溫室三七收獲機有限元分析

楊海慧，張兆國，崔振猛，程一啟

(昆明理工大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明 650500)

0 引言

三七是我國云南地區(qū)一種名貴中藥材，具有很高的醫(yī)藥與營養(yǎng)價值，其屬喜陰植物，對生長環(huán)境要求苛刻[1]。目前，三七藥材市場需求逐年增加，種植面積也隨之不斷擴大，造成了適宜種植土地短缺，輪作周期縮短[2]。同時，由于三七存在連作障礙問題，我們認為栽種過三七的地塊需先連續(xù)栽種其他作物10年以上才能再次種植三七[3]，三七的規(guī)模化種植與土地資源合理利用的矛盾越來越明顯[4]。目前，工廠化種植模式采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施裝備，已經(jīng)實現(xiàn)通過人工干涉，以現(xiàn)代化、企業(yè)化的模式實現(xiàn)種苗的規(guī)模化生產(chǎn)和經(jīng)營。工廠化三七種植模式必將取代傳統(tǒng)田地生產(chǎn)模式[1]。

目前，世界范圍內(nèi)三七收獲機械研究不多，典型代表有昆明理工大學張兆國研制的兩款三七收獲機[5]，一款懸掛式3年生三七挖掘收獲機，能夠有效地實現(xiàn)三七的采挖、分離以及鋪放作業(yè)[5]；一款自走式三七收獲機，能夠一次性地完成三七挖掘、分離、收集等作業(yè)[6]。為了實現(xiàn)溫室種植三七的機械化收獲[6]，昆明理工大學張兆國研制了一款溫室三七收獲機。研究表明：溫室三七收獲機作業(yè)過程中機架承力最多，因而作用在機架上的激振力極易導致其產(chǎn)生變形[7]，激振力的主要來源有振動挖掘鏟、振動抖土裝置及電機等部件；同時，收獲機在作業(yè)過程中與地面接觸所產(chǎn)生的隨機振動也會對機架產(chǎn)生影響[8]，當外部激振頻率接近機架的固有頻率時，會引發(fā)機架劇烈共振，影響作業(yè)效果。

1 機架有限元分析

1.1 建立機架三維模型

在Creo三維軟件中建立如圖1所示的參數(shù)化模型。溫室三七收獲機的機架尺寸：長×寬×高為3 330mm×1 460mm×540mm。整機主要由3個部分組成：①動力部件為電機，型號為Y132S2-2，額定功率為7.5kW，轉(zhuǎn)速為2 900r/min；②振動挖掘鏟工作幅寬為1 350mm，振動頻率為5Hz；③振動去土篩尺寸：長×寬為800mm×1 380mm，振動頻率為10Hz。

1.機架 2.電機 3.升降車輪 4.前車輪 5.液壓系統(tǒng) 6.挖掘鏟 7.去土篩 8.后車輪圖1 溫室三七收獲機Fig.1 Notoginseng harvester for green house

1.2 機架有限元模型導入及網(wǎng)格劃分

經(jīng)過理論與經(jīng)驗分析，對機架進行改進，添加3條橫梁、2條縱梁及2套支撐輪，如圖2所示。

圖2 改進后的機架Fig.2 Improved frame

在有限元前期準備時，簡化機架，忽略車架上的附屬掛接結(jié)構，略去一些對分析影響不大的輪廓線，同時將各段梁的圓角和倒角簡化為直角，假設機架的密度均勻分布等[9]。

將模型保存為STP文件格式后導入ANSYS workbench14.0，定義材料Q235：彈性模量E=210GPa,泊松比為μ=0.3，材料密度ρ=7 850kg/m3。網(wǎng)格劃分時設置單元尺寸為40mm，劃分后總結(jié)點數(shù)為106 885，總單元數(shù)為52 543。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分Fig.3 Finite element meshing

1.3 施加約束

考慮到溫室三七收獲機工作時的實際情況，為模擬其行走工作狀態(tài)，設定前4個輪軸承處為固定約束；其他各零部件的接觸選擇默認設定bounded，此處不考慮預應力。

2 機架結(jié)構靜力學分析

2.1 機架受力分析

本文機架靜力學分析中，機架受自身重力載荷與附屬結(jié)構重力載荷，同時還承受收獲過程中的挖掘阻力。本研究取機架重3 000N，均布在上下層機架上；電機重720N，分布在前板處；挖掘阻力取5 000N[6]，分布在橫梁與挖掘振動軸承座。

2.2 機架強度校核

圖4為溫室三七收獲機機架的應力分析圖，圖5為機架靜力學分析的總變形圖。由圖4、圖5可知：最大應力發(fā)生在電機安裝位置及縱梁連接處，最大應力3.527 7MPa，最大變形發(fā)生在車尾處，最大位移2.958 3×10-1mm，機架的設計滿足強度要求。

圖4 機架應力圖Fig.4 The stress nephogram of frame

圖5 機架總變形圖Fig.5 The displacement nephogram of frame

3 模態(tài)分析

對三七收獲機進行模態(tài)分析，其結(jié)果主要包括前10階振動頻率圖和其對應的振型云圖，如圖6所示。

圖6 機架模態(tài)固有頻率和階數(shù)圖Fig.6 The frequencies and Figure of the frame

由圖7可知：三七收獲機前10階的模態(tài)固有頻率分別為5.965 4、6.624 8、7.158 5、8.897 7、14.626、15.076、19.317、20.267、21.534、21.708Hz，并能觀察出車架的振型。

由于傳統(tǒng)“填鴨式”教學思想的深刻影響，許多初中數(shù)學教師在教學過程中依舊是機械地給學生灌輸知識，對學生采用題海戰(zhàn)術，片面追求正確答案而忽視引導學生對解題過程進行探究，使得學生缺乏獨立思考的時間和空間，只能在不斷做題中緩慢提高數(shù)學成績。同時，應試教育尤其是中考給教師和學生帶來的壓力，也使得初中數(shù)學教師對學生的獨立思考能力沒有足夠重視，不敢在教學實踐中輕易進行嘗試，缺乏教師的正確引導，學生獨立思考習慣的培養(yǎng)自然也就無從談起。

(e) 5階，14.626Hz，車架中后部扭動 (f) 6階，15.076Hz，前部上下擺動

(g) 7階，19.317Hz，前部上下擺動 (h) 8階，20.267Hz，前部上下擺動，尾部左右擺動

(i) 9階，21.534Hz，前部上下擺動，尾部 (j) 10階，21.708Hz，車架整體扭動圖7 前10階模態(tài)振型Fig.7 The first ten modal shapes of the frame

4 諧響應分析

電機振動可能導致溫室三七收獲機發(fā)生共振，電機產(chǎn)生的振動可通過連接件傳遞到機架，導致共振，本文對機架進行電機激勵下的諧響應分析[10]。將頻率范圍設置在0～30Hz，且施加幅值為720N的正弦激勵載荷，頻率15Hz處機架應力頻率響應值和位移頻率響應值均最大，如圖8和圖9所示。

圖8 位移-頻率響應曲線Fig.8 Displacement-frequency response curve

圖9 應力-頻率響應曲線Fig.9 Stress-frequency response curve

當頻率為15Hz時，機架將會產(chǎn)生共振。將分析參數(shù)列表中的頻率改為15Hz，求解相應的等效應力和變形位移。

如圖10、圖11所示：頻率15Hz時，機架最大應力61.542MPa,最大位移2.03mm；最大應力出現(xiàn)在電機安裝位置處及車架連接部位，尚未超出材料屈服強度。

圖10 機架變形云圖(15Hz)Fig 10 Total deformation of the frame

圖11 機架應力云圖(15Hz)Fig.11 Stress distribution of the frame

5 挖掘鏟的有限元分析

5.1 挖掘鏟的設計參數(shù)

挖掘鏟在溫室內(nèi)挖掘三七時，因土壤沉降等原因，三七塊根埋藏較淺，測得需挖掘深度8cm左右，因此本文設計的挖掘鏟鏟長32cm,鏟幅1.35m，單面鏟寬10cm,挖掘鏟傾角設置為15°。挖掘鏟結(jié)構如圖12所示。

圖12 挖掘鏟結(jié)構Fig.12 Structure of digger blade

5.2 挖掘鏟有限元模型建立

挖掘鏟結(jié)構特性會直接影響到收獲機作業(yè)效果，因此溫室三七收獲機的挖掘鏟應該具有較好的工作性能、力學性能可靠且結(jié)構設計優(yōu)良[11-12]。采用Creo軟件建立挖掘鏟的三維實體模型并導入ANSYS workbench14.0，設置單元尺寸20mm進行網(wǎng)格劃分，劃分后得到的總節(jié)點數(shù)為41 447，總單元數(shù)為18 512。

5.3 挖掘鏟有限元靜力學分析

挖掘鏟作業(yè)過程中受土壤多向載荷及相互作用摩擦力等，但對作業(yè)效果有主要影響的是與挖掘鏟鏟面直接接觸的載荷，因此本文分析時只考慮法向力[13-14]。挖掘鏟通過三處鉸接與機架固定， 此處分析中假設挖掘鏟靜止挖掘，挖掘阻力設定5 000N。

5.4 ANSYS有限元分析結(jié)果

圖13 挖掘鏟總變形圖Fig.13 The displacement nephogram of digger blade

圖14 挖掘鏟應力圖Fig.14 The stress nephogram of digger blade

6 結(jié)論

1)采用ANSYS軟件對溫室三七收獲機機架進行靜力學分析，靜力作用下機架最大應力值3.527 7MPa，發(fā)生在電機安裝位置及縱梁連接處；最大位移2.958 3×10-1mm，發(fā)生在車尾處。機架設計滿足強度和剛度要求。

2)對溫室三七收獲機機架進行模態(tài)分析，獲得機架的固有頻率，對機架進行頻率范圍為0～30Hz的諧響應分析，并且施加幅值為720N的正弦激勵載荷，頻率15Hz時電機安裝位置處可能發(fā)生共振，此時電機安裝位置處應力和位移達到最大，最大應力為4.34MPa,最大位移為2.03mm。機架滿足激勵載荷下的強度要求。

3)對溫室三七收獲機挖掘鏟進行靜力學分析可知：挖掘鏟最大變形量1.334 4mm，發(fā)生在挖掘鏟兩側(cè)鏟尖；挖掘鏟最大應力20.894MPa,集中在挖掘鏟與機架連接的連桿上且靠近機架處。挖掘鏟設計符合強度要求。