電動四輪割草機核心部件預應力模態分析

李文飛

摘? ?要：電動四輪割草機是園林綠化機械中應用最廣泛的一種，本文以我司LM51電動四輪割草機為例進行研究，運用計算機模擬仿真技術對其核心部件切割刀片進行模態分析研究。分析結果顯示： 切割刀片的振動大多來源于刀片的邊緣，且切割刀片外端邊緣最容易產生振動彎曲破壞，該電動四輪割草機切割刀片最高工作轉速遠低于其1 階臨界轉速，有效地避免了共振的發生，驗證了切割刀片設計的合理性。該分析方法，在電動四輪割草機設計周期、設計質量和經濟性方面顯現了明顯的優勢。

關鍵詞：LM51電動四輪割草機? 核心部件? 模態分析

中圖分類號：S817? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0106-03

近些年來，隨著國家對城市綠化工作的重視，草坪綠地業隨之迅猛發展起來，我國的園林機械制造業得到了前所未有的發展，而電動割草機作為園林機械的一種，其產業由小到大，迅速發展，現已成為一個產品門類齊全、市場需求十分旺盛的產業。但是，我國電動割草機產業發展基礎相對比較薄弱，與很多發達的國家相比，還有一定的差距。為了加速提高我國電動割草機產業的技術創新能力、加強電動割草機研發的產、學、研結合，已經成為當務之急。

1? 電動四輪割草機簡介

電動四輪割草機作為園林綠化機械的一種，主要用于城市街心花園、街道綠化帶以及家庭庭院等綠地的修剪、整理等工作，是園林機械中應用最廣泛的一種。本文以我司LM51電動四輪割草機為例進行研究，該電動四輪割草機主要由支撐部件、調高機構、割草動力總成、行走總成、控制機構及集草箱等六大部分組成。電動四輪割草機外形如圖1所示。

而割草機中的割草動力部件主要由割草電機、支座、傳動軸、帶輪、剎車機構和切割刀片等組成。割草電機安裝在機體的上方，切割刀片通過傳動軸安裝在機體內，割草裝置結構示意圖如圖2所示。其中，切割刀片為電動四輪割草機核心部件之一。對切割裝置中的關鍵部件切割刀片的優化分析，提高電動四輪割草機結構的可靠性顯得尤為重要。切割刀片一般采用優質合金工具鋼制造，以保證其具有較高的鋒刃度和耐磨強度，同時，刀片應有工作狀態時合理的動態特性，以達到對振動與噪音的控制。割草時馬達一直將周期變化的力作用在切割刀片上，使其處于高速旋轉狀態，從而使得刀片振動產生激振力。當其變化頻率與刀片固有的自振頻率相等或者成整數倍時，刀片就會產生共振。當共振發生時，切割刀片的振幅將會急劇增加，從而使得切割刀片最終因疲勞而斷裂、破壞。由于切割刀片在工作時會產生高速旋轉，此時由于離心力而產生的預應力的作用下，其自振頻率將會增加。因此需要分析切割刀片在某一轉速下的模態，即預應力模態分析。

2? 電動四輪割草機切割刀片三維模型的建立

在PRO/E 軟件中建立電動四輪割草機切割刀片的實體模型，然后將其另存為stp 格式。將已建好的切割刀片的三維模型導入分析軟件ANSYS Workbench 中。通過建立尺寸驅動關系，方便有限元分析模型后續的改進優化。建好的切割刀片三維模型如圖3所示。

3? 電動四輪割草機切割刀片有限元模型的建立

電動四輪割草機切割刀片在實際割草過程中不僅起到切割的作用，還具有甩草的功能，同時又起到離心風扇的功能，可以給電動四輪割草機機殼內的馬達散熱。本文中的預應力下的模態分析需要在一定的假設條件下求解，其假設條件主要有：

（1）切割刀片是線彈性材料;

（2）分析時不考慮溫度影響;

（3）切割刀片滿足小變形理論;

（4）切割刀片處于自由振動。

將已經建好的切割刀片三維模型導入ANSYS Workbench分析軟件后，進入模態分析Model 模塊。如圖4所示。

在Toolbox中選擇Pre-stress modal，刀片的材料為40Mn，密度為7.8×10-6kg/mm?，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28;在Model環境中生成刀片網格。采用自動網格劃分法，劃分過程共產生有110040個節點，61521個單元。網格劃分后的刀片模型如圖5所示。電動四輪割草機整機的工作轉速一般是3600 r/min，因此，以此轉速作為分析預應力的基礎轉速。施加慣性載荷，輸入角速度276.8 rad/s ，設定想要的結果：刀片的等效應力（Equivalent Stress）與總體變形（Total Deformation）如圖5。

4? 電動四輪割草機切割刀片有限元模態結果分析

模態分析結果中顯示切割刀片在工作狀態下刀片應力最大值是92MPa，遠低于40Mn材質的屈服強度，因此切割刀片材質的選擇符合該產品的工況要求。

刀片受到軸振動的激勵頻率公式為：

f=n/60? ?式中：n為轉速，r/min;f為頻率，Hz;

刀片激勵頻率f=3600/60; f=60Hz

由上式可得避開了刀片各階自振頻率，有效防止共振的發生。根據分析的結果，前6 階固有頻率和振動特性見圖7所示，相應的振型如圖8所示。由振型云圖可以看出，刀片的振動主要發生在刀片的邊緣附近。割草機工作時，動力通過馬達軸帶動刀片旋轉，振動隨著刀片外部方向逐漸增強，使刀片邊緣容易發生彎曲破壞。在模態分析結果中，1階與2階頻率是刀片振動過程中能量的主要集中處。根據轉速與頻率的關系，可以得出刀片前6階的臨界轉速，見表1。

由表1可知，1階模態頻率所對應的臨界轉速為6780.6r /min，即為刀片的1階臨界轉速。電動四輪割草機的刀片最高轉速為3600r/min，低于其臨界共振旋轉速度范圍。由此可知，刀片正常工作狀態下不會發生共振現象。

5? 結語

本文在對割草機的核心部件切割刀片進行分析研究中運用了計算機模擬仿真技術，經過分析可知，切割刀片的振動大多來源于刀片的邊緣，且切割刀片外端邊緣最容易產生振動彎曲破壞，該分析的方法，將在電動四輪割草機設計質量和經濟性方面顯現優勢，研究的成果適合目前電動割草機生產企業的當前的技術需求，對相關企業的產品質量提升產生積極的影響。

參考文獻

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