張偉東，孫浩然，任鴻飛，江 湖，任志貴

(陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中723000)

中國(guó)是根莖類作物種植大國(guó)，品種眾多的根莖類作物是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要支撐，因此，提高機(jī)械化收獲根莖類作物的水平成為廣大科研工作者研究的熱點(diǎn)［1，2］。元胡作為根莖類作物的一種，不但有食用價(jià)值，還有藥用價(jià)值［3］。為了提高元胡種植收獲效率，減少人工勞作強(qiáng)度，市場(chǎng)上研發(fā)了元胡收獲機(jī)，其中元胡收獲機(jī)的挖掘鏟是其主要收獲部件，影響挖掘深度、挖掘元胡的完好性品質(zhì)等，為此同時(shí)不少學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)其及其部件的性能優(yōu)化做了研究。如，吳道遠(yuǎn)等［4］針對(duì)元胡收獲機(jī)挖掘鏟入土角度的問題，對(duì)挖掘鏟的入土角旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，以螺桿帶動(dòng)挖掘鏟旋轉(zhuǎn)從而調(diào)節(jié)入土角度，同時(shí)可通過螺母固定挖掘鏟的入土角度，使挖掘深度更加穩(wěn)定。任志貴等［5］設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)工作高度的元胡收獲機(jī)推土鏟，基于仿生原理設(shè)計(jì)了仿生鏟齒，減小了鏟齒的切削阻力，提高了元胡收獲機(jī)的工作效率。但在以往的元胡收獲機(jī)鏟架的研究中，研究者只針對(duì)元胡收獲機(jī)實(shí)際工作中出現(xiàn)的問題，在其原有的研究基礎(chǔ)上對(duì)鏟架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，并未涉及鏟架整體動(dòng)態(tài)特性對(duì)元胡收獲機(jī)工作過程的影響。

在元胡收獲推土鏟鏟出土壤時(shí)，由于土壤中雜質(zhì)較多，使鏟架整體經(jīng)常產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)元胡收獲機(jī)工作頻率與鏟架整體固有頻率接近時(shí)，將引起共振，使鏟架振動(dòng)加?。?］，不利于元胡收獲機(jī)進(jìn)行收獲工作，因此，通過對(duì)元胡收獲機(jī)鏟架的模態(tài)分析，求解鏟架固有頻率和振型，從而有效避免工作頻率與鏟架固有頻率接近。因此，本文以鏟架整體為研究對(duì)象，使用Workbench 軟件，利用模態(tài)分析方法得到鏟架的各階模態(tài)頻率和模態(tài)特性，確定影響元胡收獲機(jī)鏟架動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵模態(tài)，為元胡收獲機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

1 元胡收獲機(jī)鏟架整體有限元模型

元胡收獲機(jī)整機(jī)主要由破碎機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、篩分機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和駕駛臺(tái)組成。收獲機(jī)時(shí)，首先通過高度調(diào)節(jié)裝置使破碎機(jī)構(gòu)楔入土壤，收獲機(jī)開始行走的同時(shí)，破碎輥轉(zhuǎn)動(dòng)將推土鏟鏟起的土壤破碎，輸送機(jī)構(gòu)將破碎后的土壤送至篩分機(jī)構(gòu)，將土壤和元胡分離，從而實(shí)現(xiàn)收獲。

元胡收獲機(jī)鏟架包括推土鏟和推土鏟兩側(cè)的固定架，以及固定架的連接板，如圖1 所示。

圖1 元胡收獲機(jī)整機(jī)示意圖

鏟架整體主體作為焊接件，各部位的尺寸精度較低且留有焊縫，不符合有限元模型建模要求，因此在鏟架建模時(shí)對(duì)各尺寸進(jìn)行修整，以消除間隙，從而創(chuàng)建合格的鏟架模型［7］。將建好的模型導(dǎo)入Workbench 分析軟件后，將材料定義為Q345，單元尺寸定義為5 mm，劃分單元格后，其單元數(shù)為75 633，節(jié)點(diǎn)數(shù)為75 652。元胡收獲機(jī)鏟架整體有限元模型如圖2所示。

圖2 鏟架整體有限元模型

2 模態(tài)分析

2.1 邊界條件

在有限元分析中，零件的邊界條件分為兩種：一種是載荷邊界條件，此條件可根據(jù)具體工況計(jì)算出載荷的具體數(shù)值；另一種是約束邊界條件，約束邊界條件即為該零件與其它零件連接的狀態(tài)，只能根據(jù)推導(dǎo)過程得到在軟件中設(shè)置的約束方式，比如零位移約束，該條件無法計(jì)算出具體數(shù)值，本研究中鏟架整體的邊界條件即為約束邊界條件。

自由模態(tài)分析時(shí)，鏟架整體視為無工況條件，即鏟架在無約束邊界的條件下進(jìn)行模態(tài)分析。約束模態(tài)分析時(shí)，鏟架約束狀態(tài)與元胡收獲機(jī)工況有關(guān)，此時(shí)元胡收獲機(jī)的工況為：鏟架楔入土壤，收獲機(jī)行走過程中鏟架同時(shí)受到土壤的阻力和已鏟起土壤的重力作用，土壤的阻力和重力作為激勵(lì)因素使鏟架發(fā)生振動(dòng)，該工況條件下鏟架的約束方式為兩側(cè)固定架施加固定約束。約束模態(tài)邊界條件推導(dǎo)過程如下所示：

由經(jīng)驗(yàn)可知［8］，任意形式邊界約束條件為：

式中：i、j 為位移分量號(hào)，C0、C1為給定常數(shù)。經(jīng)改寫可得到鏟架邊界約束條件，如下式所示。

為處理此約束，先構(gòu)造如下廣義位移向量：

即：

簡(jiǎn)記為：

式中{u}為結(jié)構(gòu)位移向量。則結(jié)構(gòu)方程為：

將式(5)代入式(6)可得：

兩端同左乘［λ］T，得：

即：

可得：

通過位移向量變換，任何形式的約束條件都可化為零位移約束來處理。由上述工況條件可知，對(duì)鏟架進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)，鏟架的約束邊界條件即約束類型為零位移約束，即將鏟架6 個(gè)自由度的位移全部約束為0。

2.2 自由模態(tài)分析

自由模態(tài)是零件本身在無約束狀態(tài)下自由振動(dòng)的固有屬性。如表1 所示，為元胡收獲機(jī)推土鏟前6階模態(tài)的固有頻率和最大變形量。

表1 鏟架前6 階自由模態(tài)

圖3 推土鏟前6 階振型

通過對(duì)鏟架自由模態(tài)分析可知，鏟架的前4 階模態(tài)主要為剛體模態(tài)。從圖中可以看出，鏟架的變形主要分布在兩側(cè)固定板和鏟前側(cè)滾輪支架鏟處，這些區(qū)域是影響鏟架振動(dòng)特性的主要區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮這些頻率，以避開外界激振頻率。從圖c、f可以看出，最大位移分別約為3.043 mm 和2.949 mm，且主要位移發(fā)生在兩側(cè)固定板與元胡收獲機(jī)鉸接處，此處是鏟架的固定部位，對(duì)元胡收獲機(jī)的可靠性影響最大。

2.3 約束模態(tài)分析

約束模態(tài)是常見的結(jié)構(gòu)模態(tài)，主要表現(xiàn)為零件結(jié)構(gòu)在約束條件下自由振動(dòng)的固有屬性。在鏟架和機(jī)身鉸接處施加固定約束后，對(duì)鏟架整體進(jìn)行約束模態(tài)分析，如圖4 所示。

圖4 鏟架前6 階振型

如表2 所示為鏟架約束模態(tài)的前6 階固有頻率和最大變形量。

表2 鏟架前6 階約束模態(tài)

從圖4 中可以看出，鏟架的第1、2 階變形主要分布在推土鏟中間部位，最大變形為4.963 mm；鏟架的第3、4 階變形主要分布在推土鏟鏟齒中間部位，最大變形為10.303 mm；鏟架的第5、6 階變形主要分布固定板鏈接帶，最大變形為11.403 mm。在兩側(cè)固定板和鏟前側(cè)滾輪支架鏟處。

綜上，通過對(duì)元胡收獲機(jī)鏟架自由模態(tài)和約束模態(tài)分析可知，在元胡收獲機(jī)鏟架的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)避開元胡收獲機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率，同時(shí)，可在鏟架變形較大的部位增加板材厚度，或通過后續(xù)對(duì)鏟架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化使其具有良好的動(dòng)態(tài)特性，從而保證元胡收獲機(jī)的可靠性。

3 結(jié)束語

建立了元胡收獲機(jī)鏟架的有限元模型，用Work bench 對(duì)鏟架整體的自由模態(tài)和約束摩天進(jìn)行求解，計(jì)算了鏟架整體的前6 階固有頻率，分析了元胡收獲機(jī)鏟架的主振型，為元胡收獲機(jī)鏟架后續(xù)的設(shè)計(jì)和減振優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)提高元胡收獲機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要的理論意義。