于运输。

此运动状态分为两部分：一是捡拾辊筒从正常工作位置运动到捡拾辊筒重心经过捡拾辊轴旋转中心所在的竖直平面，在此过程中捡拾辊轴必须在液压缸活塞杆的推力作用下才能运动；二是捡拾辊筒在其自身的重力作用下继续运动，此过程不需要液压缸活塞杆加力。

1．3运动仿真的建立

1．3．1创建运动仿真Ⅰ

1）创建连杆：将捡拾辊筒U形支架、轴承支座设置为一个连杆，将液压缸活塞杆和液压缸分别设置为一个连杆，将固定铰支设为固定连杆。

2）创建运动副：将捡拾辊轴与固定铰支接触的运动副设置为旋转副，将捡拾辊轴与油缸杆接触的运动副设置为旋转副，将液压缸活塞杆与液压缸之间的运动副设置为滑动副，将液压缸与固定铰支之间的运动副设置为旋转副，将固定铰支座设置为固定副。创建运动驱动：将油缸与固定铰支之间的旋转副设定为恒定驱动。

3）求解并做运动仿真分析。将解算方案设置为常规运动，分析类型为动力学，设置时间为13．8s，步数为259。

1．3．2创建运动仿真Ⅱ

1）创建连杆：将捡拾辊筒U形支架、轴承支座设置为一个连杆，将固定铰支座设定为固定连杆。

2）创建运动副：将捡拾辊轴与固定铰支座之间的运动副设置为旋转副。

3）创建运动驱动：将捡拾辊轴与固定铰支座之间的旋转副设置为恒定驱动。

1．4仿真结果输出

部件进行运动仿真时，系统内部将生成一组数据表，记录整个仿真过程中零件的受力信息。根据数据表，可以得到液压缸活塞杆和捡拾辊轴所受分力与合力的曲线图，如图2 图4所示。根据受力曲线，可以确定液压缸和捡拾辊轴铰接点在整个仿真过程中受力的最大位置及状态。

1．5仿真结果分析

图2为液压缸活塞杆与捡拾辊轴接触点在运动过程中的受力曲线。沿着z方向的分力总的趋势是先增大然后缓慢减小，当结构的重心在运动过程中经过捡拾辊轴旋转中心所在的竖直平面以后，z方向的分力变为最小。沿着y方向的分力总的趋势是缓慢减小然后增大，最终的受力小于起始值。当液压缸活塞杆运动到竖直位置时，y方向液压缸活塞杆受力的方向发生改变；当液压缸继续旋转，结构的重心经过捡拾辊轴旋转中心所在的竖直平面时，液压缸活塞杆受力为零；而液压缸活塞杆所受合力缓慢减小，最大的受力发生在起始位置。由图3可知，捡拾辊轴铰接点在液压缸活塞杆的支撑力与捡拾辊筒自身重力的作用下，y向分力由负变正，z向受力在捡拾辊筒部件的重心经过捡拾辊轴旋转中心所在的竖直平面时变为零；所受合力是先增大然后缓慢减小，受力最大点出现在运动仿真的第45步。由图4可知，运动仿真Ⅱ中捡拾辊轴铰接点的最大合力小于运动仿真Ⅰ中捡拾辊轴铰接点的合力

。

图2状态Ⅰ

时液压缸活塞杆仿真与受力情况

图3状态Ⅰ

时捡拾辊轴铰接点仿真与受力情况

图4状态Ⅱ时捡拾辊轴铰接点仿真与受力情况