飼喂車攪龍的有限元分析

季鏵　石榮玲

摘 要：針對目前人工飼喂方式效率低、混合飼料質量低等情況，本文設計了一種飼喂車，重點對攪拌系統中的攪龍進行研究：運用SolidWorks軟件進行三維建模，并對攪龍進行模態分析，運用ANSYS Workbench軟件模塊，對導入攪龍進行結構有限元分析。

關鍵詞：飼喂車;攪龍;模態分析;有限元

中圖分類號：S817.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0055-03

TMR飼喂技術，一方面有利于提升攪拌飼料的效果質量;另一方面，也有利于提升生產效率，同時釋放勞動力，有效解決人力運輸飼料和喂料的問題。面對目前機械化養殖的趨勢，加強飼喂裝備的研究顯得尤為迫切。特別是對攪拌系統的研究優化，對飼喂機械的發展至關重要[1]。

1 系統建模分析

1.1 總體結構及原理

圖1是自走式精確飼喂車的總體布局，主要由底盤車架和上帶的攪拌系統組成。其中，攪拌系統的驅動依靠動力箱。

飼喂車的后車廂即是臥式TMR攪拌系統機械裝備。混料箱上配有蓋板，可以預防雨天或其他情況下對草料的污染。打開混料箱蓋板，通過輸送裝備，從箱體上部將待攪拌的料草裝入箱體內，完成裝料步驟。運轉設備，使主副攪龍按照一定的規則循環旋轉，對料草進行攪拌。期間攪龍和料草箱內壁上所安裝的動定鋸齒刀片，也通過相互配合來切割、粉碎料草[2]。料草在被攪拌的同時，又由于螺旋葉片的擠壓，在料槽箱內定向移動，當移動到后部時，原攪龍上的螺旋葉片終止，銜接三塊薄板，變成葉輪狀。該方式方便出料，并且豐富了攪拌的形式[3]。攪拌系統模型如圖2所示。

1.2 攪龍的有限元分析

1.2.1 Simulation模態分析。選擇SolidWorks中Simulation插件，建立新的算例，選擇頻率模塊。①選擇結構鋼材質;②對攪龍施加夾具;③劃分的網格如圖3所示;④計算算例。

對攪龍進行低階固有頻率的分析。

由于只關注臥式攪龍的低階模態與振型，所以導出前五階的模態數據與振型，數據如表1。

分析前五階振型圖（見圖4至圖8）。

①從數據上看，一階固有頻率（見圖4）發生的振動很弱，幾乎探測不到，實際攪龍工作時做旋轉運動，不約束此自由度。可見，葉片的振動影響主要出現在邊緣部分，因此發生的形變也在此處最大[4]。

②二、三兩階的振型圖（見圖5和圖6）情況相似，數據也較為接近，螺旋葉片與葉輪都受到振動的影響，且集中在葉輪上，葉輪處形變最大。

③三、四兩階的振型圖（見圖7和圖8）情況相似，攪龍螺旋葉片段中部，葉輪后部都有共振，并且形變最大處也在這兩個部位。

模態分析后的結果可知：飼喂車在運行過程中，來自各個激勵源的激勵有顛簸路面（小于3Hz）、發動機的振動（31～38Hz）和電動機的振動（50Hz）。因此，飼喂車在低階的共振頻率應為3～31Hz或者大于50Hz。所以符合要求。

上述振型圖表明：攪龍的螺旋葉片，各個位置的剛度并不總是一致的，當攪龍的螺旋葉片受到料草的各種力作用時，容易引發共振。為盡量避免共振損害，可以從以下兩方面進行優化：①適當加厚容易發生振動處;②對螺旋葉片的型面進行適當修整。

1.2.2 ANSYS靜力學分析。將模型導入ANSYS Workbench，對攪龍的力學特性及變形進行分析。其中，適當地對所建模型進行精簡，忽略定位銷孔、倒角等。導入軟件后，進入網格劃分，選用tet10單元四面體的劃分方式，設定關聯度為60，單元尺寸定為3×10-3m，如圖9所示，得到大約28 316個網格單元。

然后，給模型施加約束和載荷。

①料箱后部處受葉輪作用，飼料出現堆積擠壓，將此處壓力設置為60N，豎直向下。

②在飼料的攪拌混合過程中，飼料和螺旋葉片之間會有復雜的力學關系，在此用摩擦力和壓力簡化：設置摩擦為0.4N，表面壓力為50N。

③螺旋軸承受傳動扭矩，設置為9N?m，方向為螺旋軸轉動方向。

④對攪龍螺旋軸內表面施加約束（Frictonless Support），以模擬球軸承低摩擦的特性。

⑤對攪龍的葉片表面添加固液界面特性（Fluid Solid Interface），模擬原料在攪拌時的流體特性。

應力和形變結果分析如下。

攪龍的材質選用普通結構鋼，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，楊氏模量3.1×1011Pa，通過建立有限元求解[5]，得到的總形變和等效應力見圖10和圖11。

從圖10可以看出，最大形變出現在攪龍葉片和葉輪的最外圍，并且離軸越遠，形變越大。這符合在攪拌過程中，由于重力作用，飼料總是從下方蠕動推進，在攪龍葉片和料箱之間形成堆積，此處是對料草進行切割的地方。

從圖10可以得出，攪龍的首尾為兩個應力集中點，此處不但承載了軸肩傳遞的轉矩，也是飼料被料箱壁和攪龍擠壓的地方，容易形成應力集中。

實際上，攪龍會安裝有動定刀片，從一定方面也減輕了攪龍葉片形變和應力的作用。所以，合理布局動定刀片，適當提升易變形部位的厚度，可以有效優化攪龍的受力，減少形變。

2 結語

本文對飼喂車攪拌系統的結構和工作原理進行說明，并對關鍵部件、攪龍進行有限元分析，經過求解，得出攪龍的五階固有頻率。通過數據比對可知，此攪龍設計能避免日常工況下因各種激勵而產生的共振損害。借助ANSYS Workbench對攪龍進行靜力學分析，得出形變與應力云圖，找出攪龍首尾部為應力集中點并給予優化建議，進一步確保了設計的可行性。

參考文獻：

[1]謝凡.肉羊飼喂混合攪拌機混料系統結構設計與研究[D].石河子：石河子大學，2014.

[2]周斌，陳彤.全混日糧飼料攪拌車的磨損和使用[J].中國奶牛，2008（8）：53-56.

[3]蘇龍嘎，關薩茹拉.全混合日糧（TMR）技術在內蒙古錫盟地區的應用研究[J].農村牧區機械化，2016（2）：23-25.

[4]馮靜安.飼料攪拌機攪龍參數優化研究[D].石河子：石河子大學，2009.

[5]張釗，江國和，魏景松.ANSYS Workbench計算復雜機械手臂簡化方法[J].機電設備，2017（5）：20-25，31.