臥式旋耕機(jī)刀輥設(shè)計(jì)與模態(tài)分析 ①

蔣偉文， 朱向東

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

對(duì)于旋耕機(jī)的認(rèn)識(shí)我們并不陌生，它是一種耕地整地的機(jī)器，作業(yè)環(huán)境可分為旱地和水田，應(yīng)用場所不僅可以在水稻田和干旱的玉米地，而且還能在種植果蔬的果園地?？上攵?，旋耕機(jī)應(yīng)用的廣泛性和普遍性[1]。

1995年，丁為民研究了旋耕刀正切刃的設(shè)計(jì)，主要過程是計(jì)算正切刃滑切角以及彎折方程。分析了正切刃的滑切角分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)滑切角，最終求出了滑切角表達(dá)式[2]。2014年，朱留憲等首先研究了旋耕刀輥在工作時(shí)片刀刀刃端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，且計(jì)算了旋耕速度比，研究了刀片入土的條件以及拋圖的速度。再者利用仿真軟件進(jìn)行刀輥的切土仿真，得到土壤位移曲線、切削力曲線、切削扭矩曲線。優(yōu)化了刀輥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了參數(shù)[3]。2014年，彭彬進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)為刀輥切土過程試驗(yàn)，過程中，主要關(guān)注的參數(shù)為整機(jī)的功率、刀片的受力、刀片的變形、能量的損失。通過這些數(shù)據(jù)的處理，得到旋耕刀輥切土?xí)r旋耕機(jī)的內(nèi)能、動(dòng)能、總能量的消耗時(shí)的曲線，也得到了切土?xí)r整機(jī)功率曲線[4]。 2016年,張鐘鳴等研究了雙軸分層切土原理。利用有限元軟件ANSYS對(duì)整機(jī)旋耕機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到前15階模態(tài)固有頻率，從振型圖上得到對(duì)應(yīng)的變形。從而對(duì)比試驗(yàn)，避免機(jī)體的共振，保證機(jī)體的正常工作[5]。

1 旋耕刀輥設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 旋耕刀輥結(jié)構(gòu)

刀輥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系著旋耕機(jī)工作質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。而刀輥是由彎刀按一定的安裝角度和左右彎刀交替排列組合而成。

1.旋耕軸 2.旋耕刀盤 3.旋耕左彎刀 4.旋耕右彎刀

1.2 旋耕刀輥設(shè)計(jì)

臥式旋耕機(jī)從功能組成上說，由工作部件、傳動(dòng)部件和輔助部件組成。而刀輥的設(shè)計(jì)與研究是本文的主要方向，同樣刀輥也是由不同部件組成的工作部件，也是旋耕機(jī)最主要的功能部件。它的組成則是由旋耕彎刀、刀軸、焊合刀盤組成，主要功能是切碎土壤，拋開土壤，壓平土壤。所以旋耕刀輥的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)至關(guān)重要[6-7]。

1.3 旋耕刀安裝角

旋耕刀在工作過程中，前進(jìn)的速度和刀輥的旋轉(zhuǎn)速度影響著旋耕機(jī)的工作質(zhì)量。在實(shí)際的工作條件下，安裝角的大小和旋耕機(jī)的工作質(zhì)量有著密切的關(guān)系。在刀盤上安裝旋耕刀時(shí)，安裝角的大小便可以得到控制。而旋耕彎刀切削土壤時(shí)，安裝角控制的越小，旋耕機(jī)工作的質(zhì)量越好，且作業(yè)平穩(wěn)。所以安裝角成為了重要的研究對(duì)象，安裝角v的表達(dá)式如下列公式(1)所示：

(1)

1.4 刀盤設(shè)計(jì)

刀盤作為旋耕機(jī)切土部件的連接部件有著重要的作用，且在對(duì)土壤切削質(zhì)量的控制上，刀盤的間距、大小等直接影響了旋耕刀片對(duì)土壤切削的好壞。

一般旋耕彎刀切土?xí)r，需要保證刀盤的間距b′與旋耕刀的工作幅寬b的比值大于1。通常取值為15～ 20mm[8]。

b′=b+Δb

(2)

刀盤的數(shù)量n：

(3)

旋耕機(jī)刀輥上安裝的刀片數(shù)量：

Z=nZ′

(4)

式中：Z為刀片總數(shù)；Z′為每切土小區(qū)的刀數(shù)。B為設(shè)計(jì)耕寬

1.5 旋耕刀軸的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

旋耕機(jī)在工作時(shí)負(fù)荷最大的部件就是刀軸，所以刀軸的強(qiáng)度校核至關(guān)重要，關(guān)系著整個(gè)機(jī)器的工作質(zhì)量。

(1)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

(5)

式中：τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，(MPa)；T為軸所受扭矩，(N·mm)；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，(mm3)；P為軸傳遞的功率，(kW)；n為軸的轉(zhuǎn)速，(rad/min)；d為計(jì)算截面處軸的直徑，(mm)；[τT]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，(MPa)。

對(duì)于空心軸，半徑：

(6)

圖2 旋耕刀軸

2 模態(tài)分析

旋耕刀輥是臥式旋耕機(jī)上重要工作部件，由于工作環(huán)境和負(fù)載比較復(fù)雜多變，高轉(zhuǎn)速有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)旋耕刀輥時(shí)，使用ANSYS Workbench對(duì)旋耕刀輥進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證旋耕刀輥結(jié)構(gòu)是否安全可靠[10]。

2.1 旋耕刀輥三維模型建立

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)旋耕刀輥進(jìn)行模態(tài)分析。由于ANSYS自帶建模插件Geometry建模比較繁瑣，不易對(duì)復(fù)雜模型的建立，因此使用Solid works 2017對(duì)旋耕刀輥進(jìn)行三維建模，并另存為IGS的格式，保證導(dǎo)入的可行性，并導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，如圖3所示[11]。

圖3 旋耕刀輥有限元模型

2.2 模態(tài)分析網(wǎng)格劃分

為了減少運(yùn)算時(shí)間和降低對(duì)電腦配置的要求，對(duì)旋耕刀輥三維模型進(jìn)行簡化，去除圓角、倒角等不影響模態(tài)分析精度的無關(guān)特征[12]。ANSYS Workbench向用戶提供強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫，瀏覽材料數(shù)據(jù)庫，選擇材料為45#鋼，材料屬性表1所示。

表1 材料屬性

有限元的模態(tài)分析中，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響分析時(shí)間的多寡以及計(jì)算的精確。網(wǎng)格劃分的目的是將旋耕刀輥模型離散化，通過計(jì)算網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元得到最精確的解。且自由網(wǎng)格劃分是計(jì)算機(jī)通過判斷模型類型、應(yīng)用方向得到的最優(yōu)解釋[13]。由于旋耕刀輥實(shí)體模型比較復(fù)雜，又因?yàn)樽杂删W(wǎng)格劃分沒有對(duì)實(shí)體模型的形狀特殊的要求，因此此次模態(tài)分析采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分808050個(gè)節(jié)點(diǎn)和407660個(gè)單元[14-15]，如圖5所示?？紤]到旋耕刀輥實(shí)際工作環(huán)境，研究刀輥的固有頻率和振型是十分重要的，對(duì)刀輥附加約束進(jìn)行模態(tài)分析，使研究結(jié)果更接近刀輥的實(shí)際情況，因此本次模態(tài)分析把刀輥兩端軸承處簡化為剛性約束[16]。

圖4 旋耕刀輥網(wǎng)格劃分后模型

2.3 旋耕刀輥模態(tài)分析

如表2所示，對(duì)旋耕刀輥進(jìn)行模態(tài)分析，求得前6階固有頻率及最大位移，并對(duì)相應(yīng)振型進(jìn)行簡述，圖5為旋耕刀輥前6階模態(tài)振型[17]。

表2 各階固有頻率及振型

第1階模態(tài)振型圖

2.4 旋耕刀輥模態(tài)分析結(jié)果

由表2、圖5可以看出，隨著振型階數(shù)的不斷增加，旋耕刀輥的固有頻率也隨之增加，但總體變形量不大[18]。固有頻率集中在50～126Hz范圍內(nèi)，總體變形量在4.9～25mm左右。

旋耕機(jī)旋耕刀輥模態(tài)分析，沒有前幾階的剛性位移。模態(tài)第一階固有頻率值為50.346Hz，最大變形量4.9562mm。從振型圖可以發(fā)現(xiàn)，刀輥沿軸向少量彎曲，刀輥沿Y軸有徑向的嚴(yán)重變形，最大的變形在刀輥中間段的刀組。第二階模態(tài)為50.495 Hz，最大變形量4.9014mm。旋耕刀軸為中間段沿Y軸的負(fù)方向彎曲，而軸向變形則是有沿軸向彎曲，整體變形較大，易發(fā)生共振。第三階模態(tài)固有頻率值為104.85 Hz。模態(tài)圖可以看出，在X軸方向，旋耕刀輥有少量彎曲振動(dòng)。在Y軸方向，刀輥?zhàn)畲笞冃卧谕鈧?cè)的刀組上，刀片發(fā)生彎曲扭轉(zhuǎn)，其中最大變形量8.758mm。第四階模態(tài)為115.6Hz，最大變形量為13.154mm。模態(tài)圖表現(xiàn)出刀軸上中間段應(yīng)力，變形變得很少。而旋耕彎刀的彎曲扭轉(zhuǎn)卻非常大，彎刀沿X軸負(fù)方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。第五階模態(tài)固有頻率值為120.73Hz，最大變形量18.246mm。從模態(tài)圖上可以看出，刀輥軸的變形呈對(duì)稱分布。第六階模態(tài)固有頻率值為125.21Hz，最大變形量為46.611mm。旋耕彎刀有彎曲扭轉(zhuǎn)變形，軸向的變形少[19]。

本次設(shè)計(jì)的旋耕刀輥工作轉(zhuǎn)速在250～300r/min，工作頻率計(jì)算公式為

(7)

式中：f為刀軸工作頻率，經(jīng)計(jì)算;f=4.16～13.67H。

在工程設(shè)計(jì)中通常的標(biāo)準(zhǔn)是外在激勵(lì)頻率達(dá)到1階固有頻率的75%就要引起重視[14]。本次設(shè)計(jì)旋耕刀輥第1階固有頻率75%為37.7595Hz，大于旋耕刀輥工作頻率范圍，因此本次設(shè)計(jì)完全避免了共振的發(fā)生，也是安全合理的[20]。

旋耕機(jī)在工作過程中，由于刀軸和旋耕彎刀的變形，則需要考慮會(huì)不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，而刀盤間距為190mm，從表2可得，模態(tài)分析刀輥?zhàn)畲笞冃瘟繛?6.611mm，在工作過程中，即旋耕刀輥發(fā)生共振，也不會(huì)發(fā)生干涉，絕對(duì)的保證機(jī)器安全可靠。

3 結(jié) 論

1)自主設(shè)計(jì)的旋耕刀輥，通過設(shè)計(jì)切削角的大小，控制刀片切土的工作質(zhì)量；而刀輥上刀盤的設(shè)計(jì)滿足了刀輥在發(fā)生共振的條件下，旋耕彎刀不會(huì)出現(xiàn)干涉，保證旋耕機(jī)的安全工作。

2)基于ANSYS Workbench對(duì)設(shè)計(jì)的旋耕刀輥進(jìn)行模態(tài)分析，旋耕刀輥的1階固有頻率為50.346Hz，遠(yuǎn)大于刀輥?zhàn)赞D(zhuǎn)產(chǎn)生的工作頻率13.67Hz，避免了旋耕刀輥發(fā)生共振現(xiàn)象，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。