寬幅噴桿模態(tài)分析及試驗

高 翔 ，馬 俊 ，溫浩軍

（1.石河子工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院；3.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室）

0 引言

全球水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、棉花、咖啡等8種農(nóng)作物每年因病蟲害造成的產(chǎn)量損失率達(dá)42.1%，直接經(jīng)濟(jì)損失5 000億美元。目前在植物保護(hù)工作中，主要有化學(xué)防治、物理防治、生物防治和綜合防治等防治手段[1]。其中化學(xué)防治具有功效高、防治及時等特點，對于突發(fā)性大面積爆發(fā)的病蟲害，能夠及時的控制與防治[2]。

噴桿式噴霧機(jī)具有病蟲害防治效率高、效果好、作業(yè)損害率低等優(yōu)點，已逐漸成為大田作業(yè)中應(yīng)用最廣泛的植保機(jī)型。噴桿是噴桿噴霧機(jī)的主要部件,其性能好壞影響噴霧效果。噴霧機(jī)在田間作業(yè)時，噴桿受到動載荷作用的時候，噴桿發(fā)生振動，而振動會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振或者材料疲勞，從而造成噴桿的損壞，所以需要了解結(jié)構(gòu)自身的固有特性來防止共振的產(chǎn)生。本文通過有限元分析對噴桿進(jìn)行模態(tài)計算及模態(tài)試驗獲取噴桿的固有頻率，然后與激振源的頻率對比，避免噴桿共振發(fā)生斷裂。

1 寬幅噴桿模態(tài)分析

1.1 噴桿有限元模型建立

本文借助CAD軟件Solidworks建立噴霧機(jī)噴桿的幾何模型（圖1），根據(jù)設(shè)計要求噴桿幅寬為23 m，采用五段分節(jié)式對稱結(jié)構(gòu)。由于噴桿為對稱結(jié)構(gòu)，只對噴桿的一側(cè)進(jìn)行有限元分析，噴桿由大臂、小臂2段組成，共計長9 m，其中大臂長5.5 m。

圖1 噴桿三維模型

圖2 噴桿有限元模型

通過soildworks軟件將噴桿模型導(dǎo)出x_t文件，將x_t導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys17.0中（圖2）進(jìn)行分析。

1.2 材料屬性及網(wǎng)格劃分

在對噴桿劃分網(wǎng)格之前，先定義噴桿的材料屬性，噴桿材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，質(zhì)量密度ρ=7.85×103 kg/m3，彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.3。在workbench模塊對噴桿進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分時忽略倒角、裝飾件等不影響仿真結(jié)果的因素，有限元劃分元素為21 962，節(jié)點數(shù)99 719。

表1 材料屬性表

表2 前六階固有頻率

對噴桿進(jìn)行模態(tài)仿真，提取噴桿前六階固有頻率如表2所示，其中一階模態(tài)固有頻率計算值為10.32Hz，振型特點為一階彎曲；二階模態(tài)固有頻率計算值為12.037Hz，振型特點為二階彎曲；三階模態(tài)固有頻率為16.138 Hz，振型特點為一階彎曲；四階模態(tài)固有頻率為22.573 Hz，振型特點為三階彎曲；五階模態(tài)固有頻率為23.091 Hz，振型特點為三階彎曲；六階模態(tài)固有頻率為33.459 Hz，振型特點為一階彎曲、一階扭轉(zhuǎn)。

圖3 一階模態(tài)

由于輪胎具有低通濾波性，噴霧機(jī)在田間作業(yè)時受到的激勵一般小于10 Hz。該噴桿的一階模態(tài)頻率為10.32 Hz，大于10 Hz，故該噴桿結(jié)構(gòu)在田間作業(yè)時相對穩(wěn)定，不易產(chǎn)生變形。

圖4 二階模態(tài)

圖5 三階模態(tài)

圖6 四階模態(tài)

圖7 五階模態(tài)

圖8 六階模態(tài)

2 噴桿試驗?zāi)B(tài)分析

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

為了驗證有限元模型準(zhǔn)確性，需要通過模態(tài)試驗測出噴桿各階模態(tài)的頻率與計算模態(tài)的頻率進(jìn)行對比分析。

2.2 試驗儀器

圖9 數(shù)據(jù)采集儀

圖10 力錘及傳感器

試驗所用儀器包括：M+P動態(tài)測試儀1臺、PCB力錘1個、ICP三向加速度傳感器2個、PC機(jī)1臺、數(shù)據(jù)線若干。PCB力錘靈敏度為2.354 mv/EV、1號傳感器X通道102.21 mV/EV，Y通道101.85 mV/EV，Z通道101.31 mV/EV；2號傳感器X通道102.52 mV/EV，Y通道102.07 mV/EV，Z通道102.69 mV/EV。

圖11 噴桿Analyzer幾何模型

2.3 試驗過程

（1）首先在m+p international SO Analyzer軟件中建立噴桿幾何模型并定義X、Y、Z坐標(biāo)正方向。定義水平向右為X軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，垂直向里為Y軸正方向。在噴桿端點、連接點及節(jié)點處布置拾振點，本噴桿共布點33個拾振點，編輯好各點的X、Y、Z坐標(biāo)值，并連接相應(yīng)的點。按照編號用記號筆在噴桿上進(jìn)行標(biāo)記編號，加速器傳感器通過膠水粘貼在7號與15號位置。

圖12 頻響曲線和時域曲線

表3 固有頻率計算值與試驗值對比

（2）為了模擬噴桿自由狀態(tài)，用行車通過彈簧將噴桿懸吊，并且噴桿保持水平狀態(tài)。后用力錘依次敲擊各編號的的節(jié)點，每個節(jié)點敲擊3次，每次敲擊3下，共計297次。最后得到寬幅噴桿的頻響特性曲線和時域特性曲線，并得到試驗固有頻率值表。

表3列出了前六階的固有頻率計算值與試驗值的頻率誤差，誤差值在10%以內(nèi)，對比驗證了有限元模型是合理的，能夠反映噴桿各階振型。

3 結(jié)論

（1）本文通過在soildworks軟件中建立噴桿三維模型，導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行模態(tài)計算分析，得出噴霧機(jī)噴桿前六階的固有頻率計算值。

（2）為了驗證有限元模型的正確性，用模態(tài)試驗方法求出噴桿前六階固有頻率與計算模態(tài)固有頻率計算值進(jìn)行對比，并求出各階頻率誤差，各階頻率誤差值小于10%，驗證有限元模型正確可靠。該噴霧機(jī)噴桿一階固有頻率為10.32 Hz，在田間工作時大于激振源的頻率，不會發(fā)生共振造成噴桿斷裂，滿足田間作業(yè)激勵要求，驗證了噴桿設(shè)計合理性，滿足工作需求。