刷輥式采棉機刷棉輥動力學分析

魏　俊，王云霞，石　磊，袁建寧

(1.南京工程學院，南京　211167；2.農業部南京農業機械化研究所，南京　210014)

?

刷輥式采棉機刷棉輥動力學分析

魏俊1，王云霞1，石磊2，袁建寧1

(1.南京工程學院，南京211167；2.農業部南京農業機械化研究所，南京210014)

摘要：介紹了刷輥式采棉機采摘裝置的結構和采摘機理，采用三維建模軟件Pro/E建立采摘裝置的三維模型，并通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對刷棉輥進行模態分析，得到其固有頻率和振型，為避開共振區和結構優化設計提供理論依據。同時，對縱向刷板進行瞬態動力學分析，計算出應力的大小和分布規律，為采摘部件的改進提供理論參考。

關鍵詞：刷輥式采棉機；刷棉輥；縱向刷板；有限元分析

0引言

我國是一個農業大國，棉花產量位居世界第一。棉花的種植環節已基本實現機械化，但棉花的采收機械化率卻并不高，已成為制約棉花生產全程機械化的瓶頸。實現采棉機械化對提高勞動生產率、降低生產成本及提高棉農收入等方面有著重要意義。目前，國內外的采棉機大致分為4類：分別是摘錠式采棉機、梳刷式采棉機、氣力式采棉機和振動式采棉機。市場上的采棉機主要以水平摘錠式的應用最為廣泛，主要集中在西北新疆地區[1]。但近年來，采棉機也在向經濟型和小型化的方向發展，主要包含有復指桿式、軟摘錠式、刷輥式和刮板毛刷式等幾種機型的采棉機。采棉機中最重要的部件是采摘裝置，其結構參數、運動參數及材料選用等因素對采棉機的作業效率有很大的影響[2]。

4MSG-3型刷輥式采棉機是由農業部南京農業機械化研究所研制的一種輕型采棉機。該機型具有結構簡單、制造工藝簡單、性價比高、采凈率較高及適用范圍廣等特點，目前正處于試驗和改進階段。本文通過三維軟件Pro/E對刷輥式采棉機的采摘部件進行三維建模，并導入到ANSYS Workbench 有限元分析軟件中，對其關鍵部件進行動力學仿真分析，旨在通過對刷輥體工作部件結構的動力學參數的研究，為后續采棉機的改進工作提供理論依據。

1采摘裝置的結構和采摘機理

1.1采摘裝置的結構

刷輥式采棉機采摘裝置由刷棉輥、防拔輥、輸棉絞龍、傳動裝置和收獲臺等部件組成，結構如圖1所示。刷棉輥、絞龍、防拔輥與地面之間的角度為30°。刷棉輥由刷板、軸管、刷板加強筋組成，刷棉輥軸管上均布有6條縱向刷板，結構如圖2所示[3]。

1.機架　2.傳動系統　3.刷棉輥　4.輸棉絞龍　5.防拔輥

1.2采摘部件的采摘機理

隨著機器的前進，棉株在扶導器的引導下進入采摘區域，刷棉輥快速旋轉與綻開的棉鈴接觸，依靠刷板的擠壓和擊打，使籽棉從棉株上分離；利用刷板的慣性和摩擦力，將脫落的棉花甩到絞龍中，通過氣力輸送部件將棉花送入到籽棉預清理裝置中，從而完成整個的采摘過程。

1.軸管　2.縱向刷板　3.加強筋

2刷棉輥的模態分析

模態分析主要用于確定結構的振動特性，即結構的固有頻率和振型。在產品設計之前可以預先避免可能引起的共振。同時，也有助于在其它動力學分析中估算求解控制參數等[4]。因為結構的振動特性決定了對各種動力載荷的響應情況，所以在進行其它動力學分析之前都要先進行模態分析。

2.1模型的導入與材料屬性的定義

將Pro/E建立的刷棉輥模型導入到ANSYS Workbench 軟件中，設置模型的單位為mm。

為了便于計算分析，需要對有限元的模型進行適當的簡化。本模型主要對帶方行座外球面軸承座的約束用圓柱面約束進行了替代。刷棉輥各部件的材料屬性如下表1所示。

表1　刷棉輥各部件的材料屬性

2.2網格劃分

網格劃分是有限元分析中至關重要的一步，網格劃分的質量直接影響到后續計算結果的準確性。這里采用的是四面體網格劃分，程序默認的單元是10節點的四面體單元，且使用patch conforming 算法。網格劃分完成后共有41 124個節點和18 016個單元，如圖3所示。

2.3邊界條件與接觸的設置

由于刷棉輥是一個裝配體，ANSYS Workbench 在導入裝配體時，會自動在兩個接觸的實體之間產生接觸對。在ANSYS Workbench中一共提供了5種類型的接觸，分別是綁定、不分離、無摩擦、粗糙和有摩擦接觸。其中，綁定和不分離接觸是線性的，其余3種屬于非線性接觸。綁定接觸不允許接觸面或線之間有相對滑動或分離，而不分離接觸允許接觸面之間無摩擦的滑動[4]。模態分析是一個純粹的線性分析，根據刷棉輥的實際的工作狀態，采用綁定接觸。位移邊界條件是在軸承安裝面上施加圓柱面約束，約束軸向和徑向的自由度，放開切向自由度。

圖3　刷棉輥網格劃分

2.4求解

由振動理論知識可知，共振主要由較低的固有頻率所引起的，所以只需提取前6階的模態。ANSYS Workbench 中模態分析的求解方法有Subspace法、Block Lanczos 法、Power Dynamic法、Reduced法、Unsymmetric法和Damped法[4]。Block Lanczos 法是ANSYS Workbench默認的求解方法，這種方法適用于矩陣特征值的求解，具有收斂速度快、精確度高的優點，所以本文采用這種求解方法,得到刷棉輥的前6階固有頻率和振型。圖4為刷棉輥的前6階模態振型圖，表2列出了前6階模態的頻率值。

圖4　刷棉輥前6階模態振型圖

階數頻率/Hz階數頻率/Hz1224.464536.582251.865622.243253.496623.39

2.5模態結果分析

從表2中可以得出：刷棉輥的第2階和第3階、第5階和第6階的頻率值比較接近，其兩兩的振型圖也比較相似。

從振型圖中可以看出：刷棉輥的主要變形是軸管的彎曲、縱向刷板的左右扭轉變形及離心力的作用。縱向刷板的末端位移偏大，因而對刷板的焊接工藝要具有更高的要求。工程中認為：外在激勵達到一階固有頻率的75%時，就易引起共振[5]。本文中刷棉輥的轉速一般在200r/min,這個數值遠低于刷棉輥的極限轉速，所以刷棉輥不會發生共振。

3縱向刷板的瞬態動力學分析

采棉機在工作時，縱向刷板與棉株直接接觸，所以需要對刷棉輥上的縱向刷板進行瞬態動力學分析。瞬態動力學分析中包含靜力分析及剛體動力分析的內容[4]。分析縱向刷板在工作時實際的受力情況，從而完成縱向刷板的瞬態動力學分析。

3.1材料屬性的定義

將縱向刷板的三維模型導入到ANSYS Workbench 中，設置模型的單位為mm。縱向刷板的材料為Q235A，材料屬性如表1所示。

3.2網格劃分

這里采用的是掃略網格劃分，將Relevance Center 設置為Fine,網格劃分完成后共有2 354個節點，283個單元。網格劃分圖如圖5所示。

圖5　縱向刷板網格劃分

3.3邊界條件與載荷的設置

根據實際的工作條件和經驗，縱向刷板在擠壓和擊打棉株時主要受到棉株的約束反力和摩擦力，大小分別約為3.4N和0.62N[2]；但縱向刷板在工作過程中并不是時刻都受到棉株的反作用力，只有刷板在進入采摘區域到將脫落棉花甩到絞龍里的這段時間是受力的，所以刷板的受力是一個周期性的過程。已知刷棉輥的周期T=0.3s，以縱向刷板受到的約束反力為例，其函數表達式為

在Analysis Setting 中設置兩個時間步：第1步設置終止時間為0.15s，打開自動時間步長，通過載荷步來定義載荷子步，初始子步10步，最小子步為5步，最多子步為20步；第2步設置終止時間為0.3s，其余設置參照第1步。由于縱向刷板的一端是焊接在軸管上，所以采用Fixed support 方法對其一端進行固定約束。在縱向刷棉板上施加壓力載荷，首先定義第1個載荷步內的載荷為3.4N，需要抑制在0.15～0.3s的載荷，第2個載荷步內的載荷為0。摩擦力的施加同理可得。

3.4求解

求解完成后，在后處理中可以得到不同的結果。輸出的結果包含位移云圖、等效應力和等效應變云圖，分別如圖6～圖8所示。

圖6　位移云圖

圖7　等效應力云圖

圖8　等效應變云圖

從圖6～圖8可以看出：縱向刷棉板所受的最大應力為1.95×10-5MPa，應力主要集中在根部，遠遠小于材料的許用應力，結構強度肯定滿足要求；最大位移為1.023×10-7mm，幾乎可以忽略不計。

4結論

1) 根據模態分析的結果可知：固有頻率可以有效地避免共振，同時也是其他動力學分析的基礎； 從振型圖中可以看出：刷棉輥變形較大的區域，為進一步的結構優化設計提供依據。

2) 縱向刷板承受隨時間變化的載荷作用，瞬態動力學分析的結果表明：結構強度能夠滿足實際的使用要求；最大應力集中在根部，可以適當增加根部尺寸以減小應力的集中。

3) 通過對刷棉輥的有限元分析，為采棉機結構設計的改進提供一定的理論依據。

參考文獻：

[1]樊建榮.采棉機的研究現狀和發展趨勢 [J]. 機械研究與應用,2011(1):1-4.

[2]劉向新,周亞立,楊懷君. 刮板毛刷式采棉機采摘部件的有限元分析-基于Pro/E [J]. 農機化研究,2011,33(4):25-32.

[3]潘金坤,袁建寧,石磊,等. 刷輥式采棉機運動學仿真分析[J]. 農機化研究,2015,37(12):63-65.

[4]浦廣益. ANSYS Workbench 12 基礎教程與實例詳解[M]. 北京:中國水利水電出版社,2010:117-120.

[5]鄭磊,尹健,紀斌,等.基于ANSYS的脫粒滾筒模態分析[J].農機化研究,2013,35(4):48-51.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0106-EA

The Finite Element Analysis for Cotton-beated Roller of the Roller Stripping-type Cotton Harvester

Wei Jun1, Wang Yunxia1, Shi Lei2, Yuan Jianning1

(1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China; 2.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization，Nanjing 210014，China)

Abstract：This paper introduces the structure and picking principle of picking device on the roller stripping-type cotton harvester, the 3D model of cotton-beated roller was established, using the 3D modeling software Pro/E. The modal analysis for cotton-beated roller was carried out by using the finite element analysis software ANSYS Workbench and acquire the natural frequencies and modes of vibration. These results provide a theoretical basis to avoid the resonance region and structural optimization design; transient dynamic analysis was made on the longitudinal cotton bat in order to calculate the rule of stress field, find out the regularities of distribution, it can provide theoretical reference for the improvement of picking part.

Key words：roller stripping-type cotton harvester; cotton-beated roller; vertical cotton bat; finite element analysis

文章編號：1003-188X(2016)06-0106-04

中圖分類號：S225.91+1

文獻標識碼：A

作者簡介：魏俊(1990-),男，江蘇泰州人，碩士研究生，(E-mail) weijun_njit@163.com。通訊作者：王云霞(1976-)，女，南京人，副教授，碩士生導師，(E-mail) Wang-yunxia@njit.edu.cn。

基金項目：農業部現代農業裝備重點實驗室開放課題(201303001); 南京工程學院大學生科技創新項目(N20151729)

收稿日期：2015-05-25