苜蓿壓扁試驗臺設計及其機架模態(tài)分析

凌旭，趙春花

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業(yè)大學 機電工程學院）

0 引言

苜蓿是一種分布范圍廣泛、栽培面積大、經(jīng)濟價值量高的優(yōu)良飼草，因其良好的適口性和豐富的營養(yǎng)價值，更被譽為“牧草之王”[1]。苜蓿蛋白質含量分布不均勻，總體呈現(xiàn)“葉多莖少，上多下少”的分布[2]。研究表明，在收獲的過程中，通過機械壓扁機構壓裂搓揉過的苜蓿植株比普通未經(jīng)過壓扁的苜蓿植株干燥速度快，干燥效果較明顯，粗蛋白的損失率可降低2.4%[3-6]，壓扁裝置在割草壓扁機中起著至關重要的作用。

為了有效減少苜蓿壓扁后的營養(yǎng)損失，提高干草質量，通過分析影響壓扁效果的各種因素，設計了一種可移動式苜蓿壓扁試驗臺，可以方便地模擬實際苜蓿壓扁過程，分析各因素對苜蓿壓扁的影響。

1 試驗臺設計

1.1 組成結構

試驗臺總體結構如圖1 所示，主要由機架、電機、轉速傳感器、剎車輪、上下壓輥、雙鏈輪、張緊輪、V 型浮動架、前調節(jié)裝置、后調節(jié)螺桿、彈簧、喂料機構等組成。

1.2 工作原理

研究表明，在壓扁過程中，苜蓿壓扁效果主要受到壓輥間隙、彈簧的初始拉力、壓扁輥轉速、喂入量等因素的影響[7]。在本試驗臺中，上壓輥設置在V 型浮動架上，V 型浮動架一端采用鉸接固定，一端放置在前調節(jié)裝置中的滑塊上，通過后調節(jié)螺桿推動浮動架轉動，實現(xiàn)壓扁間隙粗調節(jié)，再通過前調節(jié)裝置中的螺桿調節(jié)滑塊位置，實現(xiàn)壓輥間隙精調節(jié)[8]。改變彈簧的初始拉力可以通過采用不同規(guī)格的彈簧來實現(xiàn)。喂入量的大小受到機具前進速度、苜蓿田間密度等因素的影響。試驗臺中的喂入機構是一種速度可調的傳送帶，傳送帶的運輸速度用來模擬機具前進速度，苜蓿均勻分布在傳送帶上表示苜蓿田間密度，試驗時可以改變傳送帶的速度和苜蓿分布厚度來改變喂入量的大小。試驗臺通過電機帶動壓輥轉動實現(xiàn)工作，調整電機轉速實現(xiàn)壓輥轉速調節(jié)。整個試驗臺裝有剎車輪，可方便地進行移動。

圖1 壓扁試驗臺結構示意圖Fig.1 Structure diagram of flattening test bench

2 機架模態(tài)分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

在SolidWork 中建立壓扁試驗臺機架的三維模型，其主要由方管與角鐵焊接而成，為提高模態(tài)分析的運算速度，對模型進行如下簡化處理：機架材料被認為是各向同性的，密度分布均勻，且焊接對機架整體性能的影響都忽略不計；將焊縫和各部件看作一個整體，V 型浮動架上裝配用的孔均忽略不計；刪除后調節(jié)螺桿、螺母、定位銷、剎車輪等對機架模態(tài)分析影響很小的零部件。完成后直接進入Simulation 分析中。機架規(guī)格（長×寬×高）1 200 mm×420 mm×900 mm，選用Q235 鋼材質，材料屬性如下：Q235 鋼彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為235 MPa。劃分網(wǎng)格時,選用高品質基于曲率的網(wǎng)格器進行自動網(wǎng)格劃分，采用實體網(wǎng)格類型，劃分結果如圖2 所示，整個模型有20 563 個單元數(shù)，40 603 個節(jié)點數(shù)。

2.2 施加約束

根據(jù)試驗臺機架的裝配方式和工作情況，機架與地面的接觸部分起固定支撐作用。模態(tài)分析時在機架底部設置固定約束。V 型浮動架一端采用鉸接與機架固定連接，因此，該處設置固定鉸鏈約束，另一端搭在滑塊上，在浮動架與滑塊的接觸部分設置面與面的接合約束。工作過程中，通過后調節(jié)螺桿推動浮動架轉動，因此，在接觸處設置點與面無穿透接觸約束。本次模態(tài)分析主要是求得試驗臺機架固有自身頻率，振動視為無阻尼自由振動，因此不需要添加其它的外載荷。約束設置如圖3 所示

圖2 試驗臺機架網(wǎng)格化Fig.2 Test bench rack meshing

圖3 約束設置Fig.3 Constraint set

2.2 結果分析

由于低階振動對結構的動態(tài)特性影響較大，且結合試驗臺實際工作情況，提取非0 的前10階模態(tài)振型和頻率進行分析即可。機架的固有頻率及振型見表1，相對應各階振幅如圖4 所示，振型云圖如圖5 所示。

表1 試驗臺機架固有頻率及振型Tab.1 Natural frequency and vibration mode of test bench rack

從試驗臺機架模態(tài)分析前10 階固有頻率的模態(tài)振型結果（表1、圖4、圖5）可以看出，試驗臺工作過程中，機架的變形主要表現(xiàn)為波動和扭轉，可見對機架的剛度和強度有較高要求。機架的前10 階固有頻率在151.83～269.09 Hz 之間，范圍集中，固有頻率值呈現(xiàn)依次遞增趨勢，但振幅沒有規(guī)律可言，表現(xiàn)出模態(tài)分析無阻尼振動的隨機性。而機架在第4 階固有頻率186.77 Hz 處出現(xiàn)最大振幅為1.461 mm，主要是機架上端橫梁沿Z 軸上下波動,前橫梁波峰向上，后橫梁波峰向下，最大振幅出現(xiàn)在后橫梁中間部位（圖5（d））；同時，在第2 階固有頻率180.44 Hz 處出現(xiàn)第2大振幅1.41 mm，振型同樣是機架上端橫梁沿Z軸上下波動，但前后橫梁波峰都是向上，前橫梁中間部位振幅較大（圖5（b）），這兩個地方發(fā)生振動，將影響機架形狀及壓輥試驗效果。與第1，6，7，8，9，10 階頻率相比，第3，5 階頻率處振幅同樣較為明顯，主要表現(xiàn)為機架上端橫梁沿Z 軸上下波動，最大振幅為1.347 mm（圖5（c））、機架上端后橫梁沿Z 軸上下波動，最大振幅為1.322 mm（圖5（e）），這兩階振型同2，4 階振型基本相同，都會導致機架發(fā)生變形，影響試驗效果。相比第1、10 階頻率，第6，7，8，9 階頻率處振幅也較明顯，發(fā)生的主要振型基本相同，主要變形是機架下橫梁沿Z 軸上下波動（圖5（f，g，h，i）），而第1 階頻率處發(fā)生的主要變形為機架前端沿X軸扭（圖5（a）），第10 階頻率處主要變形體現(xiàn)了機架空間特性，機架橫梁沿Z 軸上下波動和左右機架沿X 軸扭轉（圖5（j））。總體來看，除第10 階頻率下機架出現(xiàn)了整體變形，其他頻率下，機架都沒有出現(xiàn)整體變形，只是局部的波動；第2，3，4，5 階頻率處不僅整體變形基本相同，主要都是機架上橫梁沿Z 軸上下波動，而且振幅也基本接近，差距很小；第6，7，8，9 階頻率處也是基本振型相同，振幅相差不大。

圖4 前10 階固有頻率及對應振幅Fig.4 The first 10 natural frequencies and corresponding amplitudes

圖5 機架前10 階模態(tài)云圖Fig.5 The first ten order vibrational modal diagram

模態(tài)分析反映出了該試驗臺機架的各階固有頻率，為試驗臺的安全工作提供參考，在實際試驗中，各部件的工作頻率應避免與機架的各階固有頻率相靠近，以免引發(fā)機架與工作部件產生共振現(xiàn)象，影響作業(yè)安全。

3 外部激勵頻率分析

通過對試驗臺機架進行外部激勵頻率分析，確定其各階固有頻率與外界動載荷所產生的頻率不一致，從而有效避免共振的發(fā)生，確保試驗臺安全穩(wěn)定工作。根據(jù)試驗臺實際工作情況，其機架會受到來自地面、壓扁輥、電機等外部激振的影響，現(xiàn)將各激振頻率分析如下：路面激振由道路平整度決定，試驗臺可以在室內或室外工作，其作業(yè)時認為機架與地面完全接觸，故激振頻率可認為是0 Hz；根據(jù)設計試驗臺電機的轉速為900～1 200 r/min，激振頻率為15～20 Hz；實際工作中，苜蓿輸送到壓扁裝置中，壓扁輥相對轉動進行壓扁工作，其轉速為500～700 r/min，激振頻率為8.33～11.67 Hz。將試驗臺機架受到的各外部激振頻率與分析計算出的自身固有頻率對比分析可以得出：機架最低頻率為151.83 Hz，各外部激振頻率遠比其小，不會發(fā)生共振現(xiàn)象，對機架安全性沒有影響，試驗臺可以安全穩(wěn)定地作業(yè)。

4 結論

結合苜蓿壓扁效果的影響因素:壓輥間隙、彈簧的初始拉力、壓扁輥轉速、喂入量等，設計了一種苜蓿壓扁試驗臺，該試驗臺可以方便地進行壓扁間隙調節(jié)、壓扁輥轉速設置、調整喂入量大小，并且機架底部裝有剎車輪，可以方便地進行移動。

在SolidWork Simulation 中對試驗臺機架進行模態(tài)分析，結果表明：機架前10 階固有頻率范圍在151.83～269.09 Hz，機架在第4 階固有頻率186.77 Hz 處出現(xiàn)最大振幅為1.461 mm，在第2 階固有頻率180.44 Hz 處出現(xiàn)第2 大振幅1.41 mm。整體而言，除第10 階頻率下機架出現(xiàn)了整體變形，其他頻率頻率下，機架都沒有出現(xiàn)整體變形，只是局部的波動；第2，3，4，5 階頻率處變形基本相同，第6，7，8，9 階頻率處振型基本相同。外部激勵頻率分析顯示，各外部激振頻率遠比機架最低頻率151.83 Hz 小，因此不會發(fā)生共振現(xiàn)象，對機架安全性沒有影響，試驗臺可以安全穩(wěn)定地作業(yè)。