基于LMS Virtual.lab水稻插秧機(jī)變速箱的動力學(xué)特性仿真

劉文科,何平基

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

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基于LMS Virtual.lab水稻插秧機(jī)變速箱的動力學(xué)特性仿真

劉文科1,何平基2

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

【目的】 研究并改善水稻插秧機(jī)變速箱動力總成結(jié)構(gòu).【方法】 結(jié)合虛擬樣機(jī)與動態(tài)仿真技術(shù)，借助UG和LMS Virtual.lab軟件，根據(jù)水稻插秧機(jī)變速器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動關(guān)系，建立關(guān)于變速箱的多體動力學(xué)仿真模型.通過對變速箱齒輪軸系及變速箱殼體的局部柔性化處理，分析了關(guān)于變速箱剛?cè)狁詈系亩囿w動力學(xué)特性；利用BDF算法獲取了虛擬樣機(jī)在各擋位下參與扭矩傳遞的仿真速度與理論值的擬合情況，齒輪系統(tǒng)嚙合力的頻譜特性以及各軸在各階振動頻率下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況.【結(jié)果】 在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要注意，在殼體與殼體的連接部位和殼體與軸承的連接部位適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時在固定點(diǎn)位置以及殼體非連接部位可以適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以節(jié)省材料.【結(jié)論】 成功實(shí)現(xiàn)水稻插秧機(jī)變速箱的動力學(xué)建模與仿真.

水稻插秧機(jī)；LMS Virtual.lab；多體動力學(xué)；剛?cè)狁詈?；頻譜特性；株距；變速箱

農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展程度直接關(guān)系到我國農(nóng)機(jī)化發(fā)展水平，是一個國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志.插秧機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種重要機(jī)械設(shè)備，株距變速箱則是插秧機(jī)非常重要的動力總成結(jié)構(gòu)，它利用株距變速箱的換檔操作進(jìn)行插秧株距的控制作業(yè).水稻插秧機(jī)變速箱在作業(yè)時由原動機(jī)和其他負(fù)載引入的外部激勵以及齒輪的時變嚙合剛度、齒輪傳動誤差和嚙入嚙出沖擊所引起的內(nèi)部激勵的共同作用下，都將會引起不同程度的振動與噪聲[1-2]，嚴(yán)重的甚至影響到插秧機(jī)的使用壽命[3].國內(nèi)外對株距減速器的研究多集中在強(qiáng)度、沖擊性能和疲勞性能設(shè)計(jì)的合理性方面，對株距變速器的動力學(xué)特性研究較少[4-7].因此對水稻插秧機(jī)變速箱動力總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)研究，根據(jù)動力學(xué)分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)株距變速箱齒輪傳動系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作，以改善株距變速箱的設(shè)計(jì)質(zhì)量和動力學(xué)特性.

1 株距變速箱仿真模型的建立

對于一些簡單的、少自由度的機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)行坐標(biāo)系的定義后，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過相關(guān)動力學(xué)推導(dǎo)得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程，但是對于結(jié)構(gòu)部件較多的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)來說，當(dāng)系統(tǒng)的構(gòu)型或某一因素發(fā)生變化時，其動力學(xué)狀態(tài)方程就會發(fā)生改變，從而造成其動力學(xué)分析工作繁瑣和冗余，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析成本顯著加大[8].虛擬樣機(jī)技術(shù)是集合多領(lǐng)域多體系統(tǒng)的動力學(xué)建模技術(shù)，方便工程技術(shù)人員真實(shí)地仿真和分析系統(tǒng)在各種復(fù)雜虛擬環(huán)境中，甚至物理實(shí)驗(yàn)中極其危險或難以實(shí)現(xiàn)的工況下的整體或各部件運(yùn)動和受力狀況，以數(shù)字化的多體系統(tǒng)反映現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜的多體物理系統(tǒng)的外觀與結(jié)構(gòu)，最終為系統(tǒng)整體或部件的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特性分析提供有效依據(jù)的研究手段，為改善和提高系統(tǒng)的動力學(xué)特性提供借鑒和依據(jù)，這樣將大大地降低產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的總體成本[9-10].

1.1 幾何模型的建立

插秧機(jī)株距變速箱主體結(jié)構(gòu)由3根主軸、9個齒輪以及4個軸承和2個殼體等構(gòu)成，其各部件間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動關(guān)系如圖1所示.圖2是根據(jù)圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動關(guān)系和實(shí)際幾何尺寸，利用UG 6.0軟件建立的插秧機(jī)株距變速箱的3D裝配幾何模型.通過UG軟件與LMS多體動力學(xué)分析軟件之間的幾何模型接口導(dǎo)入到LMS軟件中，基于LMS軟件的剛?cè)岱治瞿K，對株距變速箱部分零件作剛?cè)崽鎿Q操作，以實(shí)現(xiàn)株距變速箱的剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)分析模型的創(chuàng)建.

圖1 插秧機(jī)株距變速箱各部件間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動關(guān)系Fig.1 Topology structure and the movement relationship among the components of transplanter planting distance transmission

圖2 基于UG軟件的插秧機(jī)株距變速箱的裝配幾何模型Fig.2 Assembly geometric model of transplanter planting distance transmission based on UG software

由于Virtual.Lab Motion在導(dǎo)入UG裝配模型時會引起質(zhì)量丟失，因此在進(jìn)行動力學(xué)分析之前需要在LMS Virtual.Lab Motion材料標(biāo)準(zhǔn)庫中選擇并添加減速器各部件材料屬性，其株距減速器各構(gòu)件的材料類型詳見表1.

表1 株距減速器各構(gòu)件的材料類型

1.2 有限元模型的建立

在減速器裝配體模型導(dǎo)入Virtual.Lab Motion后，減速器各個組成構(gòu)件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安裝方式以及位置基本保持一致，在Motion功能模塊中對各個部件定義正確的相對運(yùn)動關(guān)系，并對其施加運(yùn)動約束和約束副驅(qū)動，在軸1上施加600 r/min的轉(zhuǎn)速以及10 N·m轉(zhuǎn)矩，變速箱的連接通過5顆螺栓與機(jī)架進(jìn)行連接，由于變速箱箱體的應(yīng)力與變形也是研究的重要內(nèi)容，在 LMS中直接將箱體做粘連處理以代替螺栓預(yù)緊力效果.表2枚舉了株距減速器各連接構(gòu)件之間的運(yùn)動約束關(guān)系.

為了更加準(zhǔn)確地模擬株距變速器的動力學(xué)特性，本文對減速器的軸2和軸3進(jìn)行了柔性化，并將其安裝在原變速器上構(gòu)建了符合實(shí)際情況的剛?cè)狁詈夏Ｐ?由于變速箱箱體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格類型采用3D Solid 10節(jié)點(diǎn)四面體有限元單元SOLID92，網(wǎng)格大小為 2 mm，邊角處由程序自動平滑過渡為尺寸較小的網(wǎng)格.圖3為株距變速箱的有限元模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果，由40.124萬個節(jié)點(diǎn)，21.46萬個單元組成.經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量畸變度 Skewness檢查，畸變度取值在[0.003 0，0.998 948]范圍內(nèi)，其均值約為0.474，沒有不可接受的畸變單元，符合網(wǎng)格劃分要求.本文剛?cè)狁詈夏Ｐ筒捎肂DF算法，通過采用BDF算法解出各軸在各階振動頻率下出現(xiàn)的最大位移和應(yīng)力集中的情況，以獲取應(yīng)力極限和最危險部位出現(xiàn)的位置.

表2 株距減速器各構(gòu)件之間的運(yùn)動約束關(guān)系

圖3 株距減速器的剛?cè)狁詈夏Ｐ图坝邢拊W(wǎng)格模型Fig.3 Rigid-flexible coupled model and finite element mesh model of planting distance transmission

2 動力學(xué)仿真結(jié)果與分析

2.1 速度與嚙合力分析

通過采用Virtual.Lab Motion 中的BDF算法提取出各擋位下參與扭矩傳遞的齒輪的仿真速度及嚙合力，與通過解析表達(dá)式計(jì)算的理論數(shù)值作比較，以驗(yàn)證虛擬樣機(jī)的合理性，以便于進(jìn)一步進(jìn)行齒輪嚙合力的分析.這里我們只討論具有代表性的前進(jìn)4檔和減速1檔.

插秧機(jī)前進(jìn)4擋齒輪嚙合順序和關(guān)系為Z1/Z3-Z4/Z7，其各軸的角速度仿真結(jié)果如圖4所示，4擋各齒輪理論角速度與仿真角速度值的值見表3.從表3中可知軸的理論角速度與仿真角速度值相差很小，說明4擋虛擬樣機(jī)模型在前進(jìn)擋設(shè)計(jì)是合理的.前進(jìn)擋4擋，根據(jù)公式可以計(jì)算得到齒輪Z4/Z7的理論嚙合頻率232.4 Hz，仿真分析結(jié)果如圖4所示，頻率特征與理論嚙合頻率相符.

表3 前進(jìn)4擋變速箱各軸理論角速度與仿真角速度

圖4 前進(jìn)4擋時減速器構(gòu)型(a)及各軸角速度(b)Fig.4 Transmission configuration (a) and the shaft angular velocity for forward 4 level

圖5 前進(jìn)4擋齒輪Z4/Z7嚙合力的頻譜分析Fig.5 Spectrum analysis of the meshing force between gear Z4 and gear Z7 for forward 4 level

變速1擋齒輪嚙合順序和關(guān)系為Z2/Z3—Z6/Z9，其各軸的角速度仿真結(jié)果如圖6所示，變速1擋各齒輪理論角速度與仿真角速度值的值見表4.從表4中可知軸的理論角速度與仿真角速度值相差很小，說明虛擬樣機(jī)模型在變速1檔設(shè)計(jì)合理性.

表4 變速1擋各軸理論角速度與仿真角速度對照表

圖6 變速1擋時減速器構(gòu)型(a)及各軸角速度(b)Fig.6 Transmission configuration (a) and the shaft angular velocity for variable speed 1 level

根據(jù)公式可以計(jì)算得到變速1擋時齒輪Z6/Z9的理論嚙合頻率fmax=4.286×28=120 Hz，fmin=4.286×22=94.292 Hz.仿真分析結(jié)果如圖7所示，頻率特征與理論嚙合頻率相符.

圖7 變速1擋齒輪Z6/Z9嚙合力的頻譜分析Fig.7 Spectrum analysis of the meshing force between gear Z6 and gear Z9 for variable speed 1 level

2.2 模態(tài)分析

通過仿真計(jì)算獲得具有代表性變速1擋位的軸2和軸3的應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示.第一階振動軸2的應(yīng)力比軸3小，且兩根軸最大應(yīng)力部位分布不同.第二階振動軸2的最大應(yīng)力比第一階應(yīng)力小，但分布均勻；軸3的最大應(yīng)力比第一階應(yīng)力大，但分布較集中.第三階振動軸2的最大應(yīng)力比第二階應(yīng)力大，但應(yīng)力較集中；軸3的最大應(yīng)力比第二階的應(yīng)力大，但分布較均勻.第四階振動軸2的最大應(yīng)力比第三階的應(yīng)力大，但應(yīng)力較均勻；軸3的最大應(yīng)力比第三階的應(yīng)大，但分布較集中.這主要是由于各階的固有頻率是增加的(表5)，引起其振動應(yīng)力也呈遞增的趨勢.

表5為株距變速箱前6階模態(tài)分布.由表5可知，其模態(tài)并沒有在激勵范圍內(nèi)，并且變速箱結(jié)構(gòu)的最大嚙合頻率 460 Hz與最小固有模態(tài)值 759.6Hz相差0.65倍，說明箱體的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不會造成箱體與變速箱齒輪系統(tǒng)的嚙合頻率發(fā)生共振.

圖8 變速1擋軸2與軸3的應(yīng)力分布：(a)1階，(b)2階，(c)3階，(d)4階Fig.8 1 order (a),2 order (b),3 order (c) and 4 order (d) stress distribution of shaft 2 and 3 for variable speed 1 level

階數(shù)1階2階3階4階5階6階頻率/Hz759.5593918.94221592.80822134.52102512.51122717.3613

圖9和圖10分別是株距變速箱第1階到第6階振型應(yīng)力和振型位移圖.第1階箱體前殼體應(yīng)力比后殼體大，且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸承與殼體連接的部位及其周圍；第2階箱體前殼體應(yīng)力比后殼體小，且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸承與殼體連接的部位及其周圍；第3階、第4階箱體前殼體應(yīng)力與后殼體基本相等，且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在兩殼體連接的邊緣；第5階箱體前殼體應(yīng)力比后殼體稍大，且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在前殼體連接的邊緣以及與軸承連接的部位；第6階箱體前殼體應(yīng)力與后殼體基本相等，且應(yīng)力分布比較均勻；從箱體不同階數(shù)的應(yīng)力分布可以看出，箱體在不同頻率下其應(yīng)力大小不同，且應(yīng)力分布也不同.從變速箱的前 6階模態(tài)的振動應(yīng)力圖與振動位移圖，可以看出殼體的振動基本上沿著固定點(diǎn)做彎曲或扭轉(zhuǎn)振動，最大振動分布在殼體與殼體的連接部位或者殼體與軸承的連接部位.在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要注意在這些位置適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在固定點(diǎn)位置以及殼體非連接部位可以適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以節(jié)省材料.依據(jù)在不同頻率下變速箱的振動位移的分布，可直觀地了解變速箱結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)株距變速箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及相關(guān)改進(jìn)工作提供參考[11-12].

圖9 株距變速箱第1階到第6階振型應(yīng)力Fig.9 Vibration mode stress of planting distance transmission from 1 order to 6 order

圖10 株距變速箱第1階到第6階振型位移Fig.9 Vibration mode displacement of planting distance transmission from 1 order to 6 order

3 討論與結(jié)論

根據(jù)水稻插秧機(jī)變速箱各部件間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動關(guān)系，利用UG 6.0軟件建立變速箱的3D裝配幾何模型.采用LMS virtual-lab軟件通過局部柔性化建立了變速箱的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過對株距變速箱的動態(tài)仿真分析，由BDF算法得到了在各擋位下虛擬樣機(jī)參與扭矩傳遞的齒輪仿真速度與理論計(jì)算速度的擬合情況和齒輪系統(tǒng)嚙合力的頻譜特性，由各軸的理論角速度與仿真角速度值誤差很小，表明了虛擬樣機(jī)模型設(shè)計(jì)的合理性；通過模態(tài)分析獲得了各軸在各階振動頻率下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況.在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要注意在殼體與殼體的連接部位和殼體與軸承的連接部位位置適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時在固定點(diǎn)位置以及殼體非連接部位可以適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以節(jié)省材料，進(jìn)而改善株距變速箱的設(shè)計(jì)質(zhì)量和動力學(xué)特性.由于變速箱內(nèi)的齒輪長時間處于交變載荷的作用，容易產(chǎn)生各種意外失效，因此株距變速箱性能直接影響到插秧機(jī)的使用效果和服役壽命，因此對株距變速箱動力總成結(jié)構(gòu)的進(jìn)行動力學(xué)研究具有非常重要的價值.

[1] 申永軍,楊紹普,李偉.齒輪系統(tǒng)非線性動力的研究進(jìn)展及展望[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2005,18(4):5-11

[2] 王雁.基于ADAMS的變速箱齒輪的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真[J].制造業(yè)自動化,2011,33(3):111-112

[3] 馮濤,丁航,李重伯.基于RecurDyn的擺線泵剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真分析[J].機(jī)械傳動,2014,36(8):132-135

[4] 胡相翠,許良元,邵陸壽,等.適應(yīng)深泥腳的插秧機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(10):80-82

[5] Fabrizio Mazzetto,Aldo Calcante.Highly automated vine cutting transplanter based on DGNSS-RTK technology integrated with hydraulic devices [J].Computers and Electronics in Agriculture,2011,79(1):20-29

[6] 鮑和云,朱如鵬,靳廣虎,等.間隙對兩級星型齒輪傳動動態(tài)特性的影響研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2009,28(1):102-107

[7] 王四林.多平行齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性分析[J].機(jī)械傳動,2012,36(8)：93-95[8] 翟正錕,崔俊杰,李紅梅,等.鵝頸式半掛車車架有限元模態(tài)及諧響應(yīng)分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,49(2):160-164

[9] 孫志娟,戴京濤.飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真研究[J].制造業(yè)自動化,2014,36(7):97-100

[10] 王昕,魏宏安,胡忠強(qiáng),等.4U-1400型薯類收獲機(jī)機(jī)架有限元分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,50(2):171-174

[11] 吳雄喜,高奇峰,李澤松.雙離合器自動變速器換擋控制與動力學(xué)分析[J].世界科技研究與發(fā)展,2015,37(4):346-351

[12] 高奇峰,朱金芳,吳雄喜.雙離合器自動變速器起步控制與仿真[J].世界科技研究與發(fā)展,2015,37(3):222-225

(責(zé)任編輯 胡文忠)

Simulation on dynamic characteristics of rice planter transmission based on LMS Virtual.lab

LIU Wen-ke1,HE Ping-ji2

(1.Department of Marine Engineering,Jiangsu Maritime College,Nanjing 211100,China; 2.Inner Mongolia University of Technology,Huhehaote 010051,China)

【Objective】 To study and improve the rice planter transmission powertrain.【Method】 The virtual prototyping and dynamic simulation technology was used to carry out simulation studies on spacing gearbox multi-body dynamic characteristics according to its topology structure and movement relations based on LMS Virtual.lab software.A multi-body dynamics rigid-flexible coupling simulation model was created by local flexible processing of gearbox shaft and gearbox housing in LMS Virtual.lab software.Fitting case of the simulation speed and theoretical value of virtual prototype participate in each gear torque transmission was acquired using BDF method,as well as the spectral characteristics of the gear system meshing force and the stress and strain distribution of the axis under each vibration frequency stage.【Result】 In box structure design attention should be paid to connection parts between the shell and shell,the shell and bearing to properly strengthen the structure strength and the fixed position and disconnected part of shell can reduce the structural strength to save material appropriately.【Conclusion】 Dynamics modeling and simulation of rice planter transmission powertrain were implemented successfully.

rice planter；LMS Virtual.lab；multi-body dynamics；rigid-flexible coupling；spectrum characteristics；planting distance；transmission

劉文科(1979-)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)及變速器研究.E-mail:liuc0y@163.com

何平基，男，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì).E-mail:hanw_hong@163.com

江蘇省現(xiàn)代技術(shù)研究項(xiàng)目(2014-R-32213);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011BS0708).

2015-08-29；

2015-09-21

TP 242

A

1003-4315(2016)05-0126-06