劉 虎，邸志峰，崔中凱，張 華，周 進(jìn)，卜令昕

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

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玉米收獲機(jī)脫粒滾筒的模態(tài)及強(qiáng)度分析—基于ABAQUS

劉 虎，邸志峰，崔中凱，張 華，周 進(jìn)，卜令昕

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

脫粒滾筒是玉米收獲機(jī)的重要零部件，對脫粒效果有著重要影響。為此，以脫粒滾筒為分析對象，應(yīng)用SolidWorks軟件建立其三維模型，并導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以Abaqus軟件為求解器進(jìn)行模態(tài)和靜應(yīng)力計(jì)算。分析結(jié)果表明：脫粒滾筒剛度薄弱位置出現(xiàn)在滾筒中間位置，后續(xù)若開發(fā)高性能樣機(jī)，可以考慮在滾筒中間位置增設(shè)襯板，以提升滾筒剛度，從而為后續(xù)開發(fā)高工作性能脫粒滾筒提供了參考。

玉米收獲機(jī)；脫粒滾筒；模態(tài)；靜應(yīng)力

0 引言

我國玉米收獲機(jī)技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展，先后經(jīng)歷了背負(fù)式、互換割臺式及自走式等不同的發(fā)展階段，果穗收獲技術(shù)基本趨于成熟，玉米籽粒收獲機(jī)正逐步取代果穗收獲技術(shù)成為今后的發(fā)展方向。然而，脫粒過程中破碎率高是制約籽粒收獲發(fā)展的重要因素。因此，通過建立脫粒清選試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)，以優(yōu)化脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

脫粒滾筒是玉米脫粒清選試驗(yàn)臺的重要零部件，對脫粒效果有著重要影響。在工作過程中，脫粒滾筒是試驗(yàn)臺的主要振動(dòng)源之一，其產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)不但會使零部件發(fā)生屈服、疲勞斷裂等破壞，還會形成較大位移，嚴(yán)重影響整機(jī)工作過程的穩(wěn)定性、可靠性[1]。因此，在脫粒滾筒設(shè)計(jì)過程中，有必要進(jìn)行模態(tài)和靜應(yīng)力分析，檢驗(yàn)滾筒是否與激勵(lì)頻率接近，避免危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速區(qū)間，提升結(jié)構(gòu)可靠性。

本研究利用SolidWorks軟件建立脫粒滾筒三維模型，然后導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后以Abaqus軟件為求解器進(jìn)行模態(tài)和靜應(yīng)力計(jì)算。通過模態(tài)計(jì)算，求取滾筒固有頻率分布范圍、各階相應(yīng)振型；通過靜應(yīng)力分析，求取滾筒應(yīng)力分布云圖，為后續(xù)滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 脫粒滾筒設(shè)計(jì)與建模

1.1 脫粒滾筒的設(shè)計(jì)

為了研究高含水率玉米低損脫粒技術(shù)，設(shè)計(jì)的脫粒清選試驗(yàn)臺如圖1所示。脫粒滾筒是玉米脫粒清選試驗(yàn)臺的重要工作部件，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)直接影響到玉米脫凈率、破碎率等指標(biāo)，其強(qiáng)度和可靠性直接影響脫粒試驗(yàn)臺的性能。

1.機(jī)架 2.脫粒裝置 3.清選裝置 4.動(dòng)力裝置 5.果穗輸送裝置

本文設(shè)計(jì)的玉米脫粒滾筒，前段裝有紋桿塊，主要起脫粒作用；中間段裝有脫粒桿，輔助脫粒，主要作用是將雜余和夾帶的籽粒充分松散開來，減少夾帶損失；末端排芯板的作用主要是將雜余和玉米芯排出脫粒滾筒之外，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 脫粒滾筒三維模型的建立

脫粒滾筒采用SolidWorks軟件完成三維建模。整個(gè)脫粒滾筒模型由具備一定裝配關(guān)系的多個(gè)零件組合在一起構(gòu)成脫粒滾筒。在SolidWorks中，零件的模型由一系列特征構(gòu)成，選擇所需特征，設(shè)定好特征尺寸和定位參數(shù)，即可生成所需的三維模型，如圖3所示。通過參數(shù)和幾何約束之間的相互關(guān)聯(lián)確定零件的特征，參數(shù)如表1所示。

1.左軸頭 2.滾筒體 3.紋桿塊 4.脫粒桿 5.排芯板 6.右軸頭 圖2 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)單位數(shù)值滾筒直徑mm500滾筒長度mm2800滾筒壁厚mm5紋桿塊數(shù)量個(gè)18脫粒桿數(shù)量個(gè)36排芯板數(shù)量個(gè)4轉(zhuǎn)速r/min200～800可調(diào)

圖3 脫粒滾筒3D模型示意圖

在完成三維建模后，將文件另存為.igs格式的模型并導(dǎo)入到Hyper mesh軟件中，借助Hyper mesh軟件的前處理功能，建立有限元分析模型。

2 脫粒滾筒有限元分析

2.1 脫粒滾筒材料屬性

本文脫粒滾筒的材料屬性如表2所示。

表2 脫粒滾筒部件材料參數(shù)表

2.2 脫粒滾筒網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要一環(huán)。理論上講,網(wǎng)格劃分是將連續(xù)域離散成一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)加設(shè)的近似函數(shù)分片地表示求解域上待求的未知場函數(shù)的過程[2]。

為提升運(yùn)算效率，本脫粒滾筒有限元分析模型由2D和3D單元搭配構(gòu)成。整個(gè)模型由463 600個(gè)單元構(gòu)成，其滾筒外殼、刀座均采用2D-Shell單元構(gòu)成，單元類型為S4R；軸頭、刀體和齒桿部分為3D實(shí)體單元，單元類型為C3D10M；螺栓連接部分采用Beam單元模擬連接。有限元分析模型如圖4所示。

圖4 脫粒滾筒網(wǎng)格模型

2.3 脫粒滾筒模態(tài)分析

模態(tài)分析的方法是以模態(tài)矩陣作為變換矩陣，將原物理坐標(biāo)變換到自然坐標(biāo)，使系統(tǒng)在原坐標(biāo)下的耦合方程組變成一組互相獨(dú)立的二階常微分方程；用單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)方程求解，得到系統(tǒng)各階模態(tài)的振動(dòng)，再通過模態(tài)疊加，回到原來的物理坐標(biāo)[3]。

模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

理論上講，當(dāng)系統(tǒng)無外部載荷作用時(shí)，若忽略阻尼影響，則系統(tǒng)可看作無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為[4]

(1)

約束模態(tài)在求解過程中，若考慮阻尼影響，則結(jié)構(gòu)固有頻率的求解過程將變得過于復(fù)雜。因此，本文模態(tài)求解過程中忽略阻尼的影響，那么系統(tǒng)可以看成無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程變?yōu)閇4]

(2)

假設(shè)滾筒振動(dòng)系統(tǒng)為線性簡諧運(yùn)動(dòng)，則

{δ}={X}sin(ωt+α)

(3)

將式(3)帶入式(2)，得到廣義特征值方程為

([K)-ω2[M]{X})=0

(4)

其中，{X}代表振動(dòng)向量；ω2表示自激振動(dòng)頻率的平方，是系統(tǒng)的特征解。

由式(4)可以看出，系統(tǒng)的固有頻率僅與系統(tǒng)本身特性和邊界約束有關(guān)。

按照滾筒實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行約束，約束其連接端空間X、Y、Z三向自由度，不允許邊界約束中存在非零位移出現(xiàn)，創(chuàng)建分析Job進(jìn)行求解。

本文按照Block lanczos迭代法提取脫粒滾筒總成前6階約束模態(tài)。Block lanczo迭代法適用于求解含有實(shí)體單元和殼單元的模型，對于求解大型模型的大量振型時(shí)比較有效，前8階約束模態(tài)分析結(jié)果如表3及圖5～圖10所示。

表3 前8階約束模態(tài)分析結(jié)果

續(xù)表3

圖5 脫粒滾筒1階振型云圖

圖6 脫粒滾筒2階振型云圖

圖7 脫粒滾筒3階振型云圖

圖8 脫粒滾筒4階振型云圖

圖9 脫粒滾筒5階振型云圖

圖10 脫粒滾筒6階振型云圖

由圖5可知：在1階約束模態(tài)中，脫粒滾筒整體XOY平面以滾筒旋轉(zhuǎn)軸為軸心扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對稱扭轉(zhuǎn)，最大位移出現(xiàn)在排芯板邊緣處。圖6、圖7為風(fēng)機(jī)2階 、3階約束模態(tài)振型，兩階固有頻率近似相等，應(yīng)該是振動(dòng)方程的二重特征值，振型也基本相似，均為滾筒壁收縮運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)位移由兩側(cè)向中間部位逐步增加，最大位移出現(xiàn)在脫粒滾筒的中間部位。圖8為脫粒滾筒4階約束模態(tài)，振型為脫粒滾筒整體軸向前后竄動(dòng)。圖9、圖10兩階約束模態(tài)固有頻率數(shù)值接近，且振型同樣滾筒中間薄弱位置的左右擺動(dòng)，屬于振動(dòng)方程的二重特征根。

綜合前6階約束模態(tài)固有頻率值及其對應(yīng)振型，脫粒滾筒最大位移均出現(xiàn)在滾筒中間位置，脫粒滾筒軸頭、軸頭接板和螺紋桿部分均未出現(xiàn)較大位移。因此，剛度薄弱環(huán)節(jié)主要集中在滾筒中間位置。

脫粒滾筒在運(yùn)行過程中，主要振動(dòng)激勵(lì)來源于自身的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，激勵(lì)頻率與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速成如下關(guān)系，即

(5)

其中，n為滾筒旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(r/min)；f為旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率(Hz)。

本文中滾筒最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為800r/min，旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率為13.3Hz。脫粒滾筒總成一階約束模態(tài)遠(yuǎn)高于滾筒旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率，結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果可知：滾筒脫粒滾筒總成工作過程中可以有效避免共振現(xiàn)象，滿足模態(tài)設(shè)計(jì)要求。

2.4脫粒滾筒靜力學(xué)分析

靜力分析由線性靜力學(xué)分析與非線性靜力學(xué)分析兩部分構(gòu)成。對于線性靜力學(xué)分析，通常分析結(jié)果和載荷之間是線性的，可以通過分析某一載荷狀態(tài)來評估結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度；對于非線性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的位移和、應(yīng)力等與載荷是非線性關(guān)系，通常要得到載荷增加過程中材料的響應(yīng)[5]。

本文采用線性靜力學(xué)分析對滾筒應(yīng)力分布進(jìn)行求解。線性靜力學(xué)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)平衡方程中力與時(shí)間無相互關(guān)系，所以結(jié)構(gòu)位移可由下列方程求解[5]，有

[K]{u}={F}

(6)

其中，[K]為系統(tǒng)總體剛度矩陣；{u}為待求節(jié)點(diǎn)的位移矩陣；{F}為節(jié)點(diǎn)上的載荷矩陣。

按照脫粒滾筒實(shí)際約束狀態(tài)限制其軸端X、Y、Z三向自由度。

空間施加重力場，然后設(shè)置脫粒滾筒繞旋轉(zhuǎn)軸以800r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行，得到脫粒滾筒Mises應(yīng)力云圖，如圖11所示。

結(jié)合圖11可以看出：脫粒滾筒應(yīng)力主要集中在螺紋座、脫粒桿座與滾筒壁連接處，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度。因此，脫粒滾筒滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖11 脫粒滾筒 Mises 應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

1)對脫粒滾筒進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明：脫粒滾筒剛度薄弱位置出現(xiàn)在滾筒中間位置，脫粒滾筒軸頭、軸頭接板和螺紋桿部分均未出現(xiàn)較大位移。

2)對脫粒滾筒進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，結(jié)果表明：脫粒滾筒應(yīng)力主要集中在螺紋座、脫粒桿座與滾筒壁連

接處，其余位置未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中。

3)聯(lián)合運(yùn)用CAD和CAE技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，可以有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。

本仿真分析有助于協(xié)助脫粒滾筒設(shè)計(jì)人員全面把握脫粒滾筒的剛度和應(yīng)力分布情況，對后續(xù)設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)流程的提升有一定積極作用。但仿真計(jì)算結(jié)果僅供參考，如需進(jìn)一步提升計(jì)算精度，還需結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證不斷優(yōu)化。

[1] 嚴(yán)帥，曹京東.基于ANSYS的滾筒軸優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，43(1):42-45.

[2] 王鈺棟，金磊，洪清泉，等.Hypermesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 楊英，趙廣耀，孟凡亮.某轎車白車身模態(tài)分析與試驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2008(7)：1046-1048.

[4] 陳江龍，盛德仁，陳堅(jiān)紅，等.基于模態(tài)分析的汽輪機(jī)葉片有限元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電站系統(tǒng)工程,2005，21(1)：51-53.

[5] 江丙云，孔祥宏，羅元元.ABAQUS工程實(shí)例詳解[M].北京:人民郵電出版社, 2014.

[6] 于亞軍.基于三維離散元的玉米脫粒過程分析方法研究[D].長春：吉林大學(xué),2013.

Model and Strength Analysis of Corn Harvester Threshing Cylinder —Based on ABAQUS

Liu Hu, Di Zhifeng, Cui Zhongkai, Zhang Hua, Zhou Jin, Bu Lingxi

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute, Jinan 250100, China)

Threshing cylinder is the important component of Corn Harvester, it has important influence on threshing effects. Based on threshing cylinder as the analysis object, applying solidworks software establishing 3D model, then importing the model into Hypermesh software finishing meshing models, finally using Abaqus software as the solver to calculate the modal and static stressing of the model. The analysis results show :The stiffness weak position appears in the middle of the drum, a lining board can be added in the middle of the drum position, in order to enhance the platen stiffness. By this research, the reference for subsequent roller structure optimization designing will be provided.

corn harvester; threshing cylinder; modal analysis; static stress

2016-04-01

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B01)；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院地引導(dǎo)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015YDHZ05)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GZX212001)；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目(NJGG201507)

劉 虎(1986-)，男，山東臨沂人，助理工程師，(E-mail)liuhu0725@163.com。

邸志峰(1980-)，男，山西原平人，工程師，(E-mail)dzf_1125@163.com。

S225.5+1

A

1003-188X(2017)04-0037-05