高地隙折腰式水田動力底盤機架動態(tài)特性分析與試驗

白海超 ， 馮召華

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

高地隙折腰式水田動力底盤是一款能夠完成運秧、噴霧、撒肥等多種作業(yè)的水田田間管理機械，具有高地隙、轉(zhuǎn)彎半徑小和操作靈活的特點，其相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[1]。由于同一機型要完成水田不同時期的作業(yè)，要求底盤能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境及高低起伏的地表，因此對其動態(tài)特性要求較高。動力底盤田間作業(yè)時，外部激勵頻率與機架的某階固有頻率相近時會發(fā)生共振，從而影響動力底盤乘坐舒適性、作業(yè)質(zhì)量、使用壽命及可靠性[2-3]。為改善動力底盤機架的動態(tài)特性，對動力底盤機架的模態(tài)試驗與分析十分必要。

1 機架有限元模型建立與分析

1.1 機架有限元模型的建立

筆者采用動力底盤機架的參數(shù)化有限元模型來對機架總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，考慮到機架的外形結(jié)構(gòu)不應(yīng)有重大的改變（如機架總體長度、寬度等），在保證機架強度的基礎(chǔ)上，合理將矩形鋼管的厚度、機架的總體積設(shè)為模型中的變量，以保證在外形結(jié)構(gòu)不變的情況下對機架進行設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，進一步運用有限元分析軟件ANSYS Workbench對所構(gòu)建的機架參數(shù)化模型進行模態(tài)分析。

圖1 動力底盤機架模型

由于機架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在模態(tài)分析過程中，為有效提高仿真模擬的運算效率，進一步對所構(gòu)建機架有限元模型簡化：忽略了倒角、焊接及不對機架總體強度和動態(tài)特性產(chǎn)生影響的工藝孔等對模型振動特征的影響[4]。簡化的動力底盤機架模型如圖1所示。

1.2 模態(tài)分析

設(shè)定機架材料為45號鋼，定義模型的參數(shù)為：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ= 0.3。機架主要由矩形鋼管材料制造而成，從Creo中導(dǎo)入的實體模型類型為殼[5]。按照機架各實體部件厚度定義了模型中對應(yīng)部件厚度，并對機架進行自由網(wǎng)格劃分，得到機架有限元模型單元數(shù)為31719，節(jié)點數(shù)為11656。應(yīng)用ANSYS workbench軟件對動力底盤機架進行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性主要靠低階振型起決定作用，故提取機架前4階非零模態(tài)結(jié)果及振型云圖，如圖2所示。

圖2 動力底盤機架模態(tài)分析振型云圖

2 機架模態(tài)試驗

2.1 機架的模態(tài)測試及測點分布

由于所構(gòu)建有限元模型的邊界條件不同，得到的結(jié)果也會有所差異，可通過對高地隙折腰式水田動力底盤機架進行模態(tài)試驗來檢驗有限元仿真分析結(jié)果的合理性。為保證試驗時外界邊界條件與仿真分析邊界條件的一致性，對機架進行模態(tài)試驗時，采用彈性支撐的方式使機架近似為自由狀態(tài)。試驗時，通過LC-2D型力錘敲擊自由狀態(tài)下的機架產(chǎn)生激勵信號，利用力傳感器對作用在機架上的力信號進行采集；采用加速度傳感器對待測點處的信號進行采集，采集結(jié)果的保存與進一步分析均通過數(shù)據(jù)采集儀軟硬件的協(xié)同作用來完成。在此基礎(chǔ)上，運用DASP-10模態(tài)分析軟件對采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行進一步的參數(shù)分析，最終得到機架模態(tài)試驗的結(jié)果。為盡可能避免隨機噪聲對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，采樣過程中對每個頻響函數(shù)進行3次平均，以消除信號中的隨機噪聲。為避免重要模態(tài)的丟失，采用多輸入多輸出的試驗方法。模態(tài)試驗中所建立的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，共50個待測點，可較好地反映出底盤機架的輪廓形狀[5]。因此，試驗中共設(shè)置50個激勵點、3個參考點，激勵點位置及試驗現(xiàn)場情況如圖4所示。

圖3 模態(tài)試驗中模型結(jié)構(gòu)

圖4 模態(tài)試驗

2.2 試驗結(jié)果分析

運用模態(tài)分析軟件對數(shù)據(jù)采集儀中得到的試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，最終得到高地隙折腰式水田動力底盤機架的前4階試驗?zāi)B(tài)頻率和振型，如圖5所示。對比有限元分析計算得到的機架前4階頻率和模態(tài)試驗所得前4階頻率如表1所示。通過對所得結(jié)果進行分析可知，計算頻率與試驗頻率最大誤差值為6.17%，同時，二者對應(yīng)的各階陣型大致相同，從而驗證了數(shù)值模型建立的準(zhǔn)確性。

圖5 動力底盤機架模態(tài)試驗振型云圖

表1 模態(tài)分析結(jié)果試驗結(jié)果對比

3 外部激振頻率特點分析

模態(tài)分析的目的是用以確定關(guān)鍵零部件的固有頻率，避免外部激勵頻率與零部件固有頻率發(fā)生耦合而產(chǎn)生共振，影響底盤的作業(yè)質(zhì)量、使用壽命和乘坐舒適性。因此，必須對外部激勵的頻率進行分析。動力底盤在田間完成作業(yè)時，機架所受到的外部激勵主要來自路面、發(fā)動機、噴霧泵以及撒肥液壓馬達(dá)等。各激勵頻率分析如下：

1）路面激勵由道路條件決定，道路轉(zhuǎn)移時，其外部激勵頻率一般低于3 Hz，水田田間地面坑洼不平，激勵頻率一般低于10 Hz[6]。

2）實測水田動力底盤工作時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000 r/min～2200r/min，則激勵頻率為33.3 Hz～36.7 Hz。

3）配套噴霧泵的工作轉(zhuǎn)速為800 r/min～1200 r/min，則激勵頻率為13.3 Hz～20 Hz。

4）撒肥液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為720 r/min。其激勵頻率處于12 Hz左右。

根據(jù)模態(tài)試驗結(jié)果分析可知，底盤機架各階頻率均避開外部激勵頻率范圍，驗證動力底盤機架設(shè)計的合理性。

4 結(jié)語

筆者建立了高地隙折腰式水田動力底盤機架的有限元模型，求解出機架前4階非零模態(tài)的主要參數(shù)，并利用模態(tài)試驗來檢驗仿真分析所得結(jié)果的合理性。在此基礎(chǔ)上，對外部激振頻率進行了分析，證實高地隙折腰式水田動力底盤機架設(shè)計的合理性。