柳香雅

（潍坊科技学院，山东潍坊262700）

基于ANSYS微型电动旋耕机车架的设计与力学分析

柳香雅

（潍坊科技学院，山东潍坊262700）

给出一种微型电动旋耕机设计思路，探讨了驱动系统的主要参数确定方法，利用UG软件建立了旋耕机车架的三维模型，基于ANSYS Workbench对车架的刚度和静态强度进行了分析以及模态分析，把结果与实际应用结果对比，证明设计是安全可行的。

微型电动旋耕机；车架；设计与力学分析

随着农作物大棚种植面积的增加，以及小区、别墅绿化需求的增长，对于小面积地块使用耕作机械的要求也日益增加。当前市场上的微耕机，其结构类似于手扶式的拖拉机，特别是使用燃油作为动力的微耕机，在使用时噪音大，还有较多的废气排放出来，对大棚及小区、别墅的使用环境带来了较多的不利因素[1]。因此，电动微耕机的市场需求越来越大。针对这种情况，文中提出了一种适合用于农作物大棚、高档小区、别墅绿化耕作的无污染、高效率、低噪音的四轮电动微耕机，并利用三维软件结合有限元软件对车架进行了建模，做了静态和模态分析。

1 微型电动旋耕机的整体设计概述

1.1 电动旋耕机的设计原则

微型电动旋耕机的整体设计需要循的以下原则：

（1）考虑大棚及小面积的作业的空间要求，转向性良好，操作方法简单、灵活。

（2）考虑环境保护要求，需要采用新的工艺、材料及结构原理，使产品设计合理、操作使用、维护更加方便可靠、效率高，能源消耗低。

（3）要充分考虑机械产品的标准化等基本问题。

（4）产品力求结构简单、质量更轻、机动性好。

1.2 电动旋耕机结构组成及设计

该电动微耕机由车架部分、电源动力部分、旋耕刀及工作装置、调节耕深部分及整体控制部分及组成。其中，电源驱动部分由两个电机和两组锂电池组组成，两个电机驱动四个轮毂和旋耕刀，各自有一组锂电池组供电，作为微耕机的运动及耕作的动力，驱动行走电机通过轮胎内安装的无刷永磁直流轮毂电机实现旋耕机的运动；旋耕刀工作装置由挡泥板、变速箱、旋耕刀及安装轴等组成，在旋耕刀电机通电时，驱动电机通过变速箱把转速和转矩传递给旋耕刀安装轴，带动旋耕刀实现旋转耕作运动，工作时旋起来的泥土由挡泥板挡住，防止泥土的飞溅和扬尘；调节耕深装置是利用了电动丝杆滑台的原理，配合旋耕刀连接板实现，在车架上安装丝杠滑台，调整滑块高度可以改变旋耕刀的高度，实现调节控制微耕机耕深的目的；控制装置主是控制箱内的主控制器。

具体的工作原理如图1所示，在微耕机只行走，不需要旋耕作业的情况下，主控制器只需要给行走驱动电机供电，实现机器的直行、转向等基本动作；在微耕机进行旋耕作业，主控制器同时给旋耕刀驱动电机、行走驱动电机和耕深调节电机供电，同时实现行走、耕作和调节耕深的功能，满足作业要求。

图1 微型电动旋耕机的工作原理示意图

由于本设计是电动微耕作业设备，机器本身的体积、重量不大，消耗的功率也不高，特别是，一般的农作物大棚或别墅、小区的耕作空间也比较小，所以，本机器的旋耕作业基本设计参数如表1所示。

表1 微型电动旋耕机的设计参数

2 电动旋耕机主要参数计算

由于微耕机在进行旋耕作业，行驶速度低，只需考虑滚动阻力所消耗的功率即可[2]。电动微耕机作业状态受力分析如图2所示。

图2 微耕机旋耕作业时受力分析图

在图2中：G为电动微耕机整机重量（N），作用在质心位置（a，h）处；V为旋耕机耕作时的平均速度（km/h）；Fq为电机驱动力（N）；Ff为前进时的阻力（N）；FN为地面的支持力（N）.

由图2可知，电机输出功率主要是用来克服前进阻力，因此，输出功率比前进阻力大，可由以下公式[3]求得。

式（1）中：PN2为电机功率（W）；V为行驶速度（km/h），一般为1.08 km/h；ηN为电机到驱动轴的效率，一般可取0.9；β为电机功率储备系数，取β=1.3.

耕作时的前时阻力Ff为工作阻力水平方向上分力，计算公式为：

式（2）中：F为驱动轮在地面上的摩擦阻力系数，一般可以取为0.12.

行走驱动电机的选择，主要考虑电动微耕机的离地间隙至少为15 cm，经过综合对比，故最终选择15尺寸额定功率为350 W的轮毂电机。旋耕刀电机的选择，主要考虑质量轻、可靠性高、效率高等因素，因此选择在这些方面性能都比较优越的永磁无刷直流电动机。

作为当前主流的电池品种，锂离子电池具有独到的优势，在使用寿命、质量、工作效率等多方面都要优于其他电池，所以，旋耕机电池选用锂离子电池作为电机电源。

3 旋耕机车架的建模

3.1 电动旋耕机车架结构设计与建模

为了实现对旋耕机车架进行分析，利用UG软件建立模型，再导入到ANSYS Workbench有限元分析软件中，对车架进行静力学分析研究电动微耕机车架的应力和应变分布情况，同时进行模态分析。

车架结构分为承重和非承重两部分区域，承重部分对控制器、电池和耕深调节装置起着承重作用，非承重部分主要起到连接、固定作用。车架由镀锌方管焊接而成，方管的规格为40 mm×40 mm×3 mm，如图3所示。

图3 电动旋耕机车架的三维模型图

其中，车架的两端放置锂电池，中间安装丝杠滑台，轮毂电机的底座也是通过螺栓与车架连接。

3.2 划分网格并施加载荷与约束

该微耕机车架所用方管材料为Q235，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.33，杨氏模量为2.1×1011Pa.模型建立后，为了取得较好的分析结果，采用ANSYS Workbench默认的参数进行网格划分，网格划分Relevance值取100，采用Medium方式关联，网格尺寸设为8.通过划分，产生54 266个单元，211 093个节点。

电动微耕机在耕作时，车架所承受载荷分布如下：车架质量约16 kg，锂电池质量为12 kg，车架后部锂电池组质量约为16 kg，电池的重量以均布载荷的形式施加支撑方管上。旋耕机装置及电动滑台质量约为32 kg，其质心位置通过UG软件获得后，以用Remote Force（远端力）的形式施加。为了便于计算，以Fixed Support的方式对车架下面的两根纵向方管上的螺孔加以固定。

4 微型电动微耕机车架的力学分析

4.1 车架的强度和刚度分析

分析计算时，设置车架等效应力和总变形这两个求解项，进行求解，即可得到等效应力云图和总变形云图，如图4所示。

图4 车架的应力和应变分析结果

图4 中，最大应力位于车架中间横向和竖向方管的焊接处，其值为3.709 MPa，远小于极限应力375 MPa，说明强度满足要求；最大变形量发生车架上面的中间横管，其值为0.032 62 mm，变形量较小，刚度也能满足要求。

4.2 微耕机车架的模态分析

Model（模态）分析是用来确定结构的固有频率和振型[4]。可以在上面静力学分析的基础上进行，通过在Model模块中选择Solve进行求解，即可得到模态分析结果。各阶模态云图从略。数据如表2所示。

表2 车架模态分析结果

电动微耕机在工作时的振源主要有两个：首先是源于地面的不平整所带来的随机振动，其大小取决于土质状况，一般可以设置为1~20 Hz；其次，是旋耕刀在碎土时带来的振动，旋耕刀的设计转速为120 r/min，即频率为2 Hz.从上面的分析可以看出，车架的最低固有频率值为138.25 Hz，大小与车架的激励频率相差较大，因此不会发生共振现象，车架的结构完全能够满足安全需求。

5 结束语

本文设计制造了一种微型电动微耕机，对整体设计进行了阐述，并利用三维软件结合有限元分析，对车架进行了静态和模态分析，得出了车架够满足强度、刚度等要求；同时，车架的最小固有频率也远超过激励频率，不会发生共振现象。经过实验和实际操作应用，与上述结果完全一致。

[1]同国琦，张铁民，徐相华．我国微耕机技术现状与发展趋势[J]．安徽农业科学，2008，36（25）：11137－lll39．

[2]高蕾.棚室电动旋耕机自动控制系统设计[D].哈尔滨：东北农业大学，2013.

[3]杜昌盛.棚室电动微耕机设计[D].武汉：湖北工业大学，2016.

[4]刘学林，王晶，高辉松.基于轮毂电机驱动的电动微耕机机架设计与分析[J].安徽农业科学，2013，41（14）：6557-6560.

Design of Electric Micro Tillage Frame and Mechanics Analysis

LIU Xiang-ya
（Weifang University of Science&Technology，Weifang Shangdong 262700，China）

The paper made the overall design scheme of electric micro tillage machine，and explored the calculation method of the power train of the main parameters.The electric micro tillage machine frame has been created by 3D software and the static strength、stiffness and modal analysis are conducted based on ANSYS Workbench software.Through comparing the simulation results with experiment results analysis，the electric micro tillage machine matching is safe and feasible.

electric tillage；machine frame；design and simulation analysis

S222.3

A

1672-545X（2017）06-0123-03

2017-03-18

柳香雅（1980－），女，山东平度人，讲师，研究生，研究方向：机械设计。