三點懸掛尖鏟式小麥播種機機架振動特性分析

顧麗春+果霖+李歡

摘要：采用機械均勻播種小麥是解決傳統播種方法播種密度不均勻而導致小麥群體過大、易倒伏、穗粒小等問題的重要措施，但是由于種種問題，機械播種的均勻度很難得到保證，其中播種機機架的振動是重要的影響因素之一。使用Solidworks建立機架的參數化模型并將其導入到ANSYS Workbench中進行預應力模態分析和諧響應分析。分析結果表明：機架低階模態振頻的范圍是11.535～43.843 Hz；當尖鏟受到的簡諧載荷作用的頻率為13.2～15.1 Hz 和22.9～25.1 Hz時，其變形響應最大，作業過程中可以通過調整作業速度來避開模態的振頻和簡諧載荷的相應頻率來保證機架的穩定。

關鍵詞：尖鏟式小麥播種機；預應力模態分析；諧響應分析；ANSYS Workbench

中圖分類號：S223.2+2 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2017）01-0214-03

小麥是我國最主要的糧食作物之一，為了提高小麥的產量，傳統種植技術多以增加肥料、水分，提高播種密度等措施為主要方法，傳統方法使小麥群體過大，進而不能得到充分的光照，導致了小麥易倒伏、穗粒小等問題[1-2]。優化傳統種植方法的重要措施就是采用機械完成小麥的播種工作，但是由于種種問題，小麥播種機在實現均勻精密播種上存在一定問題[3]。

小麥播種機一般通過三點懸掛裝置安裝在拖拉機上，在播種的過程中，播種滾筒的轉動會產生一定的振動；開溝尖鏟進行破土時，由于土壤的堅實度不同，會對尖鏟形成周期作用載荷[4]。

本研究使用ANSYS Workbench對某型號三點懸掛尖鏟式小麥播種機機架進行模態分析和諧響應分析，得到其模態特性和在簡諧載荷作用下的變形響應，為小麥播種機性能的評價及其優化設計提供一定的依據。

1 小麥播種機機架模型

小麥播種機機架由方鋼管焊接而成，本研究的機架主要有支撐架和開溝尖鏟組成，支撐架的寬度是460 mm，其長度為1 600 mm。利用Solidworks根據機架的具體尺寸建立支撐架和尖鏟的參數化模型，并將它們組裝到一起，形成裝配體，將裝配體導入到ANSYS Workbench中作為后續的分析模型，如圖1所示。

支撐架的材料為45號鋼，在ANSYS Workbench中提供了這種材料的模型，可以直接調用[5]；尖鏟采用的是灰鑄鐵，將其材料特性按照表1所示的參數進行調整。

2 預應力模態分析

2.1 預應力模態分析

模態分析是一種計算結構振動特性的數值技術，結構振動特性包括振頻和振型，對結構進行模態分析，能得到其振動特性，避開外界干擾頻率，進而避免共振現象的發生[6]。

模態分析又可以分為自由模態分析和預應力模態分析。與預應力模態分析相比，自由模態不考慮結構受到的約束和載荷，而預應力模態分析考慮結構受到的約束和載荷，其分析結果更加準確[7]。

2.2 求解預處理

對幾何模型劃分網格是有限元分析的必要步驟之一，網格單元的質量將直接影響后續分析過程的速度以及分析結果的準確性。對于立體幾何模型來說，單元的形狀主要有四面體和六面體，單元的形狀越不規則，其求解的誤差就會越大[5]。本研究利用ANSYS Workbench提供的自動網格劃分的方法對幾何模型進行劃分，并控制單元小于6 mm，劃分完網格的幾何模型共含有10 775 96個節點和58 979 4個單元。

小麥播種機工作時，機架是通過三點懸掛式機構安裝在拖拉機上的，本研究在機架三點懸掛機構的孔上施加3個圓柱約束，模擬其工作時受到的約束情況。

2.3 結果分析

由于小麥播種機受到外界干擾的頻率一般較低，根據實際需求求解機架前六階模態，前六階模態的振頻在11.535～43.843 Hz之間（表2）。

從機架第一階模態振型云圖（圖2）中可以看出，三點式懸掛機構的變形不大，最大的變形出現在機架的尾部和落種滾筒的安裝位置上；整體變形關于中心面成對稱分布。

從機架的第二階模態振型云圖（圖3）中可以看出，支撐架的前部和懸掛機構的變形較小，最大的變形出現在支撐架的后部，尤其出現在種子斗的中間位置，整個機架的變形關于中心面成對稱分布。

從機架的第三階模態振型云圖（圖4）中可以看出，機架整體的變形成波浪狀，最大的變形出現在支撐架的尾部和種子斗的邊緣。

從機架的第四階模態振型云圖（圖5）中可以看出，機架的兩端都出現了上翹，最大的變形位置出現在種子斗的中部。

從機架的第五階模態振型云圖（圖6）中可以看出，最大變形出現在了邊緣位置的開溝尖鏟上，整個機架都發生了較大扭曲。

從機架的第六階模態振型云圖（圖7）中可以看出，最大的變形出現在開溝尖鏟上，機架其他部分的變形較小。

3 諧響應分析

在模態振型云圖中， ANSYS Workbench默認的是關于質量矩陣歸一化的模態，圖中所示的數值大小并不是真實的位移尺寸，只是個點位移的比值[8-9]。為了得到機架更加準確的振動特性，需要對機架進行諧響應分析，得到機架在一個頻率范圍中頻率與位移的關系。

3.1 諧響應分析預處理

由上一部分的模態分析可知，前六階模態的振頻范圍是11.535～43.843 Hz，在開溝的過程中，由于播種機行進的速度較慢，所以其受到的簡諧作用載荷的頻率一般較小，所以將作用在犁鏟上的載荷頻率的最大值設置為30 Hz，最小頻率設置為0 Hz，大小設置為0.1 MPa，作用在開溝尖鏟的上表面上。

3.2 求解與結果分析

通過諧響應分析可以得到多種關于簡諧載荷頻率的變化曲線，如頻率-應力響應曲線、頻率-應變響應曲線、頻率-加速度響應曲線、頻率-變形響應曲線等，本研究主要考察小麥播種機機架的振動變形情況來評價小麥播種機的性能，所以只對機架的頻率-變形響應曲線進行研究。

圖8是載荷頻率與機架在x方向上的變形響應曲線，可以看出當載荷頻率范圍在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz內時機架在x方向上出現較大變形響應，其相應的最大變形量為43.02 mm。

圖9是載荷頻率與機架在y方向上的變形響應曲線，可以看出當載荷頻率范圍在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz內時機架在y方向上出現較大變形響應，其相應的最大變形量為44.21 mm。

圖10是載荷頻率與機架在z方向上的變形響應曲線，可以看出當載荷頻率范圍在11.2～18.9Hz內時機架在z方向上出現較大變形響應，其相應的最大變形量為 2.54 mm。

4 結論

從上述的預應力模態分析和諧響應分析中得到如下結論：為了保證小麥播種機的正常工作，外界對其作用的干擾頻率要避開其模態振頻的頻率，如11.535 Hz、43.843 Hz；當作用在尖鏟上的簡諧載荷的頻率在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz范圍內時，機架會產生較大的變形響應，在播種過程中應該調整播種機的前進速度，避免出現上述頻率的簡諧載荷。

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