胡迎春 齐勇落 胡裔志

摘要：旨在运用有限元分析软件建立摇杆式桑叶采摘机采摘装置的三维模型，从不同材料、刀具支撑杆的不同长度、刀具支撑杆的不同横截面形状等3个方面对采摘装置进行有限元分析，获取最危险工况下采摘装置受力的应力云图。结果表明，采摘装置选用普通碳钢材料的挠度值小于铝合金材料;刀具支撑杆的挠度值、应力值皆与刀具支撑杆长度间存在正相关关系;当圆形截面刀具支撑杆横截面面积与矩形截面刀具支撑杆横截面面积相同，且2种刀具支撐杆的长度也相同时，圆形横截面刀具支撑杆的挠度值与应力值皆小于矩形横截面刀具支撑杆。结合实际的生产条件，最终确定采摘装置材料选用普通碳钢，刀具支撑杆横截面形状采用圆形结构，刀具支撑杆长度定为325 mm，以期为今后制作桑叶采摘机物理样机提供理论依据。

关键词：采摘装置;不同材料;刀具支撑杆;横截面形状;桑叶;采摘机;物理样机

中图分类号： S225.93  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）22-0255-03

目前，绝大部分地区的桑叶采摘方式以人工采摘为主，劳动强度大，成本高，效率低下[1]。近年来，国内已有一些桑叶采摘机在研发，如广西科技大学李健教授所在团队研制的手持式桑叶采摘机[2]，还有笔者所在团队研制的螺旋式桑叶采摘机[3]、摇杆式桑叶采摘机[4]、往复式桑叶采摘机[5]和曲柄连杆式桑叶采摘机[6]等。在采桑机整机研制过程中，采摘装置的设计尤为重要，因此需要对桑叶采摘装置进行变形及最大应力的有限元分析。

本研究运用有限元分析软件建立摇杆式桑叶采摘机采摘装置三维模型，模拟实际采摘过程，对三维模型进行材料赋值，添加约束和载荷，分析不同材料、刀具支撑杆不同长度以及刀具支撑杆不同横截面形状对采摘装置性能的影响，获取应力云图，并进行对比分析，以期为后续采摘装置的研制提供理论支撑。

1 采摘装置结构的简化

摇杆式桑叶采摘机采摘装置采用的是对称结构，左右两边均由摇杆、连杆、刀具支撑杆、环型刀具、导轨滑块、导轨、导轨凹槽、弹簧、“U”形块、导轮等部件组成，局部简图如图1所示。刀具支撑杆套装在导轨滑块上，且末端与“U”形块固定连接，在刀具支撑杆末端套有弹簧。导轮的初始位置在导轨下部的凹槽内，弹簧处于自然状态，此时刀具支撑杆左右两边的刀具环处于打开状态。左右两边的摇杆带动连杆向上运动，连杆带动套装在导轨滑块上的刀具支撑杆向上运动，当导轮脱离导轨凹槽时，刀具支撑杆的横向距离缩小，由于弹簧套装在刀具支撑杆的末端，受到“U”形块和导轨滑块内壁的相互挤压，处于压缩状态，左右两边的刀具环闭合，卡住桑枝，随着刀具支撑杆的持续上升，刀具环以撸的方式开始向上采摘桑叶，当导轮运动至导轨上部的凹槽内时，被压缩的弹簧自动弹开，回归自然状态，使刀具支撑杆的横向距离增大，左右两边的刀具环张开，完成1次桑叶的采摘。左右两边摇杆的圆周运动促使连杆带动导轨滑块向下运动，从而带动刀具支撑杆向下运动，当导轮脱离导轨上部的凹槽时，刀具支撑杆的横向距离减小，弹簧被压缩，左右两边的刀具环闭合，卡住第2根桑枝，开始向下采摘桑叶，当导轮运动到导轨下部的凹槽内时，在弹簧的作用下，刀具支撑杆的横向距离增大，左右两边刀具环张开，完成第2次桑叶的采摘。采摘杆如此上下往复循环，实现桑叶的采摘。

运用有限元分析软件对摇杆式桑叶采摘机采摘装置最危险的工况进行建模仿真，即采摘装置此时的工作状态为导轮已完全离开导轨凹槽，刀具支撑杆外伸到极限位置，左右两边的刀具完全闭合。为了便于后续的有限元分析，需要对模型进行简化[7]，去除圆角、螺钉等对总体计算无影响的部分，将弹簧、导轮、导轨、摇杆、连杆等部件等效为力或者约束，采摘装置的最终简化模型如图2所示。

2 不同材料采摘装置的有限元建模分析

2.1 定义材料属性

运用有限元分析软件建立采摘装置的三维模型，刀具支撑杆的长度为325 mm，宽度为20 mm，高度为15.7 mm。选用SOLID187单元类型，用不同的材料如普通碳钢、铝合金进行对比。普通碳钢材料的弹性模量为2.1×1011 MPa，泊松比为0.28;铝合金材料的弹性模量为7.0×1010 MPa，泊松比为0.33。

2.2 网格划分与边界条件

选择所有实体进行自由划分，网格密度设置为3 mm，划分好的网格如图3所示，单元数为72 886个，节点数为 123 758个。将导轨滑块与导轨两者之间进行套接，采摘装置在沿导轨上升的过程中，导轨滑块内部与导轨接触的4个面前、后方向和水平方向的自由度受到限制，而且刀具运动采摘桑叶的过程，可以抽象为刀具静止、桑叶运动，因此在仿真时，在导轨滑块内部与导轨接触的4个面上添加全约束。此外，导轨、导轮、弹簧等部件的共同作用限制了刀具支撑杆水平方向的自由度，因此在刀尾“U”形块的底面添加Z方向的约束。此外，在刀具支撑杆与导轨滑块接触面之间，以及刀具闭合时2个刀具的接触面间添加接触对，摩擦系数为0.2。

2.3 加载求解

在对桑叶进行采摘时，叶柄首先与刀具的圆弧线接触，因此作用力集中作用在刀具的圆弧线上，但是作用力落在刀具圆弧线上的具体位置未知，因此将载荷均匀施加于刀具的圆弧线上[8]。试验结果表明，刀具支撑杆的最大承重为50～100 N，取最危险工况F=100 N，选择刀具圆弧线上的50个节点，添加分布载荷，输入载荷的数值100/50=2 N，分别求解得出铝合金材料、普通碳钢材料的应力云图。

由图4、图5可知，采用铝合金材料时，其挠度值为 0.095 6 mm，最大应力为17.9 MPa;采用普通碳钢材料时，其挠度值为0.032 3 mm，最大应力为18.1 MPa，普通碳钢材料的挠度值小于铝合金材料，应力大于铝合金材料。2种材料

的应力皆主要集中出现在2个刀口的接触面、刀具支撑杆与刀头接触的上表面、刀具支撑杆和导轨滑块接触的下表面。

2.4 结果分析

当弯矩一定时，挠度值与弹性模量间存在反比关系，普通碳钢材料的弹性模量高出铝合金材料1个数量级，因此挠度值小于铝合金材料。应力与弹性模量间存在正比关系，并且2种材料的变形量都较小，因此普通碳钢的应力大于铝合金材料。普通碳钢有着极高的刚度、强度，且不易断裂，抗腐蚀性强，使用寿命长，而铝合金的刚性差，易变形，因此，制造采摘装置时，选用普通碳钢材料较好。

3 刀具支撑杆不同长度的有限元分析

桑枝的行距为800 mm，结合摇杆式桑叶采摘机各部件位置间的设计布局，将刀具支撑杆长度取值范围定在325～375 mm 之间，选取刀具支撑杆的长度为325、350、375 mm进行分析，材料为普通碳钢，与不同材料类型的采摘装置的分析方法相同。图5为刀具支撑杆长度为325 mm时的应力云图。

由图6、图7可知，应力主要集中出现在2个刀口的接触面、刀具支撑杆与刀头接触的上表面、刀具支撑杆和导轨滑块接触的下表面。当刀具支撑杆的长度为350 mm时，挠度值为0.043 4 mm，最大应力为20.8 MPa;当刀具支撑杆的长度为375 mm时，挠度值为0.057 mm，最大应力为32.9 MPa。结合图5的应力云图数据，可知挠度值和应力皆与刀具支撑杆长度间存在正相关关系。分析可知，主要原因是由于随着刀具支撑杆长度的增加，力矩增加，刀具支撑杆的挠度值增加，由于弹性模量数值相同，因此应力随之增大，最终确定刀具支撑杆的长度为325 mm。

4 刀具支撑杆不同横截面形状的有限元分析

矩形截面刀具支撑杆的长度为325 mm，宽度为20 mm，高度为15.7 mm，材料为普通碳钢，应力云图如图5所示;圆形截面刀具支撑杆的长度为325 mm，直径为20 mm，材料为普通碳钢，与不同材料类型采摘装置的分析方法相同，应力云图如图8所示。

由图8可知，圆形刀具支撑杆的挠度值为0.031 1 mm，最大应力为17.9 MPa。与图5对比分析可知，当圆形截面刀具支撑杆横截面面积与矩形截面刀具支撑杆横截面面积相同，且2种刀具支撑杆的长度也相同时，圆形横截面刀具支撑杆的应力与挠度值皆小于矩形横截面刀具支撑杆。分析可知，当刀具支撑杆横截面形状为圆形时，截面惯性矩为I=（πd4）/64=7 854 mm4;当刀具支撑杆横截面形状为矩形时，截面惯性矩为I=（bn3）/12=6 449.8 mm4。截面惯性矩越大，抵抗弯曲变形的能力越强。由此可知，当刀具支撑杆为圆形时，变形量小，由于两者弹性模型数值相同，因此圆形横截面刀具支撑杆的应力小于矩形横截面刀具支撑杆。结合实际生产需求，圆形横截面刀具支撑杆加工制造相对简单，成本较低，矩形横截面刀具支撑杆棱角处理时相对较为复杂，最终采摘装置研制时刀具支撑杆的横截面形状采用圆形结构。

5 结论

以摇杆式桑叶采摘机采摘装置为研究对象，运用有限元分析软件，从不同材料、刀具支撑杆不同长度、刀具支撑杆不同横截面形状3个方面进行有限元分析，获取相对应的应力云图。由结果可知，普通碳钢材料的挠度值小于铝合金材料，刀具支撑杆长度为325 mm、横截面形状为圆形时的挠度值与应力较小。最终确定采摘装置的材料为普通碳钢，刀具支撑杆长度为325 mm，横截面形状选用圆形结构，以期为后期采摘装置的加工制造提供参考依据。

参考文献：

[1]梁培生，韦业东，张国政. 我国桑园作业机械现状及发展思路[J]. 中国蚕业，2009（3）：4-7.

[2]李 健，韦灵南，邓敏和. 桑叶采摘机的设计[J]. 农业机械学报，2004，35（1）：191-192.

[3]胡迎春，廖 伟，庄锦芳，等. 基于Pro/Engineer的螺旋式桑叶采摘机设计[J]. 农机化研究，2015（12）：114-116.

[4]胡迎春，庄锦芳，闫 鑫，等. 摇杆式桑叶采摘机拨枝与采摘时间的协调匹配分析[J]. 农机化研究，2016（3）：144-148.

[5]胡迎春，闫 鑫，庄锦芳，等. 往复式桑叶采摘机设计及采摘效益分析[J]. 农机化研究，2016（4）：76-79.

[6]庄锦芳. 曲柄连杆式桑叶采摘机的關键部件结构设计与优化[D]. 柳州：广西科技大学，2015：40-50.

[7]胡迎春，赵舒婷，余兵浩. 人体腰椎模拟植入椎弓根螺钉的有限元分析[J]. 广西科技大学学报，2014，25（3）：11-13.

[8]刘鸿文. 材料力学[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2011：158-163.