1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

嚴(yán)曉麗，何馮光，李 明※，葛 暢，董學(xué)虎，韋麗嬌，黃偉華，牛釗君

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163000）

0 引言

深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架是承載傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕裝置、深松裝置的關(guān)鍵部件，受多個(gè)載荷的共同作用。工作狀態(tài)下機(jī)架還承受各種激勵(lì)載荷，當(dāng)各種激振的頻率與機(jī)架的某階固有頻率相近時(shí)，會(huì)引起強(qiáng)烈振動(dòng)甚至共振，機(jī)架易發(fā)生疲勞破壞[1,2]。因此，研究機(jī)架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，對(duì)提高深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)的可靠性及深松旋耕效果具有重要意義。

結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性是近幾年農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)，采用有限元分析方法分析機(jī)架、箱體類(lèi)等結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究較多[3-8]。其中，機(jī)架動(dòng)態(tài)特性的研究如郭金龍等[9]通過(guò)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，確定設(shè)計(jì)的振動(dòng)深松機(jī)機(jī)架變形小、低階模態(tài)振動(dòng)幅度較??；蔣亞軍等[10]利用ANSYS Workbench分析4SY-2.9 型油菜割曬機(jī)機(jī)架模態(tài)頻率和振型，并通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的油菜割曬機(jī)機(jī)架動(dòng)態(tài)性能良好；王冰[11]等研究了甘薯秧蔓粉碎還田機(jī)機(jī)架的前10階模態(tài)頻率和振型，模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明在正常工作狀態(tài)下，其機(jī)架固有頻率可以避開(kāi)刀輥、變速箱、拖拉機(jī)等外部激振頻率范圍，得出機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)為左右兩側(cè)板，有加強(qiáng)槽鋼的左側(cè)板振幅比無(wú)加強(qiáng)槽鋼的右側(cè)板小；為保證機(jī)架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，劉選偉等[12]分析了深松機(jī)機(jī)架前6階的固有頻率和模態(tài)振型，確定了機(jī)架的兩個(gè)側(cè)板和前橫梁是最薄弱部位；田耘等[13]通過(guò)模態(tài)分析確定了多功能旋耕機(jī)機(jī)架的機(jī)械振動(dòng)規(guī)律，指出由振動(dòng)造成相關(guān)部位的疲勞破壞，甚至斷裂等問(wèn)題。

本文采用UG軟件建立1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架模型，并進(jìn)行模態(tài)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的振動(dòng)特性，確定機(jī)架的固有頻率、振型和極值等特征，通過(guò)四因素三水平正交試驗(yàn)對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)水平組合，使機(jī)架結(jié)構(gòu)具備良好的動(dòng)態(tài)特性，減小發(fā)生共振的可能性，為甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)由機(jī)架、變速箱、深松部件、旋耕刀輥、活動(dòng)拖板、蓋板等組成，如圖1所示，可一次性完成深松、旋耕、平整等作業(yè)工序[14]，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

機(jī)具采用三點(diǎn)懸掛，拖拉機(jī)行走帶動(dòng)深松部件入土進(jìn)行深松作業(yè)，由于深松部件前置于旋耕刀輥前方，因此工作時(shí)深松部件不僅能疏松旋耕刀輥前方的深層土壤、打破犁底層，還能降低旋耕阻力[15]；拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳至變速箱動(dòng)力輸出軸，經(jīng)變速箱齒輪變速后傳送至旋耕刀輥，在蓋板的約束下，淺層土壤被旋耕刀輥切削后攜帶越過(guò)刀輥上方并向后方拋撒，經(jīng)活動(dòng)拖板阻擋落在地表并被拖平，形成虛實(shí)間隔、上虛下實(shí)、下粗上細(xì)、有利于甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育的合理耕層結(jié)構(gòu)。

圖1 1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 機(jī)架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 模型建立

1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架材料采用Q235低碳結(jié)構(gòu)鋼。梁結(jié)構(gòu)采用槽鋼，各尺寸為：前橫梁120 mm×80 mm×10 mm，后橫梁80 mm×80 mm×10 mm，縱梁50 mm×100 mm×10 mm；板結(jié)構(gòu)如鏟柄保險(xiǎn)安裝座板、側(cè)板等采用鋼板，厚度為12 mm。采用UG軟件建立機(jī)架的三維模型，如圖2所示，簡(jiǎn)化機(jī)架模型的直角、小于網(wǎng)格單元大小的孔等特征后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型材料定義為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量E= 210 GPa，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比ε=0.3，網(wǎng)格類(lèi)型采用3D四面體網(wǎng)格，單元屬性類(lèi)型定義為 CTRIA（10），單元大小為 35.5 mm。最終得到單元總數(shù)36 859，節(jié)點(diǎn)總數(shù)76 407。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 動(dòng)態(tài)特性分析

結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性一般指結(jié)構(gòu)的固有周期或頻率、振型和阻尼。1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：深松旋耕機(jī)在工作狀態(tài)下主要受變速箱、旋耕刀輥兩種激勵(lì)。變速箱的激振頻率由齒輪嚙合引起的，而旋耕刀輥的激振頻率則是由刀輥旋轉(zhuǎn)及旋耕刀切削擊打土壤引起的。

為避免機(jī)架因承受激振的頻率與固有頻率相近而引起強(qiáng)烈振動(dòng)甚至共振，從而影響整機(jī)工作可靠性，現(xiàn)對(duì)1SG-230型深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行高級(jí)仿真模態(tài)分析，研究機(jī)架振動(dòng)特性，即機(jī)架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，為機(jī)架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

對(duì)低頻響應(yīng)而言，高階模態(tài)的影響較小，因此進(jìn)行模態(tài)截?cái)?，即結(jié)合1SG-230型深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)的實(shí)際情況，取機(jī)架的前6階模態(tài)，舍棄其他高階模態(tài)。將網(wǎng)格劃分后的機(jī)架有限元模型導(dǎo)入NX Nastran 仿真求解器中進(jìn)行模態(tài)分析，選擇Lanczos解算方法，在三點(diǎn)懸掛連接處添加一個(gè)固定約束的邊界條件。求解得機(jī)架前6階振型云圖如圖3所示。分析振型云圖，得出機(jī)架各階模態(tài)的固有頻率、形變量、極值和振型等特征，如表2所示。

圖3 機(jī)架前6階振型云圖

表2 機(jī)架模態(tài)分析結(jié)果

由圖3及表2可知：2、3和6階振型的主振部位都是鏟柄保險(xiǎn)安裝座，1階振型的主振部位為側(cè)板，而鏟柄保險(xiǎn)安裝座是安裝深松鏟的位置，側(cè)板是安裝連接旋耕刀輥的位置，前6階振動(dòng)形態(tài)易造成機(jī)具兩側(cè)板和兩側(cè)鏟柄保險(xiǎn)安裝座上的連接螺栓松動(dòng)，因此，在實(shí)際作業(yè)中，這些連接應(yīng)使用彈簧墊圈，并且要經(jīng)常檢查其連接狀態(tài)。

相關(guān)研究表明，當(dāng)機(jī)架的激勵(lì)頻率與固有頻率滿足 0.75 f ＜ fi＜ 1.3 f （f 為固有頻率，Hz；fi為激勵(lì)頻率，Hz）條件時(shí)，機(jī)架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振[11]。

各外界激振頻率分析如下:

1）1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)變速箱正常工作時(shí)輸入軸的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，對(duì)機(jī)架的激勵(lì)頻率為16 Hz，輸出軸的轉(zhuǎn)速為320 r/min，對(duì)機(jī)架的激勵(lì)頻率為5.33 Hz。

2）1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)旋耕刀輥正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為260 r /min，激振頻率為4.33 Hz。

計(jì)算得共振頻率段為20.524～35.575 Hz，由此可見(jiàn)，變速箱激勵(lì)頻率接近機(jī)架發(fā)生共振的頻率段，作業(yè)過(guò)程中機(jī)架發(fā)生共振的可能性較大。因此，需要對(duì)1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提高其1階固有頻率，避開(kāi)變速箱的激勵(lì)。

3 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)動(dòng)態(tài)特性分析中1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架的 1 階固有頻率較低的問(wèn)題，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，提高機(jī)架1階固有頻率。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，把前橫梁、后橫梁、鏟柄保險(xiǎn)安裝座板、側(cè)板厚度作為設(shè)計(jì)變量，選取前橫梁A、后橫梁B、鏟柄保險(xiǎn)安裝座板C和側(cè)板D 4個(gè)因素，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇板厚水平與實(shí)際生產(chǎn)中的常用中厚板一致，每個(gè)因素取3個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平如表3所示。

將機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)做四因素三水平正交試驗(yàn)，選用 L9( 34) 正交表，得到9種試驗(yàn)方案，采用UG軟件建立9種不同設(shè)計(jì)參數(shù)機(jī)架模型，進(jìn)行模態(tài)分析和計(jì)算質(zhì)量，試驗(yàn)方案和極差分析結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素與水平

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及極差分析

分析表4極差結(jié)果可知，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)1階固有頻率影響主次為：側(cè)板D＞鏟柄保險(xiǎn)安裝座板C＞后橫梁B＞A前橫梁。為提高機(jī)架1階固有頻率，4個(gè)因素3種水平的選取分別為：A2B2C3D1，即機(jī)架整體各結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)水平組合為：前橫梁厚度10 mm，后橫梁厚度10 mm，鏟柄保險(xiǎn)安裝座板10 mm，側(cè)板厚度14 mm。可見(jiàn)，機(jī)架優(yōu)化后鏟柄保險(xiǎn)安裝座板的厚度比原厚度減少2 mm，側(cè)板的厚度比原厚度增加2 mm。機(jī)架質(zhì)量由432.08 kg減少至385.83 kg，減少了10.7%。1階固有頻率由27.365 Hz提高至34.683 Hz，計(jì)算得各結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)水平組合，機(jī)架的共振頻率段提高至26.014～45.088 Hz，共振頻率段最小值比變速箱激振頻率高10.14 Hz，減小了機(jī)架發(fā)生共振的可能性。

4 總結(jié)

1）采用UG軟件對(duì)1SG-230型甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架進(jìn)行建模及模態(tài)分析，獲得機(jī)架前6階模態(tài)的形變量、極值和振型等特征，固有頻率段為20.524～35.575 Hz，通過(guò)變速箱和旋耕刀輥激振頻率與固有頻率的對(duì)比分析，變速箱激勵(lì)頻率接近機(jī)架發(fā)生共振的頻率段，作業(yè)過(guò)程中機(jī)架發(fā)生共振的可能性較大。

2) 根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，對(duì)前橫梁、后橫梁、鏟柄保險(xiǎn)安裝座板、側(cè)板厚度進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)四因素三水平正交試驗(yàn)，確定機(jī)架整體各結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)水平組合為：前橫梁厚度10 mm，后橫梁厚度10 mm，鏟柄保險(xiǎn)安裝座板10 mm，側(cè)板厚度14 mm，1階固有頻率提高至34.683 Hz，機(jī)架質(zhì)量減少了10.7%，發(fā)生共振的可能性較小，動(dòng)態(tài)特性良好。

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