三點懸掛尖鏟式小麥播種機機架振動特性分析

顧麗春+果霖+李歡

摘要：采用機械均勻播種小麥?zhǔn)墙鉀Q傳統(tǒng)播種方法播種密度不均勻而導(dǎo)致小麥群體過大、易倒伏、穗粒小等問題的重要措施，但是由于種種問題，機械播種的均勻度很難得到保證，其中播種機機架的振動是重要的影響因素之一。使用Solidworks建立機架的參數(shù)化模型并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析結(jié)果表明：機架低階模態(tài)振頻的范圍是11.535～43.843 Hz；當(dāng)尖鏟受到的簡諧載荷作用的頻率為13.2～15.1 Hz 和22.9～25.1 Hz時，其變形響應(yīng)最大，作業(yè)過程中可以通過調(diào)整作業(yè)速度來避開模態(tài)的振頻和簡諧載荷的相應(yīng)頻率來保證機架的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：尖鏟式小麥播種機；預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；ANSYS Workbench

中圖分類號：S223.2+2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2017）01-0214-03

小麥?zhǔn)俏覈钪饕募Z食作物之一，為了提高小麥的產(chǎn)量，傳統(tǒng)種植技術(shù)多以增加肥料、水分，提高播種密度等措施為主要方法，傳統(tǒng)方法使小麥群體過大，進而不能得到充分的光照，導(dǎo)致了小麥易倒伏、穗粒小等問題[1-2]。優(yōu)化傳統(tǒng)種植方法的重要措施就是采用機械完成小麥的播種工作，但是由于種種問題，小麥播種機在實現(xiàn)均勻精密播種上存在一定問題[3]。

小麥播種機一般通過三點懸掛裝置安裝在拖拉機上，在播種的過程中，播種滾筒的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生一定的振動；開溝尖鏟進行破土?xí)r，由于土壤的堅實度不同，會對尖鏟形成周期作用載荷[4]。

本研究使用ANSYS Workbench對某型號三點懸掛尖鏟式小麥播種機機架進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到其模態(tài)特性和在簡諧載荷作用下的變形響應(yīng)，為小麥播種機性能的評價及其優(yōu)化設(shè)計提供一定的依據(jù)。

1 小麥播種機機架模型

小麥播種機機架由方鋼管焊接而成，本研究的機架主要有支撐架和開溝尖鏟組成，支撐架的寬度是460 mm，其長度為1 600 mm。利用Solidworks根據(jù)機架的具體尺寸建立支撐架和尖鏟的參數(shù)化模型，并將它們組裝到一起，形成裝配體，將裝配體導(dǎo)入到ANSYS Workbench中作為后續(xù)的分析模型，如圖1所示。

支撐架的材料為45號鋼，在ANSYS Workbench中提供了這種材料的模型，可以直接調(diào)用[5]；尖鏟采用的是灰鑄鐵，將其材料特性按照表1所示的參數(shù)進行調(diào)整。

2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

2.1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動特性包括振頻和振型，對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，能得到其振動特性，避開外界干擾頻率，進而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生[6]。

模態(tài)分析又可以分為自由模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。與預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析相比，自由模態(tài)不考慮結(jié)構(gòu)受到的約束和載荷，而預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析考慮結(jié)構(gòu)受到的約束和載荷，其分析結(jié)果更加準(zhǔn)確[7]。

2.2 求解預(yù)處理

對幾何模型劃分網(wǎng)格是有限元分析的必要步驟之一，網(wǎng)格單元的質(zhì)量將直接影響后續(xù)分析過程的速度以及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于立體幾何模型來說，單元的形狀主要有四面體和六面體，單元的形狀越不規(guī)則，其求解的誤差就會越大[5]。本研究利用ANSYS Workbench提供的自動網(wǎng)格劃分的方法對幾何模型進行劃分，并控制單元小于6 mm，劃分完網(wǎng)格的幾何模型共含有10 775 96個節(jié)點和58 979 4個單元。

小麥播種機工作時，機架是通過三點懸掛式機構(gòu)安裝在拖拉機上的，本研究在機架三點懸掛機構(gòu)的孔上施加3個圓柱約束，模擬其工作時受到的約束情況。

2.3 結(jié)果分析

由于小麥播種機受到外界干擾的頻率一般較低，根據(jù)實際需求求解機架前六階模態(tài)，前六階模態(tài)的振頻在11.535～43.843 Hz之間（表2）。

從機架第一階模態(tài)振型云圖（圖2）中可以看出，三點式懸掛機構(gòu)的變形不大，最大的變形出現(xiàn)在機架的尾部和落種滾筒的安裝位置上；整體變形關(guān)于中心面成對稱分布。

從機架的第二階模態(tài)振型云圖（圖3）中可以看出，支撐架的前部和懸掛機構(gòu)的變形較小，最大的變形出現(xiàn)在支撐架的后部，尤其出現(xiàn)在種子斗的中間位置，整個機架的變形關(guān)于中心面成對稱分布。

從機架的第三階模態(tài)振型云圖（圖4）中可以看出，機架整體的變形成波浪狀，最大的變形出現(xiàn)在支撐架的尾部和種子斗的邊緣。

從機架的第四階模態(tài)振型云圖（圖5）中可以看出，機架的兩端都出現(xiàn)了上翹，最大的變形位置出現(xiàn)在種子斗的中部。

從機架的第五階模態(tài)振型云圖（圖6）中可以看出，最大變形出現(xiàn)在了邊緣位置的開溝尖鏟上，整個機架都發(fā)生了較大扭曲。

從機架的第六階模態(tài)振型云圖（圖7）中可以看出，最大的變形出現(xiàn)在開溝尖鏟上，機架其他部分的變形較小。

3 諧響應(yīng)分析

在模態(tài)振型云圖中， ANSYS Workbench默認(rèn)的是關(guān)于質(zhì)量矩陣歸一化的模態(tài)，圖中所示的數(shù)值大小并不是真實的位移尺寸，只是個點位移的比值[8-9]。為了得到機架更加準(zhǔn)確的振動特性，需要對機架進行諧響應(yīng)分析，得到機架在一個頻率范圍中頻率與位移的關(guān)系。

3.1 諧響應(yīng)分析預(yù)處理

由上一部分的模態(tài)分析可知，前六階模態(tài)的振頻范圍是11.535～43.843 Hz，在開溝的過程中，由于播種機行進的速度較慢，所以其受到的簡諧作用載荷的頻率一般較小，所以將作用在犁鏟上的載荷頻率的最大值設(shè)置為30 Hz，最小頻率設(shè)置為0 Hz，大小設(shè)置為0.1 MPa，作用在開溝尖鏟的上表面上。

3.2 求解與結(jié)果分析

通過諧響應(yīng)分析可以得到多種關(guān)于簡諧載荷頻率的變化曲線，如頻率-應(yīng)力響應(yīng)曲線、頻率-應(yīng)變響應(yīng)曲線、頻率-加速度響應(yīng)曲線、頻率-變形響應(yīng)曲線等，本研究主要考察小麥播種機機架的振動變形情況來評價小麥播種機的性能，所以只對機架的頻率-變形響應(yīng)曲線進行研究。

圖8是載荷頻率與機架在x方向上的變形響應(yīng)曲線，可以看出當(dāng)載荷頻率范圍在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz內(nèi)時機架在x方向上出現(xiàn)較大變形響應(yīng)，其相應(yīng)的最大變形量為43.02 mm。

圖9是載荷頻率與機架在y方向上的變形響應(yīng)曲線，可以看出當(dāng)載荷頻率范圍在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz內(nèi)時機架在y方向上出現(xiàn)較大變形響應(yīng)，其相應(yīng)的最大變形量為44.21 mm。

圖10是載荷頻率與機架在z方向上的變形響應(yīng)曲線，可以看出當(dāng)載荷頻率范圍在11.2～18.9Hz內(nèi)時機架在z方向上出現(xiàn)較大變形響應(yīng)，其相應(yīng)的最大變形量為 2.54 mm。

4 結(jié)論

從上述的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析中得到如下結(jié)論：為了保證小麥播種機的正常工作，外界對其作用的干擾頻率要避開其模態(tài)振頻的頻率，如11.535 Hz、43.843 Hz；當(dāng)作用在尖鏟上的簡諧載荷的頻率在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz范圍內(nèi)時，機架會產(chǎn)生較大的變形響應(yīng)，在播種過程中應(yīng)該調(diào)整播種機的前進速度，避免出現(xiàn)上述頻率的簡諧載荷。

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