中圖分類號(hào): S225.91+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-5553(2025)07-0260-07
Abstract:Due to thecomplex terrain incotton planting areasalong theYangtzeRiverand Yelow River basins in China,as wellas unstabledrivingconditions duringfieldoperations,thisstudydevelopedabrushrolercrawlercotton harvester tailoredfor field harvesting.To ensure thesafetyand structural integrityof theharvester'schasis frame,and to understand itsvibrationcharacteristics,this studyutilized 3Dmodeling software SolidWorks forthedesignof the overall chasis frame.Additionally,ANSYS Workbench wasemployed to conduct static and modal simulation analyses on theentire chasis frame.The simulation resultsafter structural optimization show thatunder static loadconditions, the maximum partial deformation of the chassis frame was 1.929mm ,the maximum deformation of the tracked walking chassis was 1.4363mm ,the maximum equivalent stress of the overall chassis frame was 226.97 MPa,and the average equivalent stress was 5.587 9MPa . These results suggest that the frame meets the safety use standard for practicaluse.To assssthe vibration characteristics,thechasis frame underwent 8-order modal analysis,revealing that the natural frequency range for all modes was below 100Hz ,This indicated that under normal working conditions, thechassis frameispredominantlyafectedbylow-frequency vibrations.Thisalignswiththedesignexpectations of the frame's overall structure.
Keywords:cotton harvester;crawler chasis;ANSYS;structural optimization;static structure;modal analysis
0 引言
我國是世界上最大的產(chǎn)棉國之一,棉產(chǎn)量居世界第一,棉花作為重要的經(jīng)濟(jì)作物,是人們天然紡織品和棉籽油的主要來源[]。棉花是我國國計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資和紡織工業(yè)的原料,棉花產(chǎn)業(yè)鏈條長且涉及多個(gè)行業(yè),在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[2。我國的棉花種植大體劃分為三大棉區(qū),包括西北內(nèi)陸棉區(qū)、黃淮流域棉區(qū)和長江流域棉區(qū)[3]。
針對(duì)我國內(nèi)陸地區(qū)研制刷輥式履帶棉花收獲機(jī),即集采摘、清雜、輸送、集棉以及卸棉為一體的收獲裝置。履帶式棉花收獲機(jī)的底盤車架是整車的重要組成部分,支撐著整車各部件和貨物的重量,且會(huì)受到外部力的作用,對(duì)整個(gè)車架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及整體的剛度起著至關(guān)重要的作用。另外,車輛在作業(yè)時(shí),外部載荷增加,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有著更高的動(dòng)力輸出,為避免整車的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振,對(duì)整車各零部件產(chǎn)生破壞,本文使用ANSYSWorkbench有限元仿真軟件對(duì)整個(gè)底盤車架開展有限元分析,以確保整車在工作中的安全性和穩(wěn)定性。
1整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理
1. 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)
整機(jī)主要由工作部件、整機(jī)機(jī)架、行走部件以及動(dòng)力系統(tǒng)等組成4,刷輥式履帶棉花收獲機(jī)前端包括割臺(tái)、棉桃分離裝置等,中間包括駕駛室、氣力輸送裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)等,后端由棉箱和棉箱固定底座等組成。刷輥式履帶棉花收獲機(jī)可依次完成棉花采摘、棉桃分離、清雜、氣力輸送、儲(chǔ)棉及卸棉工序。整機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
表1整機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1Main design parameters of the whole machine
1.2底盤車架結(jié)構(gòu)與工作原理
行走部分上層包括駕駛室固定底座、風(fēng)機(jī)固定底座、棉箱固定底座,中間部分包括液壓驅(qū)動(dòng)部分(靜液壓裝置HST)、變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)固定底座等,下層(行走部件)由底盤車架、四輪一帶(驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、承重輪、履帶)履帶導(dǎo)軌等構(gòu)成,整機(jī)底盤車架結(jié)構(gòu)如圖1所示。行走底盤主要由傳動(dòng)、行走、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等系統(tǒng)組成,整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、HST、機(jī)械變速箱及驅(qū)動(dòng)橋構(gòu)成。
通過發(fā)動(dòng)機(jī)生成動(dòng)力,帶動(dòng)皮帶輪到HST輸入端,HST中的液壓泵直接輸出高壓油至液壓馬達(dá),將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,液壓馬達(dá)在高壓油的作用下,產(chǎn)生機(jī)械能,由輸出軸輸出到機(jī)械變速箱,機(jī)械變速箱對(duì)動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整和分配,使其適應(yīng)不同的工作需求;經(jīng)過機(jī)械變速箱,動(dòng)力被傳遞至連接在驅(qū)動(dòng)橋兩端的驅(qū)動(dòng)輪,驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶進(jìn)行前進(jìn)或后退動(dòng)作。
圖1底盤車架整體結(jié)構(gòu)Fig.1Overall structure of chassis frame
2 底盤車架模型前處理
2.1模型建立
底盤車架是車輛關(guān)鍵部件之一,是其他系統(tǒng)安裝的基礎(chǔ),在車輛行駛過程中承受各種方向的載荷[5]。有限元模型的合理性決定了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度,因此建立精確的車架有限元模型顯得至關(guān)重要[6]。底盤車架作為棉花收獲機(jī)最重要的承重部件,承載著機(jī)器全部載荷與激勵(lì),底盤車架性能優(yōu)劣直接影響采棉機(jī)穩(wěn)定性[。首先利用SolidWorks按照實(shí)際尺寸建立底盤車架結(jié)構(gòu)模型8,收獲機(jī)底盤車架的實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,基于此,在進(jìn)行后續(xù)操作時(shí),需要在如實(shí)反映車架結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的前提下對(duì)其中的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化9,在不影響對(duì)主要力學(xué)特性進(jìn)行分析的前提下,對(duì)導(dǎo)入前的履帶底盤三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,其中包括對(duì)固定零部件所使用的螺紋孔進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,以及刪除非承重的零部件,以降低模型的復(fù)雜度,使用Parasolid( ? 格式導(dǎo)人底盤車架到ANSYSWorkbench中,仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2底盤車架仿真結(jié)構(gòu)Fig.2Simulation structure of the chassis frame
2.2 材料物理屬性定義
刷輥式履帶棉花收獲機(jī)整體底盤車架全部采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼焊接組成,車架作為重要的承載結(jié)構(gòu),定義所使用材料的物理屬性以及力學(xué)特性,包括彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等,如表2所示。
表2Q235材料物理屬性表Tab.2Physical property table of Q235 material
2.3 網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的物理模型離散化為有限個(gè)單元的過程,網(wǎng)格的質(zhì)量和密度直接影響仿真速度以及計(jì)算結(jié)果的可靠性,模型網(wǎng)格大小需嚴(yán)格把握,因?yàn)榫W(wǎng)格大小直接影響分析精度和求解效率[10],本文在ANSYSMesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于整體底盤車架過大,在劃分網(wǎng)格時(shí)既要考慮網(wǎng)格精度也要考慮到計(jì)算速度,六面體網(wǎng)格計(jì)算精度相對(duì)較高,能夠準(zhǔn)確模擬出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的狀況和變形情況,因此采用六面體網(wǎng)格劃分。對(duì)生成后的非六面體網(wǎng)格采用重新劃分,共得出736195個(gè)節(jié)點(diǎn),112661個(gè)單元,網(wǎng)格劃分如圖3所示。
2.4 載荷與約束條件
載荷與約束的施加對(duì)于分析整個(gè)底盤車架在靜態(tài)載荷作用下的真實(shí)受力情況有著重要作用,采用均布載荷的方式對(duì)優(yōu)化后的整個(gè)底盤車架進(jìn)行載荷施加以及約束,忽略液壓元器件和部分車體外殼等相關(guān)部件的重量,考慮到模型的復(fù)雜程度,在進(jìn)行有限元仿真時(shí)根據(jù)實(shí)際部位的承重把非承重部件直接施加到上車架,如圖4所示。
3底盤車架靜力學(xué)仿真
靜力學(xué)主要用于分析底盤車架靜態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),如對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行模擬和分析[1]。仿真分析可以幫助評(píng)估底盤車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。
靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析通常是對(duì)模型結(jié)構(gòu)在給定載荷下的響應(yīng)進(jìn)行分析,涵蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等方面。線性靜力學(xué)是靜力學(xué)最基礎(chǔ)的一類問題,基于經(jīng)典力學(xué)理論,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如式(1)所示。
式中: M (2號(hào) 質(zhì)量矩陣;c 阻尼矩陣;κ 系統(tǒng)剛度矩陣;F 外載荷;x、
、 X 一 一系統(tǒng)加速度、速度及位移。
根據(jù)線性靜力學(xué)的定義可知速度及加速度為0,時(shí)間 Ψt 在方程中沒有變化,載荷恒定,因此時(shí)間 χt 將忽略不計(jì),簡(jiǎn)化后表達(dá)如式(2)所示。
[K]{x}={F} (2式中: [K] 常量矩陣;{F} ———結(jié)構(gòu)所受載荷,忽略時(shí)間及慣性影響。
3.1底盤車架靜力學(xué)有限元結(jié)果分析
有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)于車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義,而結(jié)果的準(zhǔn)確性往往與幾何模型的設(shè)計(jì)密切相關(guān)[12]。對(duì)底盤車架進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析如圖5和圖6所示。
1)應(yīng)力分布:車架最大應(yīng)力值為 304.72MPa ,如圖5(b)所示,超出所選用材料的最大應(yīng)力值,存在應(yīng)力集中且過大現(xiàn)象,整體底盤車架的等效應(yīng)力的平均值為 6.6135MPa 。
2)變形情況:整體底盤車架在有負(fù)載工況下,變形過度,最大變形量為 2.2759mm ,如圖6(a)所示,車輛行走底盤最大變形量為 1.9848mm ,如圖6(b)所示。整體車架平均應(yīng)力不能達(dá)到安全使用要求,另外,整體車架應(yīng)變仿真結(jié)果也存在變形量過大現(xiàn)象。
3.2 底盤車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化
車架的剛度表征著車架在受力時(shí)抵抗變形的能力,較高的車架剛度能避免車輛在行駛過程中由于車輪承受載荷不一致或車身重心偏移時(shí)產(chǎn)生過大的彎曲或扭轉(zhuǎn)變形[13]。為保證履帶底盤車架能夠達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn),需要對(duì)其底盤車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。(1)針對(duì)棉箱底座橫梁與前方連接處添加加強(qiáng)筋,可增強(qiáng)連接部位處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,確保棉箱底座的變形量在可接受范圍。(2)對(duì)履帶底盤4個(gè)角處,添加三角橫梁支撐,三角橫梁支撐結(jié)構(gòu)具有極高的穩(wěn)定性和承載能力,能夠有效地分散底盤所承受的載荷,提高底盤的整體剛度。(3)確保符合Q235材料屬性標(biāo)準(zhǔn),降低底盤車架的等效應(yīng)力結(jié)果以及棉箱底座最后方的橫梁處變形量結(jié)果。ANSYSWorkbench提供平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸功能,將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?yōu)化完成后的新建項(xiàng)目中,將優(yōu)化完成的履帶底盤車架導(dǎo)人到ANSYSWorkbench中,如圖7所示。
3.3 優(yōu)化結(jié)果分析
對(duì)底盤車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,確保整個(gè)底盤車架結(jié)構(gòu)能夠在靜態(tài)載荷的作用下達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)整個(gè)底盤車架進(jìn)行靜力學(xué)分析,優(yōu)化后的仿真結(jié)果表明:整個(gè)底盤車架最大部分變形量為 1.929mm ,履帶行走底盤最大變形量為 1.4363mm ,整個(gè)底盤車架的最大等效應(yīng)力為 226.97MPa ,平均等效應(yīng)力為 5.587 9MPa 。根據(jù)ANSYSWorkbench有限元仿真結(jié)果表明,所選用材料Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼的物理屬性能達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn),整體車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。
4底盤車架模態(tài)分析
4.1 理論基礎(chǔ)
模態(tài)分析常用于研究機(jī)械動(dòng)態(tài)特性,模態(tài)是指機(jī)械的固有特性,在設(shè)計(jì)機(jī)架時(shí),為避免共振問題需確定機(jī)架的固有頻率和振型[14.15],模態(tài)分析是用于確定所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性(固有頻率和振型),在模態(tài)分析中,固有頻率和振型是常用的分析參數(shù)。為了避免底盤車架在工作過程中發(fā)生共振,利用ANSYSWorkbench對(duì)底盤車架進(jìn)行模態(tài)分析[16],模態(tài)分析是常用的動(dòng)力學(xué)分析方式,是用結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼和振型等固有動(dòng)態(tài)特性來描述結(jié)構(gòu)本身的過程,模態(tài)分析是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),如式(3)所示。
式中:μ、μ、μ 一 系統(tǒng)加速度、速度及位移。
在無阻尼自由振動(dòng)情況下, F(t)=0 運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化得式(4)。
求解可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率 ωi ,如式(5)所示。
(K-ω2[M])=0
通過ANSYSWorkbench有限元分析軟件中Modal模塊,對(duì)底盤車架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,采用8階模態(tài)分析方法,一般而言,動(dòng)態(tài)特性受低階振動(dòng)頻率及振型的影響最大[17,18],低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,通過不同頻率下的模態(tài)形狀,分析不同振型對(duì)底盤車架各部件的影響程度[19,20]。(1)通過模態(tài)分析可得結(jié)構(gòu)的固有頻率,即在不受外部激勵(lì)的情況下結(jié)構(gòu)自然振動(dòng)的頻率,這些頻率對(duì)于了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為和預(yù)測(cè)共振現(xiàn)象非常重要。(2)通過模態(tài)分析可以確定在結(jié)構(gòu)振動(dòng)中具有重要貢獻(xiàn)的質(zhì)量和剛度集中的位置,這有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。(3)模態(tài)分析旨在分析所設(shè)計(jì)底盤車架固有頻率是否避免了地面和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)引起共振,其核心目標(biāo)為最大程度減少共振狀況的出現(xiàn),從而確保底盤車架在運(yùn)行過程中穩(wěn)定性與可靠性的評(píng)估。
4.2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果
基于ANSYSWorkbench對(duì)刷輥式履帶收獲機(jī)的整體底盤車架進(jìn)行8階預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真分析和約束模態(tài)仿真分析,從仿真結(jié)果對(duì)比來看,固有頻率和最大變形量結(jié)果基本一致,從結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性方面來看,該車架主要受到低頻振動(dòng)影響,如表3所示。
表3模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果Tab.3Modal simulation calculation results
4.3底盤車架模態(tài)結(jié)果分析
1)固有頻率分析。根據(jù)對(duì)整體底盤車架的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,由圖8可知,整體車架的主要振型表現(xiàn)為彎曲以及扭轉(zhuǎn)。另外,隨著模態(tài)階數(shù)的增加,各階模態(tài)的固有頻率逐漸增大,最大變形量發(fā)生在4階和第8階模態(tài)振型,其值為 11.749mm 和 11.902mm .整體模態(tài)分析的固有頻率全部都在 100Hz 以下,分布在中低頻率段,符合底盤車架的設(shè)計(jì)要求。
2)振型特征分析。如圖8所示,在第 1~3 階模態(tài)振型特征云圖中,整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要在后端棉箱底座,第1階主要表現(xiàn)為棉箱最后的支撐橫梁沿 X 軸發(fā)生扭轉(zhuǎn),第2階主要表現(xiàn)為棉箱底座沿 Y 軸方向發(fā)生翹起,第3階主要表現(xiàn)為棉箱底座沿 X 軸方向扭轉(zhuǎn)。在第4到第8階模態(tài)特征振型云圖中,振型主要在駕駛室底座,第4階主要表現(xiàn)為駕駛室底座沿 Y 軸方向翹起,第5階主要表現(xiàn)為駕駛室發(fā)生扭轉(zhuǎn),第6階主要表現(xiàn)為駕駛室右角處沿 Y 軸方向發(fā)生翹起,第7階主要表現(xiàn)為上層車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)以及彎曲,第8階主要表現(xiàn)為駕駛室底座沿Y軸方向翹起。
3)結(jié)果及后續(xù)優(yōu)化。綜合8階模態(tài)仿真結(jié)果來看,振動(dòng)主要在駕駛室固定底座以及棉箱固定底座,振動(dòng)較為強(qiáng)烈,而履帶底盤整體振動(dòng)相對(duì)較小。主要為低頻振動(dòng),對(duì)于高頻振動(dòng)不敏感,低頻振動(dòng)較為緩慢以及振動(dòng)周期較長,主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)以及路面顛簸帶來的激勵(lì),這符合采棉機(jī)收獲時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。
通過對(duì)底盤車架的模態(tài)仿真,了解整體底盤車架主要受到低頻振動(dòng)的影響,提出后續(xù)優(yōu)化方法:(1)增加整體結(jié)構(gòu)的剛度,對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變過大處采用加厚零件進(jìn)行替換,合理增加連接部位的加強(qiáng)筋增加結(jié)構(gòu)支撐強(qiáng)度。(2)對(duì)底盤車架上的重要承重部件進(jìn)行合理的重心分布,避免因負(fù)載不均衡導(dǎo)致振動(dòng)加劇,使其在工作中最大限度的達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)。(3)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)以及割臺(tái)振動(dòng)頻率較大的工作部件合理增加阻尼以及橡膠墊片,以減少振動(dòng)的傳遞。
4.4 田間試驗(yàn)
為驗(yàn)證底盤車架的安全性,基于有限元仿真結(jié)果,對(duì)整個(gè)底盤車架進(jìn)行樣機(jī)加工,并展開田間試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省唐山市某棉花種植試驗(yàn)田內(nèi),該試驗(yàn)田地處我國黃河流域小地塊棉花種植區(qū),該棉花試驗(yàn)田種植模式均為 75cm 等行距種植,田間試驗(yàn)作業(yè)如圖9所示。
圖9 田間試驗(yàn) Fig.9 Field Test
對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn),旨在全面評(píng)估其在實(shí)際田間作業(yè)場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在整機(jī)田間直線行駛試驗(yàn)環(huán)節(jié),以 4km/h 的中速進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí),整機(jī)在面臨田間不確定環(huán)境時(shí)運(yùn)行表現(xiàn)平穩(wěn),履帶對(duì)棉花植株碾壓量較少,履帶對(duì)地面的接地比壓較大,有效分散了對(duì)地面的接觸力,對(duì)土壤壓實(shí)量、破壞力較小。整機(jī)田間掉頭響應(yīng)迅速。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,整機(jī)性能表現(xiàn)良好,可以完成黃河流域小地塊棉花機(jī)械化收獲作業(yè)。
5 結(jié)論
1)通過靜力學(xué)有限元分析,對(duì)存在問題的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到整個(gè)底盤車架的整體應(yīng)力分布以及變形情況,該底盤車架整體變形結(jié)果為最大部分變形量為 1.929mm ,履帶行走底盤最大變形量為1.4363mm ,整體底盤車架的最大等效應(yīng)力為
226.97MPa ,平均等效應(yīng)力為 5.587 9MPa 。符合所選用材料Q235的物理屬性,能達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn)。
2)通過前期對(duì)整體車架的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,根據(jù)靜力學(xué)對(duì)整體底盤車架展開預(yù)應(yīng)力8階模態(tài)分析,確定各部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的振型特征。整體來看,通過對(duì)整體底盤車架的8階模態(tài)分析,車架整體固有頻率相對(duì)較低,以低階頻率為主導(dǎo)。
3)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行直線行駛以及田間轉(zhuǎn)彎掉頭等多項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn),評(píng)估安全性和可靠性。田間試驗(yàn)表明:該機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小地塊機(jī)械化收獲作業(yè),有效填補(bǔ)地形因素導(dǎo)致大型棉花收獲機(jī)作業(yè)困難的短板,并顯著提升整體作業(yè)效率。
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