圓盤式果園開溝機刀盤作業模態分析

劉向暉，劉俊峰，李建平，王鵬飛

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定　071001)

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圓盤式果園開溝機刀盤作業模態分析

劉向暉，劉俊峰，李建平，王鵬飛

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定071001)

摘要：以果園開溝機的開溝裝置為研究對象，設計了開溝機的傳動機構，使用SolidWorks進行各齒輪造型并根據實際傳動比進行配合，此齒輪傳動為減速傳動。利用Inventor對開溝機進行三維造型，并對開溝裝置進行模態分析。結果表明：彎曲變形是開溝機發生破壞的主要形式，開溝機工作轉速符合模態分析的要求，不會與開溝機主體發生共振破壞；開溝裝置設計合理，為進一步對開溝機進行優化設計提供了數據參考。

關鍵詞：果樹；開溝機；Solidworks；Inventor；模態分析

0引言

林果業是實現生態效益和經濟效益并重的產業。其中，蘋果的種植面積更是逐年遞增，產量穩步增長。

果樹施肥是一項必須的園藝作業工序，開溝作業是果園施肥的一項必備的環節。目前,我國對果園開溝作業幾乎都是人工完成,勞動強度大、效率低；且隨著勞動力成本的不斷提高和青壯年勞力的短缺,對果樹施肥開溝的機械化需求越來越強烈[1]。隨著近年來園藝技術的發展，“三優園”采用新型果園的標準，即3m×1.5m行株距[2]，行間有1m左右的通道。我國對開溝機的研究開發起步晚，發展較慢，專門用于新型果園的開溝機很少。

開溝裝置是開溝機的關鍵工作部件，其結構參數是否合理直接影響著機具的工作阻力和作業性能。為了獲得開溝刀最佳結構參數，利用AIP軟件 創建了開溝刀的三維參數化特征模型，并通過內嵌于AIP軟件的模態分析應用模塊對其進行三維結構振動模態分析，以確定機構的自振頻率是否在外在振動頻率范圍內，避免機構因共振而損壞。

1開溝機的結構及工作原理

1.1基本結構

開溝機由機架、齒輪箱、懸掛裝置、主軸及刀盤組成，如圖1所示。施肥開溝機的基本參數：兩個刀盤之間的距離為1m，刀盤由6組、共12把開溝刀組成，最大開溝深度為0.4m，溝寬為0.25m。

1.機架　2.齒輪箱　3.主軸　4.懸掛裝置　5刀盤

1.2傳動系統

傳動系統的基本功能是通過發動機主軸聯接萬向節，萬向節再聯接傳動系統，把拖拉機發動機提供的扭矩傳遞給開溝機構。

一般的機械傳動方式包括帶傳動、鏈傳動及齒輪傳動?？紤]到發動機傳動軸與開溝機主軸相距較近，開溝作業開溝裝置需要強大而穩定的扭矩，所以采用齒輪傳動。使用Solidworks對各齒輪進行三維造型，并進行裝配，如圖2所示。

齒輪箱內各齒輪相互嚙合，傳遞拖拉機發動機的扭矩到開溝機刀盤主軸。其傳動原理如圖3所示。

工作時，發動機輸出軸通過萬向節與開溝機輸入軸聯接輸入動力，輸入軸帶動錐齒輪1，錐齒輪1帶動錐齒輪2，直齒輪3帶動直齒輪4，直齒輪4帶動直齒輪5，直齒輪5帶動直齒輪6，直齒輪6上的軸就是開溝機主動軸，輸出扭矩。

齒輪傳動的優點：①使用的圓周速度和功率范圍廣；②效率較高；③傳動比穩定；④壽命長；⑤工作可靠性高；⑥可實現平行軸、任意角相交軸和任意角交錯軸之間傳動。

圖2　 傳動系統示意圖

圖3　傳動原理示意圖

1.3工作原理

開溝機工作時，開溝機的懸掛裝置與拖拉機的后懸掛相連，拖拉機的動力由后輸出軸經過萬向節連接變速箱的輸入軸傳遞；再通過變速箱，經過主軸傳到刀盤，帶動刀盤旋轉。每個刀盤是由5組、共10把刀按順序環形排列，開溝刀切削土壤，把土壤向刀盤兩側拋出，形成施肥溝。

2開溝裝置模態分析

2.1刀盤的參數化特征模型

開溝部件結構簡單，由刀盤和開溝刀組成。通過AIP軟件建立開溝裝置三維模型圖。刀盤三維模型通過拉伸、螺紋孔、環形陣列完成。開溝刀三維模型通過拉伸、掃掠、彎折、圓角和螺紋孔完成，再根據裝配關系把各部件裝配到一起，如圖4所示。

圖4　開溝裝置模型

2.2對刀盤的模態分析

模態分析是有限元分析的一種，有限元分析可利用數值計算的方法求得問題的近似數值解。隨著計算機技術的發展，由于該法采用矩陣形式表達，便于編制計算機程序，可以充分利用高速計算機所提供的方便，因此有限元法已被公認為工程分析的有效工具，受到普遍重視[3]。

模態分析是最基本的線性動力學分析，用于分析機構的自振頻率特性，包括固有頻率和振型及振型參與系數[4]。其中，模態分析基礎是由數學模型來搭建完成的。

經典力學理論可知，物體動力學通用方程為

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

其中，[M]是質量矩陣；[C]是阻尼矩陣； [k]是剛度矩陣；[x]是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

無阻尼模態分析是經典的特征值問題，動力學問題的方程如下所示，即

[M]{x″}+[K]{x}={0}

結構的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數，表達式為

χ=χsin(ωτ)

帶入上式得

([K]-ω2[M]){x}={0}

AIP提供了強大的分析功能，把三維模型導入Iventor的應力分析模塊，進行模態分析。工作截圖如圖5所示。

圖 5　AIP模態分析模塊

對開溝裝置進行材料設置，把刀盤設置成合金鋼，把開溝刀設置成合金鋼。對整個機構進行網格劃分，使用軟件提供的網格命令劃分機構網格單元，計算機自動將敏感部位網格單元細化，在不影響計算精度的前提下減小電腦工作量，提高計算效率。軟件自動劃分網格的結果為30 735個節點及14 334個單元，劃分的有限元網格模型如圖 6 所示。

圖6　有限元網格模型

對機構的振動特性分析，低階自振頻率對結構影響比較大，因此分析設置提取前6階模態頻率。

軟件求解得到機構的固有頻率之后，選擇其前6階分析模態，則每一個固有頻率對應一個相應的振型云圖。各階振型云圖如圖 7～圖 11所示。

圖7　第1階振型

圖8　第2階振型

圖9第3階振型

圖10　第4階振型

圖11　第5階振型

圖12　第6階振型

從分析結果來看：整個機構的自振頻率范圍為140.91～174.84Hz。隨著分析階次的增加，固有頻率值也隨著逐漸增大。開溝裝置第1階振型是部分開溝刀沿X軸彎曲變形，變形量很大，刀盤幾乎沒有變形；機構2階振型是開溝刀沿Z軸彎曲變形和繞Y軸的扭轉合成，部分開溝刀變形量比較大，刀盤幾乎沒有變形；機構3階振型主要是開溝刀沿Y軸彎曲變形，下部分開溝刀容易沿Y軸方向彎曲變形，且變形量較大，刀盤幾乎沒有變形；機構4階振型為部分開溝刀沿Y軸彎曲變形，刀盤幾乎沒有變形；機構5階振型是開溝刀沿Z和Y軸方向產生位移，產生的變形與前4階相比較不大，刀盤幾乎不變形；機構6階振型是開溝刀延X、Y、Z這3個方向都有位移，機構彎曲扭轉變形加大，整個開溝裝置將會發生很大的變形，并且機構破壞的幾率進一步增加。

根據以上6階的振型云圖及振動理論可知：彎曲變形是開溝裝置的主要變形形式。

根據頻率與轉速的公式

n=60f

其中，f表示頻率(Hz)；n表示轉速(r/min)。

開溝機刀盤的臨界轉速如表1所示。

表 1　開溝機臨界轉速

表1表明：1階固有頻率所對應的轉速為8 454.6r/min，即開溝裝置的臨界轉速；而開溝裝置的工作轉速約為280r/min，1階臨界轉速高于工作轉速的96.69%。所以，該開溝裝置的工作轉速是安全的，不會有共振現象發生。

3結 論

通過對開溝機關鍵結構開溝裝置的模態分析，確認了開溝機工作轉速符合模態分析的要求，不會與開溝機主體發生共振破壞。同時，通過對開溝機開溝裝置的模態分析可知：彎曲變形是開溝機發生破壞的主要形式，為進一步對開溝機進行優化設計提供了數據參考。

參考文獻：

[1]康志軍,呂建強.果園機械化施肥技術探討[J].科技創新導報,2013(32):30-31.

[2]馬寶焜,徐繼忠,孫建設.關于我國蘋果矮砧密植的思考[J].果樹學報,2010,27(1):105-109.

[3]英維通．Autodesk Inventor 2014快速入門進階與精通[M]．北京：電子工業出版社，2015．

[4]陳艷霞．ANSYS Workbench工程應用案例精通[M]．北京：電子工業出版社，2012．

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0102-EA

The Modal Analysis of Fruit Tree Ditcher Knife Plate of Disc Type

Liu Xianghui, Liu Junfeng, Li Jianping, Wang Pengfei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

Abstract：I have designed the ditcher transmission mechanism taking orchard ditching machine as the research object. The gear transmission is reduction drive using SolidWorks to make shape of the gear, according to the actual transmission ratio to cooperate. The three dimensional parameterized model of the groove machine is created by using Inventor .The study conclusion show that the main form of damage to the ditcher occurred is the bending deformation; Ditcher work speed is in line with the requirements of the modal analysis; Resonance destruction Will not happen with ditcher subject. This suggests that the struction of ditcher is reasonable in design,it provides certain data support for optimization design of ditcher in future.

Key words：fruit tree; ditcher; solidworks; inventor; modal analysis

文章編號：1003-188X(2016)06-0102-04

中圖分類號：S222.5+2

文獻標識碼：A

作者簡介：劉向輝(1989-)，男，河北保定人，碩士研究生，(E-mail)1873126620@163.com。通訊作者：劉俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.cdu.cn。

基金項目：國家蘋果產業技術體系項目(CARS-28)；國家公益性行業(農業)科研專項(201203016)

收稿日期：2015-05-08