寬幅播種機(jī)折疊機(jī)架的模態(tài)分析

李海亮，汪 春，胡 軍，孫海天，嚴(yán)曉麗，梁 琦

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319)

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寬幅播種機(jī)折疊機(jī)架的模態(tài)分析

李海亮，汪 春，胡 軍，孫海天，嚴(yán)曉麗，梁 琦

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319)

為了得到寬幅播種機(jī)折疊機(jī)架的振動(dòng)特性，驗(yàn)證機(jī)架的設(shè)計(jì)是否合理，以自主研發(fā)的2BMZ-13型氣吸式免耕精量播種機(jī)折疊機(jī)架為研究對(duì)象，進(jìn)行了模態(tài)振動(dòng)分析。采用三維建模軟件Pro/E和有限元仿真分析軟件ANSYS Workbench建立機(jī)架的有限元模型，通過(guò)模態(tài)分析模塊得出機(jī)架前6階振型的固有頻率、振動(dòng)方向和極值等振動(dòng)特性，輸出各階的振形圖，并將仿真分析結(jié)果與外激頻率進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：折疊機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)架固有頻率沒(méi)有發(fā)生重疊且避開(kāi)了外激頻率，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。本研究對(duì)提高播種機(jī)的播種精度、延長(zhǎng)播種機(jī)的使用壽命具有重要意義。

播種機(jī)；寬幅折疊機(jī)架；模態(tài)分析；有限元

0 引言

播種機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在工作和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中常伴有不規(guī)則的振動(dòng)和擺動(dòng)，如果外部激勵(lì)頻率與播種機(jī)機(jī)架某階固有頻率重合，則會(huì)引起機(jī)架發(fā)生共振，導(dǎo)致整機(jī)使用壽命縮短、工作穩(wěn)定性降低及工作精度下降等不良現(xiàn)象[1-2]。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)自主研制的2BMZ-13型精密播種機(jī)可以?huà)旖?3個(gè)播種單體，其較大的幅寬在提高工作效率的同時(shí)也增加了共振現(xiàn)象發(fā)生的可能。因此，為了驗(yàn)證機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性，保證該型號(hào)播種機(jī)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性和適應(yīng)性，需要對(duì)播種機(jī)折疊機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析。

有限元分析法進(jìn)行模態(tài)分析可以有效提高分析的精度和可靠性，在農(nóng)用機(jī)架模態(tài)分析的過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。李耀明對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為降低聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)振動(dòng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)[3]。徐良和王艷曉對(duì)玉米播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，研究結(jié)果為進(jìn)一步的減振設(shè)計(jì)提供了參考[4]。陳樹(shù)人通過(guò)ANSYS軟件對(duì)噴霧機(jī)機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，從而得出避免機(jī)架發(fā)生共振的方案[5]。王艷曉對(duì)山地小型玉米播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果對(duì)提高播種機(jī)工作的穩(wěn)定性和播種均勻性具有重要意義[6]。劉選偉對(duì)深松機(jī)機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果為機(jī)架的改進(jìn)提供了依據(jù)[7]。以上研究在機(jī)架模態(tài)分析方向上取得了一定的進(jìn)展，但都是針對(duì)固定式機(jī)架，沒(méi)有對(duì)折疊機(jī)架的模態(tài)分析進(jìn)行過(guò)研究。

本研究以2BMZ-13型氣吸式免耕精量播種機(jī)折疊機(jī)架為研究對(duì)象，采用三維建模軟件Pro/E對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模，通過(guò)ANSYS Workbench進(jìn)行模態(tài)分析，將分析結(jié)果與工作激振和路面激振進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。分析機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性對(duì)避免共振現(xiàn)象的發(fā)生、提高播種機(jī)的工作精度、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命具有重要的意義。

1 建立機(jī)架有限元模型

1.1 三維模型的建立

折疊機(jī)架沿播種機(jī)前進(jìn)方向長(zhǎng)為2 509mm，寬為8 800mm，主要由主機(jī)架、副機(jī)架、液壓固定支架、四桿固定支架、液壓油缸和其他輔助構(gòu)件組成，如圖1所示。折疊機(jī)架由矩形方管鋼材、圓管鋼材進(jìn)行焊接和鉸接而成。

本文采用三維建模軟件Pro/E對(duì)機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模和裝配仿真。設(shè)定折疊機(jī)架的材料為 Q235 結(jié)構(gòu)鋼(密度為7.81×103kg/m3，泊松比為0.30，彈性模量為2.1×105MPa)。建模過(guò)程中，為了提高模態(tài)分析的運(yùn)行速度和計(jì)算精度，在不影響整體結(jié)構(gòu)和最終分析結(jié)果的前提下，忽略焊接對(duì)機(jī)架特性的影響及部分小的倒角、裝飾件、工藝孔[8-9]，最終建立的折疊機(jī)架三維模型如圖2所示。

1.副機(jī)架 2.平行四桿機(jī)構(gòu) 3.液壓油缸 4.油缸固定架 5.四桿固定架 6.主機(jī)架圖1 折疊機(jī)架總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of folding frame

1.液壓固定支架 2.四桿固定架 3.主機(jī)架 4.液壓油缸 5.四桿 6.副機(jī)架圖2 折疊機(jī)架總體裝配圖Fig.2 General assembly drawing of folding frame

1.2 有限元模型的建立

有限元法的基礎(chǔ)是用有限個(gè)單元體的集合來(lái)代替原有的連續(xù)體[10]，因此在進(jìn)行模態(tài)分析前應(yīng)將有限元模型劃分為有限個(gè)單元組成的離散體，通過(guò)劃分網(wǎng)格可以實(shí)現(xiàn)這一目的。本文采用shell63單元?jiǎng)澐帜Ｐ偷木W(wǎng)格，網(wǎng)格形狀為四邊形。定義機(jī)架網(wǎng)格尺寸為50mm，為了提高有限元分析結(jié)果的精度，設(shè)定銷(xiāo)釘?shù)葢?yīng)力集中位置的網(wǎng)格尺寸為10mm。經(jīng)網(wǎng)格劃分，將模型劃分為390 935個(gè)單元和614 641個(gè)節(jié)點(diǎn)。機(jī)架

的有限元模型如圖3所示。

合理的定義裝配和約束關(guān)系直接關(guān)系著有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照實(shí)物中各部件間的裝配關(guān)系，對(duì)機(jī)架模型添加約束。為了固定折疊機(jī)架，約束主機(jī)架的全部自由度且防止油缸在X軸方向上產(chǎn)生位移，通過(guò)Displacement工具約束油缸UX方向上的平動(dòng)自由度[11]。

播種機(jī)機(jī)架采用三點(diǎn)懸掛式掛接方式，主體為承載式矩形框架結(jié)構(gòu)，機(jī)架承受的載荷主要包括機(jī)架自重MJ、播種單體自重MD和播種機(jī)滿(mǎn)載情況下種肥的質(zhì)量MZ。通過(guò)在軟件中對(duì)機(jī)架添加質(zhì)量和重力加速度，可以得到機(jī)架自重和播種單體自重之和MJ+MD=6 126.9N。通過(guò)對(duì)三維模型的測(cè)量可知：播種機(jī)種箱和肥箱的容積分別為0.017m3和0.320m3；查閱文獻(xiàn)可知[12]：化肥的堆密度為900kg/m3，玉米種子的容重為663kg/m3。通過(guò)質(zhì)量密度公式計(jì)算可得：播種機(jī)滿(mǎn)載情況下種肥的質(zhì)量MZ=3 153.7N。

由此可知：副機(jī)架所受載荷M=MJ+MD+MZ=9 280.6N，作用在副機(jī)架的重心上，在ANSYS Workbench中得到重心坐標(biāo)為(-1.1,0.33,-3.19)。為了增強(qiáng)仿真分析的可靠性，在機(jī)架上施加大小為10 000N、方向豎直向下的遠(yuǎn)端載荷，如圖4所示。

圖3 折疊機(jī)架的網(wǎng)格劃分Fig.3 The dividing mesh of folding frame

圖4 對(duì)折疊機(jī)架添加遠(yuǎn)程載荷Fig.4 Add remote load for folding form

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)計(jì)算分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的振動(dòng)特性，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可表示為階固有振型的線性組合，低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響程度比高階振型大[13]，因此在Modal模塊下采用Lanczons方法只對(duì)機(jī)架前6階固有頻率進(jìn)行分析，得出折疊機(jī)架前6階頻率變化相對(duì)應(yīng)的振型圖，如圖5所示。通過(guò)對(duì)振型圖的分析，得出折疊機(jī)架各階模態(tài)的固有頻率、方向、極值和振型等振動(dòng)特性，如表1所示。

圖5 機(jī)架數(shù)值模態(tài)分析振型圖Fig.5 Mode shapes from numerical modal analysis表1 機(jī)架前6階模態(tài)分析結(jié)果 Tab1le The front 6 order analysis results of the frame

模態(tài)頻率/Hz模態(tài)主方向最小值位置最大值位置主陣型特征15.4426X軸平動(dòng)模態(tài)主機(jī)架副機(jī)架副機(jī)架在Y軸方向彎曲28.0822Z軸平動(dòng)模態(tài)主機(jī)架副機(jī)架副機(jī)架在X軸方向彎曲316.8660Y軸平動(dòng)模態(tài)主機(jī)架副機(jī)架副機(jī)架在Y軸方向扭轉(zhuǎn)422.4850X軸轉(zhuǎn)角模態(tài)主機(jī)架四桿折疊機(jī)構(gòu)副機(jī)架在X軸方向扭轉(zhuǎn)530.2330Y軸轉(zhuǎn)角模態(tài)主機(jī)架四桿折疊機(jī)構(gòu)副機(jī)架在Z軸方向扭轉(zhuǎn)641.9460Z軸轉(zhuǎn)角模態(tài)主機(jī)架四桿固定支架四桿固定支架在Y軸方向

2.2 結(jié)果分析

由機(jī)架模態(tài)分析的結(jié)果可知：機(jī)架前6階模態(tài)頻率范圍分布在5.4～41.9Hz之間，隨階數(shù)的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，并且各模態(tài)頻率之間存在較大差距，避免了共振疊加的可能。

播種機(jī)機(jī)架主要承受的外部激勵(lì)分為工作激振和路面激振兩種，通過(guò)查閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)可知，播種機(jī)工作激振頻率一般在6～7Hz[14]。對(duì)比機(jī)架前6階模態(tài)分析結(jié)果，機(jī)架工作的激振頻率與機(jī)架的固有頻率沒(méi)有重疊，因此并不會(huì)引起共振。

播種機(jī)在行駛的過(guò)程中的路面激振主要由路面不平度引起，在田間相對(duì)較好的路面上行駛時(shí)，激振頻率一般低于3Hz[15-16]。在路面情況負(fù)載的狀態(tài)下行駛時(shí)，路面激振頻率與路面不平度及車(chē)速密切相關(guān)，可以通過(guò)時(shí)間頻率公式(1)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為F=26.4Hz，避開(kāi)了機(jī)架的固有頻率。

F=V/(3.6λ)

(1)

式中v—車(chē)速，v=30km/h；

λ—路面不平波長(zhǎng)，λ=0.32m。

由此可知：在有外界干擾的情況下，機(jī)架的固有頻率避開(kāi)了播種機(jī)工作激振頻率和路面最高激勵(lì)頻率，避免了播種機(jī)在工作和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生共振疊加。

3 結(jié)論

在分析2BMZ-13型氣吸式免耕精量播種機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用三維建模軟件Pro/E建立機(jī)架的三維模型。在ANSYS Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析，確定了機(jī)架前6階模態(tài)的固有頻率和振型特征，并與機(jī)架所受的外激頻率進(jìn)行對(duì)比。分析結(jié)果顯示：前6階固有模態(tài)范圍為5.9～41.9Hz，各頻率間沒(méi)有發(fā)生重疊，且避開(kāi)了工作激振頻率6～7Hz和路面最高激勵(lì)頻率F=26.4Hz，證明了該型號(hào)播種機(jī)的折疊機(jī)架設(shè)計(jì)合理，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

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Abstract： In order to get the vibration performance of the broad width planter's folding frame, verify the rationality of the design, the mode analysis of the innovative designed 2BMZ-13 type planter's folding frame was carried out. The 3D modeling software Pro/E and the finite element simulation analysis software ANSYS Workbench was applied to established the finite element model of frame, the vibration performance such as inherent frequency, vibration direction and extremum.etc were obtained by modal analysis module, and the comparison between simulation analysis and external excitation frequency was conducted. The results prove that the structure design of folding frame is reasonable, frame frequencies without overlap and avoids the external excitation frequency,avoiding the resonance.This study can help improve the seeding precision, prolonging the service life of the seeder.

ID:1003-188X(2017)06-0060-EA

Modal Analysis of Folding Frame for Broad Width Planter

Li Hailiang, Wang Chun, Hu Jun, Sun Haitian, Yan Xiaoli, Liang Qi

(Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

planter; broad width; modal analysis; finite element

2016-05-17

黑龍江省農(nóng)墾總局項(xiàng)目(HNKXIV-10-04a)；"十二五"國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B00)

李海亮(1987-)，男，黑龍江大慶人，博士，(E-mail)1017677002@qq.com。

胡 軍(1972-)，男，黑龍江大慶人，副教授，博士。

S223.3；S220.3

A

1003-188X(2017)06-0060-04