李興凱，韓正晟，戴飛，魏麗娟，高愛民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州　730070)

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小區(qū)小麥育種收獲機機架模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李興凱，韓正晟，戴飛，魏麗娟，高愛民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

摘要：【目的】減小小區(qū)小麥育種收獲機工作過程中的振動對其作業(yè)可靠性、育種試驗結(jié)果測定產(chǎn)生干擾.【方法】 利用Solidworks軟件對育種收獲機機架進行參數(shù)化建模，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS Workbench提取出機架的前10階固有頻率和模態(tài)振型，在對比分析外部激振頻率與機架固有頻率特點的基礎(chǔ)上，找出引起機架共振的環(huán)節(jié)，并對機架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生.【結(jié)果】 當(dāng)機架橫梁厚度由3.0 mm減為2.6 mm，豎梁厚度由3.0 mm減為2.8 mm，圓桿直徑由25 mm減為21 mm，板件厚度(包括側(cè)板和底板)由1.5 mm減為1.1 mm后，優(yōu)化機架的固有頻率均有效避開了收獲機各外部激振頻率范圍.【結(jié)論】 該研究可以為小區(qū)育種收獲機機架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化提供參考.

關(guān)鍵詞：小區(qū)小麥育種收獲機；模態(tài)分析；機架；外部激振；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

育種是人類糧食安全保障的必要手段，對農(nóng)作物的增收具有重要意義.田間育種的收獲更是保證育種試驗結(jié)果的重要環(huán)節(jié)[1-2].小區(qū)小麥育種收獲機是實現(xiàn)田間育種收獲的主要機具，收獲機作業(yè)時，其底盤機架會受到來自田間地面、割刀、撥禾輪、發(fā)動機、脫粒分離裝置及清選系統(tǒng)等產(chǎn)生的動載荷，當(dāng)所受動載荷的頻率與機架的某階固有頻率接近時，將引起整機發(fā)生共振，嚴(yán)重影響收獲機的工作性能、使用壽命與可靠性[3-5].因此，有必要對小區(qū)小麥育種收獲機機架進行模態(tài)分析，較全面的了解其動態(tài)特性，防止與外部激振頻率一致而發(fā)生共振.

本文擬利用三維建模軟件Solidworks對小區(qū)小麥育種收獲機機架進行參數(shù)化建模，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中對機架模態(tài)進行求解，提取出機架的前10階固有頻率和模態(tài)陣型.在對比分析機架固有頻率與外部激振頻率特點的基礎(chǔ)上，找出引起機架共振的部件，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，有效避開外部激振頻率，以期改善小區(qū)小麥?zhǔn)斋@機工作時的整機動態(tài)性能，保證育種試驗數(shù)據(jù)的可靠性.

1模態(tài)分析

1.1有限元模型建立

小區(qū)小麥育種收獲機機架是由矩形管型材、圓柱形桿和板件以焊接的方式剛性連接而成，機架外形尺寸為1 923 mm×860 mm×803 mm，整體結(jié)構(gòu)由前、中、后3個部分構(gòu)成，前半部分是機架割臺部分，支撐著撥禾輪、喂入絞龍以及往復(fù)式割刀擺動機構(gòu)；中間部分是收獲機的主要承載部位，連接著發(fā)動機、脫粒裝置、分離清選裝置、接糧箱及其它輔助部件；后半部分為人工操作部分.

模型的正確建立是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，模型的好壞會直接影響有限元分析結(jié)果.由于該育種收獲機機架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有限元建模相對繁瑣.因此，本文利用Solidworks軟件對機架進行參數(shù)化建模，避免大量重復(fù)過程，同時可在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.為了提高模態(tài)分析的運算速度，對模型進行如下簡化處理[6-7]：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可忽略不計，將焊縫和各部件看作一個整體；機架縱橫梁上的裝配用孔均忽略不計.簡化后的機架模型如圖1所示.

圖1　小區(qū)小麥育種收獲機機架三維圖Fig.1　The three-dimensional map of frame of plot wheat breeding harvester

1.2網(wǎng)格劃分

將Solidworks建立的機架模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，并對其進行幾何特征量賦值，設(shè)定機架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，材料參數(shù)如下：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.ANSYS Workbench中的網(wǎng)格劃分平臺Meshing可以根據(jù)不同的物理場選擇相應(yīng)的網(wǎng)格劃分方法，本文選用提供動力學(xué)分析的Explicit參照類型.網(wǎng)格的準(zhǔn)確劃分直接影響計算結(jié)果的精度，Workbench中的Patch Conforming能夠?qū)崿F(xiàn)與三維CAD/CAM軟件建立實體模型的無縫連接，利用此生成功能進行網(wǎng)格劃分[8].經(jīng)網(wǎng)格劃分后，機架的有限元模型如圖2所示，整個模型單元數(shù)為34 501，節(jié)點數(shù)為65 606.

圖2　機架的有限元模型Fig.2　The finite element model of the frame

1.3施加約束與求解

根據(jù)機架與相關(guān)部件的裝配方式和工作條件，對機架添加約束的位置有2處：操作者在控制收獲機作業(yè)時，為了保證小麥割茬的平整性，對操縱桿施加一定約束，由于模態(tài)分析過程忽略施加的外載荷，故在分析時操縱桿末端被視為添加固定約束；地輪行走裝置除了支撐整個機體外，在工作過程中還約束了機架的上下及左右運動.由于模態(tài)分析的是無阻尼自由振動，因此不需要添加其它的外載荷.在ANSYS中，有多種模態(tài)求解方法，包括Subspace法、Block Lanczos法、Power Dynamics法、Reduced法、Unsymmetric法、Damped法[9]，本文選取通過稀疏矩陣實現(xiàn)遞歸計算的Block Lanczos求解法，其模態(tài)提取更有效，計算速度更快.

1.4模態(tài)計算

機架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性決定了機架在承受動載荷時的作業(yè)性能，對機架進行模態(tài)分析可得到固有頻率、對應(yīng)的頻率階數(shù)圖以及振型云圖等結(jié)果.由于低階振動對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性影響較大，且結(jié)合育種收獲機實際工作情況，提取非0的前10階模態(tài)頻率和振型分析即可，機架的固有頻率和主振型見表1，相對應(yīng)的階數(shù)圖見圖3，模態(tài)振型云圖見圖4.

1.5振動特性分析

由機架前10階模態(tài)振型云圖可以看出(圖4)，機架的前10階固有頻率范圍在16.598～72.614 Hz之間，變形主要表現(xiàn)為擺動、彎曲和扭轉(zhuǎn)，這對機架的剛度和強度有很大影響，降低收獲機作業(yè)的可靠性.由圖3可以看出，雖然頻率值是依次遞增的，但沒有一定的規(guī)律性，體現(xiàn)了模態(tài)分析無阻尼振動的隨機性.

表1　前10階固有頻率及振型

圖3　機架模態(tài)固有頻率和階數(shù)Fig.3　The frequencies and order figure of the frame

A：1階振型(16.598 Hz)；B：2階振型(19.914 Hz)；C：3階振型(29.955 Hz)；D：4階振型(32.63 Hz)；E：5階振型(42.967 Hz)；F：6階振型(44.107 Hz)；G：7階振型(47.353 Hz)；H：8階振型(53.435 Hz)；I：9階振型(67.58 Hz)；J：10階振型(72.614 Hz).圖4　前10階模態(tài)振型Fig.4　The first ten modes

模態(tài)分析的結(jié)果還包括每階階數(shù)的振動動畫，它能更準(zhǔn)確地反應(yīng)出機架各階模態(tài)振型變化.結(jié)合圖4(模態(tài)振型云圖)和振動動畫可以得出：在不同的階數(shù)下，機架會表現(xiàn)出不同的振型.前2階機架并沒有出現(xiàn)整體變形，只是割臺兩側(cè)上支架沿z方向發(fā)生左右擺動，振動幅度較大，但并沒有達到最大振幅；從第3階開始，振動變形延伸到整個機架框架中，第3階表現(xiàn)為機架右側(cè)繞x軸的彎曲振動，振幅較小，第4階主要表現(xiàn)為機架左側(cè)沿z方向的左右擺動，第5階表現(xiàn)為機架沿z方向的左右擺動；在第6階處，變形延伸表現(xiàn)地最顯著，整個機架均出現(xiàn)晃動，頻率達到44.107 Hz；在第8階處，模態(tài)變化又轉(zhuǎn)變?yōu)榫植孔冃?，主要表現(xiàn)為割臺底板的強烈振動；在第10階處，變形只發(fā)生在機架前下部與下割刀相連的桿件上，但此時振幅最大，最大振幅為29.736 mm.由分析可知，機架作為收獲機的核心承載部件，在振動時會出現(xiàn)不同程度的變形，影響收獲機作業(yè)的動態(tài)性能與育種試驗結(jié)果的測定.

1.6外部激勵頻率分析

通過對機架結(jié)構(gòu)進行外部激勵頻率分析，使機架的各階固有頻率與外界動載荷所產(chǎn)生的頻率不一致，以有效避免共振的發(fā)生.小區(qū)小麥?zhǔn)斋@機在作業(yè)時會受到來自田間路面、發(fā)動機、撥禾輪、割刀、脫粒分離裝置及清選系統(tǒng)等外部激振的影響.現(xiàn)將各激振頻率分析如下：路面激振由道路條件決定，育種收獲機是在田間作業(yè)，經(jīng)研究表明，田地對收獲機激振頻率一般低于3 Hz[10]；實際測得，該收獲機發(fā)動機的輸出軸轉(zhuǎn)速為2 000～2 200 r/min，得到激振頻率為33.3～36.7 Hz；收獲機通過撥禾輪對作物進行引導(dǎo)喂入，將育種小麥穗頭撥向輸送攪龍，撥禾輪激勵頻率由其轉(zhuǎn)速決定，測得本機撥禾輪的轉(zhuǎn)速為700 r/min，則其激振頻率為11.7 Hz；切割器的激振頻率是由割刀擺環(huán)機構(gòu)的往復(fù)振動引起的，測其主軸轉(zhuǎn)速為532 r/min，激振頻率為8.87 Hz；本機的脫粒裝置為在工作時既有自身旋轉(zhuǎn)運動，又有向后軸向輸送物料的縱軸流錐型滾筒，其轉(zhuǎn)速介于1 100～1 400 r/min之間，則激振頻率為18.3～23.3 Hz；在分離清選筒內(nèi)部，沿筒壁旋轉(zhuǎn)的物料流與吸雜風(fēng)機的氣流耦合相交，引起分離清選筒的振動，應(yīng)用綜合評分法分析得出，吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，激振頻率為18.3 Hz 時，小麥籽粒的含雜率最低[11].

將各外部激振頻率與機架的理論計算頻率對比分析可以得出：該機架的最小頻率(第1階頻率)為16.598 Hz，大于田間路面、撥禾輪、割刀振動產(chǎn)生的激振頻率，說明這三者不會引起的機架的共振；機架的第2階頻率19.914 Hz正好落在脫粒滾筒的激振頻率18.3～23.3 Hz范圍內(nèi)，說明脫粒滾筒會引起機架發(fā)生共振；發(fā)動機的激振頻率范圍33.3～36.7 Hz雖然比較接近機架的低階頻率，但還是避開了第3、4、5階頻率；分離清選筒的激振頻率18.3 Hz避開了機架的第1、2階頻率，故不會引起機架的共振.由對比分析可知，只有脫粒滾筒的轉(zhuǎn)動會引起機架發(fā)生共振，因此有必要對育種收獲機機架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效避開脫粒滾筒的激振頻率.

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由外部激勵頻率與機架固有頻率對比分析表明，脫粒滾筒的激振頻率范圍18.3～23.3 Hz正好與機架的第2階頻率19.914 Hz相重合，而由機架固有頻率相對應(yīng)的階數(shù)圖3可以看出，第1、2階頻率值相差不大，在第3階處其頻率值出現(xiàn)跳躍，因此可以通過降低前兩階頻率以避開脫粒滾筒的激振頻率范圍.對于本機架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用正交試驗設(shè)計方法來實現(xiàn)，使機架第2階固有頻率低于脫粒滾筒的激振頻率，同時保證第1階固有頻率不能低于田間路面、撥禾輪、往復(fù)式割刀的激振頻率.把橫梁、豎梁、圓桿、板件作為設(shè)計變量，通過對設(shè)計變量的優(yōu)化，實現(xiàn)機架各階頻率不與外部激振頻率一致.同時，優(yōu)化后的機架還應(yīng)滿足強度要求.

試驗分析過程中，根據(jù)機架結(jié)構(gòu)的特點和試驗設(shè)計理論，選取橫梁厚度、豎梁厚度、圓桿直徑、板件厚度(包括側(cè)板和底板)4個參數(shù)作為試驗因素，每個因素設(shè)計3個水平.在選擇因素水平時，基于工程實際需要，所選板厚水平應(yīng)與實際生產(chǎn)中的常用板厚一致，不然得到的試驗結(jié)果就沒有實際應(yīng)用價值[12-13].選取的試驗因素水平如表2所示.

針對本試驗所確定的因素及水平，選用L9(34)的正交表來安排試驗，根據(jù)設(shè)計的9個不同水平組合下的試驗，在Solidworks中改變?nèi)S模型參數(shù)，然后利用ANSYS Workbench軟件對9次試驗依次進行求解，計算得到每次試驗的第2階固有頻率，計算結(jié)果如表3所示.

表2　試驗因素水平表

表3　正交試驗分析結(jié)果

由表3極差結(jié)果分析可知，不同因素對試驗指標(biāo)的影響程度按從大到小依次為：橫梁、豎梁、板件、圓桿.該試驗以降低機架第2階固有頻率為評價指標(biāo)，則各因素優(yōu)水平及主次因素依次為A1、B2、D1、C1，即將機架橫梁厚度由3.0 mm減為2.6 mm，豎梁厚度由3.0 mm減為2.8 mm，圓桿直徑由原來的25 mm減為21 mm，板件厚度由原來的1.5 mm減為1.1 mm.

對優(yōu)化后的機架進行模態(tài)分析，得到機架前6階固有頻率和對應(yīng)振型云圖(圖5).由圖5可以看出，機架的第2階固有頻率由原來的19.914 Hz下降到16.849 Hz，第1階頻率由16.598 Hz下降到13.352 Hz，避開了脫粒滾筒的激振頻率范圍18.3～23.3 Hz，而優(yōu)化后的第1階頻率仍然大于田間路面、撥禾輪、割刀的激振頻率，同時，優(yōu)化后機架各階固有頻率與育種收獲機分離清選筒、發(fā)動機引起的外部激振頻率也不一致，滿足了機架優(yōu)化改進的頻率要求.因此，優(yōu)化后的機架能夠有效避免收獲機作業(yè)過程中共振現(xiàn)象的發(fā)生.

A：1階振型(13.352 Hz)；B：2階振型(16.849 Hz)；C：3階振型(25.46 Hz)；D：4階振型(30.217 Hz)；E.5階振型(39.153 Hz)；F：6階振型(42.826 Hz).圖5　優(yōu)化后的前6階模態(tài)振型Fig.5　The first six modes after the optimization

對優(yōu)化后的機架進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[14]，機架在收獲機作業(yè)時主要受到喂入裝置、脫粒裝置、分離清選裝置、發(fā)動機的作用力，利用Solidworks“評估”工具中的“質(zhì)量屬性”，獲得該收獲機各個模塊的質(zhì)量，結(jié)果如表4所示.將相應(yīng)的作用力添加在機架上進行分析，得到優(yōu)化后機架的應(yīng)力云圖(圖6)，由圖6可以看出，機架整體受力不均，主要分布在安裝發(fā)動機附近的梁單元上，機架的最大應(yīng)力為191.38 MPa，小于材料的屈服強度235 MPa，故優(yōu)化后的機架滿足強度要求，收獲機作業(yè)時安全、可靠.

表4　小麥育種收獲機各裝置質(zhì)量

圖6　機架應(yīng)力云Fig.6　Stress image of frame

3結(jié)論

通過Solidworks軟件建立機架的參數(shù)化模型，并運用ANSYS Workbench進行模態(tài)分析，提取出前10階固有頻率和振型，將各外部激振頻率與機架的固有頻率對比分析得知，只有脫粒滾筒會引起機架發(fā)生共振，影響收獲機作業(yè)的動態(tài)性能與育種試驗結(jié)果.

借助正交試驗設(shè)計，將機架橫梁厚度減少0.4 mm，豎梁厚度減少0.2 mm，圓桿直徑減少4mm，板件厚度(包括側(cè)板和底板)減少0.4 mm后，機架的各階固有頻率均避開了脫粒滾筒和其它部件的激振頻率范圍，在收獲機作業(yè)時有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生.對優(yōu)化后的機架進行靜力學(xué)分析，滿足材料強度要求.

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(責(zé)任編輯李辛)

Modal analysis and structure optimization on the frame of plot wheat breeding harvester

LI Xing-kai,HAN Zheng-sheng,DAI Fei,WEI Li-juan,GAO Ai-min

(College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou，730070,China)

Abstract：【Objective】To decrease vibration interferes in the working process on operation reliability and to determine of breeding test results of plot wheat breeding harvester.【Method】 The frame of wheat breeding harvester was built parametric model in Solidworks,and then combined with the finite element analysis software ANSYS Workbench to ectract the first ten order natural frequencies and mode shapes of frame.This paper based on the contrast analysis of external excitation vibration frequencies and natural frequencies,finding out the resonance link,to avoid the resonance phenomenon through the structure optimization of the frame.【Result】 The thickness of crossbeam was reduced from 3.0mm to 2.6mm,the thickness of bending beam was reduced from 3.0mm to 2.8mm,the diameter of round rod reduced from 25mm to 21mm,the thickness of plate (including side and bottom) reduced from 1.5mm to 1.1mm,the frame after optimization kept away from each external excitation frequency of breeding harvester.【Conclusion】 The study provides reference for the design and optimization of frame structure of plot wheat breeding harvester.

Key words：plot wheat breeding harvester;modal analysis;frame;external excitation;structure optimization

通信作者：戴飛，男，講師，主要從事旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備的研究.E-mail：daifei@gsau.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51365003)；甘肅省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金計劃項目(1305NCNA142).

收稿日期：2015-01-13；修回日期：2015-04-13

中圖分類號：S 225

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)01-0144-06

第一作者：李興凱(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備.E-mail：1298164456@qq.com