小型山地烤煙煙桿拔桿機旋轉輥刀系統模態分析*

，，，，

(1.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.廣西中煙工業有限責任公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

每年我國在農業生產過程中，在收獲農作物后將產生大量的作物秸稈，農民們對作物秸稈的處理也存在多樣化，如人工回收和就地焚燒還田等。秸稈還田可以促進農業生態系統的良性循環，因此中國許多學者在秸稈還田方面做了許多研究，且在秸稈還田技術領域取得了較多的研究成果[1-3]；我國是煙草生產大國，每年在煙葉收摘、煙葉收購完畢之后，大量的煙稈則變成廢料，不能及時妥當處理，或丟棄在田間給土壤帶來病蟲害，或積聚成堆造成固體廢棄物污染，或被曬干焚燒污染空氣，這不僅嚴重破壞了農村及其周邊城市的環境，而且造成了再生資源的浪費，違反了我國《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》的規定[4]。因此，對烤煙煙桿的處理問題越來越受到人們的重視，對于烤煙煙桿回收的問題，很多學者對此展開了相關的研究工作，并取得了一定的研究成果，多種烤煙煙桿拔桿機相繼問世，有些已經投入了生產，并產生了一定的經濟效益。

綜合比較國內現有的煙草拔稈機機型，分析其結構及工作原理，按照起拔部件和結構進行歸納分類，我國煙草拔稈機拔取機構可以分為鏈夾式、掘兜式、圓盤式、齒梳式等多種形式[5]。就現有的一些拔稈機分析來看存在一些不足，如西北農林科技大學研制的煙草拔稈機以及成都旭創力機械公司研發的4YBG-1型煙草拔桿機采用的鏈夾式拔取機構，該機構以大中型四輪拖拉機為動力，在北方大田作業效果顯著，而在南方丘陵地區不適應。河南農業大學研制的煙葉拔桿機，福建龍巖中農公司研發的設計的小型拔煙桿機采用了圓盤式機構，易出現打滑現象。福建龍巖市煙草機械試驗站研制的煙草拔桿機，江蘇鹽城市機械研究推廣中心唐圩研制的一種拔桿粉碎還田機采用了齒梳式機構，由于煙地雜草眾多，拔桿主要工作部件齒梳經常因纏繞雜草而不能正常工作。本文就一種掘兜式機構的拔桿機作為分析對象，如圖1所示，主要由動力機、動力傳動鏈、鏈輪、齒輪、減速箱、機架、鏈輪箱、輔助行走支撐桿和旋轉輥刀系統等組成，由田園管理機做動力機，經鏈傳動將動力傳至減速箱，再經齒輪傳動、鏈傳動將動力傳至執行機構旋轉輥刀系統，其工作方式采用旋耕原理，在根莖掘起輥刀系統上安裝若干刀片，工作時輥刀反轉刀片入土挖掘使煙蔸土壤疏松，接著掘出煙蔸出掉煙蔸根部附帶泥土，完成煙桿拔桿工作，工作時每個刀片容易產生沖擊載荷，同時還受到不同的外界激勵，且影響也不同, 如果沖擊力過強或振動頻率與系統固有頻率相同易產生共振，會導致部件的變形、損壞，甚至斷裂現象的發生。模態分析可以用于振動測量和機構動力學分析，獲得系統的固有頻率、振型等模態信息，這對于指導工程設計將大有益處[6]。隨著工程軟件和計算機技術的發展，近年來，模態分析技術在機械裝備的研制和優化方面都有著廣泛的應用。在汽車發動機方面，呂瑞等利用ANSYS Workbench對V8發動機的曲軸進行了模態分析[7]。在造船行業，徐向陽等對某大功率船用齒輪箱進行了模態分析，并利用最小二乘法對頻響函數進行了優化[8]。在農業機械方面，權龍哲等對玉米根茬收獲系統進行了模態分析，并用試驗模態的方法進行了驗證。楊喜，王金麗等利用ANSYS Workbench對甘蔗葉粉碎機刀輥進行了模態分析[9]。

1.輔助行走輪支撐桿；2.鏈輪箱支撐板；3.鏈輪；4.傳動軸；5.動力機；6.減速箱；7.機架；8.旋轉輥刀系統。圖1 一種掘兜式機構的拔桿機

通過模態分析，可獲得對應系統的振動模態參數，這有助于進一步分析系統的動態特性，同時也為系統結構設計的改進以及為實現拔稈機小型化提供依據。因此，為了提高拔桿機裝置的工作性能和穩定性，進一步優化拔桿機的結構，并提高拔桿機的工作效率和拔桿效果，本文采用了模態分析方法，對一種掘兜式拔桿機的旋轉刀輥進行分析研究，為下一步其結構的優化設計提供依據。

1 模態分析理論基礎

模態分析是動力學分析的基礎，工程上進行模態分析主要用于在產品設計之前預先避免可能引起的共振，其次有助于在其他動力學分析中估算求解控制參數(如時間步長)等，因為結構的振動特性決定了結構對于各種動力載荷的響應情況，所以在準備進行其他動力學分析之前首先就是要進行模態分析。

動力學的通用運動方程[10]為：

(1)

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{F(t)}為作用力；{u}為位移向量；t為時間。

對于模態分析，則F(t)=0,一般忽略。則(1)式變為：

(2)

因機構的自由振動為諧振動，即u=Usin(ωt) 則方程(2)變為：

(3)

2 實體模型的建立與有限元網格劃分

通過三維軟件UG建立旋轉輥刀系統的三維模型，如圖2所示。整個輥刀系統由輥刀軸、三角支架、刀片和護刀圓盤等組成。將三維模型轉換成.X_t格式，通過ANSYS Workbench Geometry導入并建立模態分析項。進行網格劃分，采用自動網格劃分方式，網格劃分為5574個實體單元和11679個節點，結果如圖3所示。

圖2 輥刀系統三維模型 圖3 輥刀系統網格劃分結果

3 模態分析

通過建立三維模型并成功導入模態分析項后，首先要設定材料屬性，本文輥刀系統采用常用結構鋼材，材料參數如下：密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2×1011Pa。進入模態分析后，默認為前6階模態數，頻率范圍從0到1×108Hz，采用程序默認設置即可滿足需要，在此無需做更改。接下來添加相應的約束，在兩端裝軸承的地方添加無摩擦約束(Frictionless Support)，在圖2右端面添加固定約束(Fixed Support)。最后在Solution項右擊選擇求解(Slover)即可求得前6階模態和相應振型云圖，如圖4中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)所示。

圖4 模態分析前6階振型云圖

4 結果分析

對前6階振型云圖分析可得，在1階模態下，如圖4(a)所示，輥刀系統主要表現為繞軸線的旋轉運動，最大位移發生在輥刀動力輸入端刀片和支架連接處和護刀圓盤上；在2階和3階模態下，如圖4(b)和4(c)所示，輥刀系統表現為整體彎曲振動，最大位移發生在輥刀刀片中間和護刀圓盤連接處；在4階和5階模態下，如圖4(d)和4(e)所示，輥刀系統主要表現為局部彎曲振動，最大位移發生在刀片中部；在6階模態下，如圖4(f)所示，輥刀系統表現為局部彎曲扭轉振動，最大位移發生在護刀圓盤上；輥刀系統前6階模態的頻率及對應的位移如表1所示。由于輥刀系統是有刀軸、三角支架、刀片等焊接和螺栓連接而成的，在振動情況下容易變形，并且產生較大的交變應力，最終會導致疲勞破壞，因此在設計輥刀系統時，應有針對性的增加輥刀系統的強度和剛度或者增加相應構件的厚度等來減少或降低由于振動導致的變形問題。

表1 模態分析結果

5 結論

通過ANSYS Workbench進行模態計算分析和振型云圖，確定了拔桿機執行機構旋轉輥刀系統的前6階固有頻率和振型，并可以直觀的看到各階模態所對應的振型、位移和最大位移發生的部位，進而可確定旋轉輥刀系統的動態性能。對輥刀系統的前6階模態分析結果為：1階模態(105.76 Hz)主要表現為輥刀系統繞軸線的旋轉運動；在2階模態(261.51 Hz)和3階膜態(261.99 Hz)下，輥刀系統表現為整體彎曲振動；在4階模態(314.42 Hz)和5階模態(314.72 Hz)下，輥刀系統主要表現為局部彎曲振動；在6階模態(326.18 Hz)下，輥刀系統表現為局部彎曲扭轉振動。輥刀系統的彎曲振動和扭轉振動易形成疲勞損傷從而導致疲勞破壞。輥刀系統所受的外部激勵產生的振動主要由土壤和動力傳動鏈引起，但不會引起輥刀系統的共振問題。通過模態分析，為后續的動力學分析做了基礎準備，同時為掘蔸式拔桿機輥刀系統的改進和優化提供了一定的理論依據，并且對于后續的故障診斷分析和整機的振動研究以及運動疲勞問題等奠定了一定基礎。

[1] 丁艷，彭卓敏，夏建林.國內典型秸稈還田技術及機具的比較與分析[J].中國農機化，2010(3)43 -46

[2] 王金武，尹大慶，韓永俊，等.水稻秸稈整株還田機的設計與試驗[J].農業機械學報，2007，38(10):54-56

[3] 李永磊，宋建農，王繼承，等.SGTN-180型旋耕埋草施肥聯合作業機的設計與試驗[J].中國農業大學學報，2011, 16(2): 143-147

[4] 李軍，李吉昌，等.煙草廢棄物利用研究[J].云南化工，2010，37(2): 44-49

[5] 譚謙.煙草拔稈機拔取機構試驗研究[D]. 湖南農業大學，2013.6

[6] 權龍哲，佟金，等.玉米根茬收獲系統的有限元模態分析與試驗[J].農業工程學報，2011，27(11)：15-20

[7] 呂瑞，曾東健，等．基于ANSYS Workbench的V8發動機曲軸有限元模態分析[J]．機械設計與制造，2012(8)11-13

[8] 徐向陽，朱才朝，等．大功率船用齒輪箱試驗模態分析[J]．振動與沖擊，2012，30(7)：266-270

[9] 楊喜，王金麗,等.基于Workbench的甘蔗葉粉碎機刀輥模態分析.中國農機化學報.2014，35(4)：36-39

[10] 浦廣益. ANSYS Workbench基礎教程與實例詳解：第2版[M].中國水利水電出版社，2013