寬幅噴桿模態分析及試驗

高 翔 ，馬 俊 ，溫浩軍

（1.石河子工程職業技術學院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學機械電氣工程學院；3.農業部西北農業裝備重點實驗室）

0 引言

全球水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、棉花、咖啡等8種農作物每年因病蟲害造成的產量損失率達42.1%，直接經濟損失5 000億美元。目前在植物保護工作中，主要有化學防治、物理防治、生物防治和綜合防治等防治手段[1]。其中化學防治具有功效高、防治及時等特點，對于突發性大面積爆發的病蟲害，能夠及時的控制與防治[2]。

噴桿式噴霧機具有病蟲害防治效率高、效果好、作業損害率低等優點，已逐漸成為大田作業中應用最廣泛的植保機型。噴桿是噴桿噴霧機的主要部件,其性能好壞影響噴霧效果。噴霧機在田間作業時，噴桿受到動載荷作用的時候，噴桿發生振動，而振動會導致結構產生共振或者材料疲勞，從而造成噴桿的損壞，所以需要了解結構自身的固有特性來防止共振的產生。本文通過有限元分析對噴桿進行模態計算及模態試驗獲取噴桿的固有頻率，然后與激振源的頻率對比，避免噴桿共振發生斷裂。

1 寬幅噴桿模態分析

1.1 噴桿有限元模型建立

本文借助CAD軟件Solidworks建立噴霧機噴桿的幾何模型（圖1），根據設計要求噴桿幅寬為23 m，采用五段分節式對稱結構。由于噴桿為對稱結構，只對噴桿的一側進行有限元分析，噴桿由大臂、小臂2段組成，共計長9 m，其中大臂長5.5 m。

圖1 噴桿三維模型

圖2 噴桿有限元模型

通過soildworks軟件將噴桿模型導出x_t文件，將x_t導入有限元分析軟件Ansys17.0中（圖2）進行分析。

1.2 材料屬性及網格劃分

在對噴桿劃分網格之前，先定義噴桿的材料屬性，噴桿材料為Q235結構鋼，質量密度ρ=7.85×103 kg/m3，彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.3。在workbench模塊對噴桿進行自由網格劃分時忽略倒角、裝飾件等不影響仿真結果的因素，有限元劃分元素為21 962，節點數99 719。

表1 材料屬性表

表2 前六階固有頻率

對噴桿進行模態仿真，提取噴桿前六階固有頻率如表2所示，其中一階模態固有頻率計算值為10.32Hz，振型特點為一階彎曲；二階模態固有頻率計算值為12.037Hz，振型特點為二階彎曲；三階模態固有頻率為16.138 Hz，振型特點為一階彎曲；四階模態固有頻率為22.573 Hz，振型特點為三階彎曲；五階模態固有頻率為23.091 Hz，振型特點為三階彎曲；六階模態固有頻率為33.459 Hz，振型特點為一階彎曲、一階扭轉。

圖3 一階模態

由于輪胎具有低通濾波性，噴霧機在田間作業時受到的激勵一般小于10 Hz。該噴桿的一階模態頻率為10.32 Hz，大于10 Hz，故該噴桿結構在田間作業時相對穩定，不易產生變形。

圖4 二階模態

圖5 三階模態

圖6 四階模態

圖7 五階模態

圖8 六階模態

2 噴桿試驗模態分析

2.1 試驗目的

為了驗證有限元模型準確性，需要通過模態試驗測出噴桿各階模態的頻率與計算模態的頻率進行對比分析。

2.2 試驗儀器

圖9 數據采集儀

圖10 力錘及傳感器

試驗所用儀器包括：M+P動態測試儀1臺、PCB力錘1個、ICP三向加速度傳感器2個、PC機1臺、數據線若干。PCB力錘靈敏度為2.354 mv/EV、1號傳感器X通道102.21 mV/EV，Y通道101.85 mV/EV，Z通道101.31 mV/EV；2號傳感器X通道102.52 mV/EV，Y通道102.07 mV/EV，Z通道102.69 mV/EV。

圖11 噴桿Analyzer幾何模型

2.3 試驗過程

（1）首先在m+p international SO Analyzer軟件中建立噴桿幾何模型并定義X、Y、Z坐標正方向。定義水平向右為X軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，垂直向里為Y軸正方向。在噴桿端點、連接點及節點處布置拾振點，本噴桿共布點33個拾振點，編輯好各點的X、Y、Z坐標值，并連接相應的點。按照編號用記號筆在噴桿上進行標記編號，加速器傳感器通過膠水粘貼在7號與15號位置。

圖12 頻響曲線和時域曲線

表3 固有頻率計算值與試驗值對比

（2）為了模擬噴桿自由狀態，用行車通過彈簧將噴桿懸吊，并且噴桿保持水平狀態。后用力錘依次敲擊各編號的的節點，每個節點敲擊3次，每次敲擊3下，共計297次。最后得到寬幅噴桿的頻響特性曲線和時域特性曲線，并得到試驗固有頻率值表。

表3列出了前六階的固有頻率計算值與試驗值的頻率誤差，誤差值在10%以內，對比驗證了有限元模型是合理的，能夠反映噴桿各階振型。

3 結論

（1）本文通過在soildworks軟件中建立噴桿三維模型，導入Ansys軟件進行模態計算分析，得出噴霧機噴桿前六階的固有頻率計算值。

（2）為了驗證有限元模型的正確性，用模態試驗方法求出噴桿前六階固有頻率與計算模態固有頻率計算值進行對比，并求出各階頻率誤差，各階頻率誤差值小于10%，驗證有限元模型正確可靠。該噴霧機噴桿一階固有頻率為10.32 Hz，在田間工作時大于激振源的頻率，不會發生共振造成噴桿斷裂，滿足田間作業激勵要求，驗證了噴桿設計合理性，滿足工作需求。