聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)

關(guān)卓懷，吳崇友，湯　慶，王　剛

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京　210014)

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聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)

關(guān)卓懷，吳崇友，湯慶，王剛

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014)

摘要：針對聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒在工作中的振動和噪聲問題，為了避免共振，利用軟件ANSYS Workbench對聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，得到了前6階的固有頻率和振型。對脫粒滾筒進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)，與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，其固有頻率相對誤差在4.6%以下，且振型一致，驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。模態(tài)分析結(jié)果表明：前6階固有頻率與主要振源激勵頻率相差較大，較好地避開了共振區(qū)；釘齒桿與幅盤的振幅較大，且兩者的連接處最為薄弱，在設(shè)計和焊接時應(yīng)尤為注意。該研究為聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒的設(shè)計與優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；脫粒滾筒；有限元；模態(tài)分析

0引言

聯(lián)合收獲機(jī)是一種大型復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械，工作和傳動部件多，產(chǎn)生振動及噪聲大，工作環(huán)境較為惡劣。強(qiáng)烈的振動易造成零部件產(chǎn)生裂紋、疲勞斷裂或磨損等破壞，嚴(yán)重地影響了整機(jī)的可靠性和使用壽命，增加了收獲損失，影響高效作業(yè)及操作員的身體健康[1-2]。在聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計工作中，重點(diǎn)考慮的是收獲效果，往往很少關(guān)注機(jī)器工作時的振動情況，導(dǎo)致聯(lián)合收獲機(jī)在工作時噪聲高、振動強(qiáng)烈。近年來，有關(guān)聯(lián)合收獲機(jī)動力學(xué)分析和振動控制的研究已開始受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的振動主要來源于脫粒滾筒。脫粒滾筒可以近似看作軸對稱結(jié)構(gòu)，由于安裝誤差和工作負(fù)載會產(chǎn)生軸的不對中，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生彎曲振動和更為復(fù)雜的彎扭耦合振動[3]。除了增加材料剛度、減小形變及增加裝配精度之外，在進(jìn)行脫粒滾筒的設(shè)計時，應(yīng)考慮其自身振動的固有頻率。在設(shè)計完成后，進(jìn)行模態(tài)分析，檢驗(yàn)是否與激勵頻率接近，確定危險轉(zhuǎn)速的范圍，以減小脫粒滾筒的工作振動[4]。

本文利用三維建模軟件UG對某型號聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒滾筒進(jìn)行參數(shù)化建模，通過ANSYS Workbench求解出脫粒滾筒的模態(tài)參數(shù)，然后通過模態(tài)試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

1脫粒滾筒有限元模態(tài)分析

1.1　模態(tài)分析前處理

ANSYS Workbench擁有良好的與其他三維建模軟件的對接功能，所以采用在UG中進(jìn)行三維數(shù)字化建模之后再導(dǎo)入Workbench中的方法。在建模過程中，對不影響整體振動情況的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的忽略簡化，如倒角、釘齒和小孔等。脫粒滾筒實(shí)體模型如圖1所示。

圖1　實(shí)體模型

將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench的Modal模塊中，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。選定材料為45鋼，彈性模量為2.07×105N/mm2，楊氏模量為0.29，密度為7.8×10-9t/mm3。

采用自動劃分網(wǎng)格法，其優(yōu)點(diǎn)在于對于可以掃掠的實(shí)體采用掃掠法劃分六面體網(wǎng)格，對不能劃分的實(shí)體采用協(xié)調(diào)分片算法劃分四面體網(wǎng)格。劃分后，共生成節(jié)點(diǎn)24 519個、單元12 420個，如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分

根據(jù)脫粒滾筒的實(shí)際工作情況施加約束。在兩端的軸承處施加圓柱約束，只保留繞中軸旋轉(zhuǎn)的自由度，其他方向的自由度均被約束[5]。

1.2　模態(tài)有限元分析

考慮到實(shí)際應(yīng)用中，低階模態(tài)的影響較大，高階模態(tài)固有頻率較高，實(shí)際使用中產(chǎn)生的影響較小，所以在完成模態(tài)分析的前處理后，設(shè)定求解脫粒滾筒前6階模態(tài)的頻率和振型。各階頻率和振型的計算結(jié)果如表1所示，振型云圖如圖3所示。

表1　前6階模態(tài)計算結(jié)果

圖3　振型云圖

2脫粒滾筒模態(tài)試驗(yàn)

2.1　分析系統(tǒng)與試驗(yàn)過程

解析模態(tài)分析可用有限元計算實(shí)現(xiàn)，而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析則是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行可測可控的動力學(xué)激勵。由激振力和響應(yīng)的信號求得系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，再在頻域或轉(zhuǎn)到時域采用多種識別方法求出模態(tài)參數(shù)，得到結(jié)構(gòu)固有頻率、振型和阻尼比等特征， 是聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒模態(tài)分析中必不可少的一部分工作。其一方面可以驗(yàn)證設(shè)計方案的有限元仿真模型；另一方面又可以為以后的結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改提供必需的動態(tài)參數(shù)，作為優(yōu)化設(shè)計的變量和約束條件。試驗(yàn)采用力錘激勵作用于激勵點(diǎn)的方式產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖沖擊力，利用加速度傳感器測得響應(yīng)點(diǎn)的振動加速度響應(yīng)信號，通過分析所測信號即可得到所需結(jié)果[6-8]。

本次試驗(yàn)采用懸掛法，將脫粒滾筒用彈性繩進(jìn)行懸掛。在選擇測試點(diǎn)時，為了避開節(jié)點(diǎn)，先任選幾點(diǎn)進(jìn)行試敲擊，分析響應(yīng)中的頻率成分；并結(jié)合有限元模態(tài)分析的結(jié)果，選取釘齒桿和幅盤連接的地方作為測點(diǎn)。測點(diǎn)分布如圖4所示。

試驗(yàn)儀器主要包括DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)、5kN力錘、DH5857-1電荷適調(diào)器、DH311加速度傳感器、數(shù)據(jù)線及彈性繩等 。試驗(yàn)時，將加速度傳感器和力傳感器通過電荷適調(diào)器與儀器相連，通過USB3.0通訊線將電腦與儀器相連接，設(shè)置儀器基本參數(shù)。在軟件中建立脫粒滾筒模型，如圖5所示。在建模過程中使用圓柱坐標(biāo)系。設(shè)置頻響參數(shù)后，通過錘擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，流程如圖6所示。

圖4　測點(diǎn)分布

圖5　模型結(jié)構(gòu)圖

圖6　試驗(yàn)流程圖

2.2　試驗(yàn)結(jié)果

將信號分析系統(tǒng)中所測得的頻響信號導(dǎo)入對應(yīng)的模態(tài)分析軟件中，可得脫粒滾筒的前6階振動頻率阻尼比如表2所示，振型如圖7所示。

表2　前6階試驗(yàn)?zāi)B(tài)

圖7　試驗(yàn)振型

2.3　模態(tài)有限元分析與模態(tài)試驗(yàn)的對比

模態(tài)有限分析與模態(tài)試驗(yàn)的誤差對比如表3所示，最大相對誤差為4.6%，振型一致。排除建模時忽略掉的部分，模型較為規(guī)則，有限元分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果接近，所建模型較為準(zhǔn)確。

前6階振型的頻率分布在63.83～158.94Hz，固有頻率較高。聯(lián)合收獲機(jī)工作時主要振源的激勵頻率為[9]：地面3Hz，發(fā)動機(jī)38.3～41.7Hz，割刀7～8Hz，振動篩5Hz。此型號的脫粒滾筒均避開了共振區(qū)域。振型上，除第5階振動為中軸的振動之外，其余各階均為釘齒桿和幅盤的振動，且在連接處振幅最大。所以，在設(shè)計過程中，需加強(qiáng)釘齒桿和幅盤連接處的強(qiáng)度，減小由于振動造成破壞失效的可能。

表3　模態(tài)有限分析與模態(tài)試驗(yàn)的誤差對比

3結(jié)論

1)對聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和模態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到前6階的固有頻率和振型，兩種方法所得結(jié)果相對誤差不超過4.6%，且振型一致。

2)通過分析模態(tài)振型的最大位移可得:脫粒滾筒的最薄弱環(huán)節(jié)為幅盤和釘齒桿的連接處，在設(shè)計和焊接時需特別注意；中軸振動的振型固有頻率較高，并不容易產(chǎn)生共振，在滿足傳動扭矩并且不降低清選效果時可以適當(dāng)減輕質(zhì)量，降低脫粒功耗。本研究為聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒的設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)。

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Finite Element Mode Analysis and Experiment of Combine Harvester Threshing Cylinder

Guan Zhuohuai, Wu Chongyou, Tang Qing, Wang Gang

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Abstract：The combine harvester has been applied widely in the past decade and most research were focused on the harvester performance. As the development of agricultural machinery, more attention was paid on the comfort and reliability. In order to reduce the vibration noise of combine harvester and avoid the resonance, the first six order modal of threshing cylinder were calculated by ANSYS Workbench. Modal test was done to verify the accuracy of modal analysis, the maximum relative error is less than 4.6%. The results show that threshing cylinder axis have a small amplitude but the tooth bar and spoke disc have a severe vibration. The weakest parts are the joints between tooth bars and spoke discs. The research provide theoretical basis and method for the optimal design of combine harvester threshing cylinder.

Key words：combine harvester; threshing cylinder; finite element; mode analysis

中圖分類號：S225；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0136-05

作者簡介：關(guān)卓懷(1988-),男，河南開封人，助理研究員，碩士，(E-mail) guanzhuohuai@163.com。通訊作者：吳崇友(1959-)，男，遼寧岫巖人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)cuwu59@sina.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)

收稿日期：2015-07-14