温室三七收获机有限元分析_杨海慧.pdf

p温室三七收获机有限元分析杨 海慧 ， 张兆国 ， 崔振猛 ， 程一启 昆明理工大学 现代农业工程学院 ， 昆明 650500摘 要 根据三七种植新农艺的要求 ， 设计了一款应用于温室种植模式的三七收获机 。为提高其工作性能 ， 利用ANSYS 有限元软件进行有限元分析 ， 获取在静载荷作用应力 、变形的大小及分布情况 。结果表明 应力集中发生在电机安装位置及车架纵梁连接处 ， 最大变形发生在车尾处 ， 机架强度符合要求 。对机架进行模态分析 ， 获得其固有频率并进行谐响应分析 ， 分析可知 在频率 15Hz 时电机安装位置处可能发生共振 ， 此时电机安装位置处应力和位移达到最大 ， 最大应力为 4． 34MPa， 最大位移为 2． 03mm， 机架满足激励载荷下的强度要求 。对挖掘铲进行静力学分析 ， 得到挖掘阻力 5 000N， 挖掘铲最大变形量为 1． 334 4mm， 最大应力为 20． 894MPa。本文为后续温室三七收获机的减振以及机架 、挖掘铲优化提供了理论依据 。关键词 温室三七收获机 ; 机架 ; 静力学分析 ; 模态分析 ; 谐响应分析中图分类号 S225．99 文献标识码 A 文章编号 1003 －188X 2019 01 －0071 －060 引 言三七是我国云 南地区一种名贵中药材 ， 具有很高的医药与营养价值 ， 其属喜阴植物 ， 对生长环境要求苛刻［ 1］。目 前 ， 三七药材市场需求逐年增加 ， 种植面积也随之不断扩大 ， 造成了适宜种植土地短缺 ， 轮作周期缩短［ 2］。同 时 ， 由于三七存在连作障碍问题 ， 我们认为栽种过三七的地块需先连续栽种其他作物 10年以上才能再次种植三七［ 3］， 三七的规模化种 植与土地资源合理利用的矛盾越来越明显［ 4］。目 前 ， 工厂化种植模式采用现代农业设施装备 ， 已经实现通过人工干涉 ， 以现代化 、企业化的模式实现种苗的规模化生产和经营 。工厂化三七种植模式必将取代传统田地生产模式［ 1］。目 前 ， 世界范围内三七收获机械研究不多 ， 典型代表有昆明理工大学张兆国研制的两款三七收获机［ 5］， 一 款悬挂式 3 年生三七挖掘收获机 ， 能够有效地实现三七的采挖 、分离以及铺放作业［ 5］; 一 款自走式三七收获机 ， 能够一次性地完成三七挖掘 、分离 、收集等作业［ 6］。为了实现温室种植 三七的机械化收获［ 6］， 昆 明理工大学张兆国研制了一款温室三七收获机 。研究表明 温 室三七收获机作业过程中机架承力收 稿日期 2017 －08 －18基金项目 云南省科技创新重大专项 2016FZ001作者简介 杨海慧 1994 － ， 男 ， 江 苏扬中人 ， 硕士研究生 ， E － mail934330683 qq． com。通 讯作者 张兆国 1966 － ， 男 ， 山 东单县人 ， 教授 ， 博士生导师 ， E －mail zhaoguozhang 163． com。最 多 ， 因而作用在机架上的激振力极易导致其产生变形［ 7］， 激 振力的主要来源有振动挖掘铲 、振动抖土装置及电机等部件 ; 同时 ， 收获机在作业过程中与地面接触所产生的随机振动也会对机架产生影响［ 8］， 当 外部激振频率接近机架的固有频率时 ， 会引发机架剧烈共振 ， 影响作业效果 。1 机架有限元分析1．1 建立机架三维模型在 Creo 三维软件中建立如图 1 所 示的参数化模型 。温室三七收获机的机架尺寸 长 宽 高为 3 330mm 1 460mm 540mm。整机主要由 3 个部分组成 ①动力部件为电机 ， 型号为 Y132S2 － 2， 额定功率为7．5kW， 转速为 2 900r/min; ②振动挖掘铲工作幅宽为1 350mm， 振动频率为 5Hz; ③振动去土筛尺寸 长 宽为 800mm 1 380mm， 振动频率为 10Hz。1． 机 架 2． 电机 3． 升降车轮 4． 前车轮 5． 液压系统6． 挖掘铲 7． 去土筛 8． 后车轮图 1 温室三七收获机Fig．1 Notoginseng harvester for green house172019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期DOI10.13427/ki.njyi.2019.01.0121．2 机架有限元模型导入及网格划分经过理论与经验分析 ， 对机架进行改进 ， 添 加 3 条横梁 、2 条纵梁及 2 套支撑轮 ， 如图 2 所示 。图 2 改 进后的机架Fig． 2 Improved frame在 有限元前期准备时 ， 简化机架 ， 忽略车架上的附属挂接结构 ， 略去一些对分析影响不大的轮廓线 ，同时将各段梁的圆角和倒角简化为直角 ， 假设机架的密度均匀分布等［ 9］。将 模型保存为 STP 文件格式后导入 ANSYS work-bench14． 0， 定义材料 Q235 弹性模量 E 210GPa， 泊松比为 μ 0． 3， 材料密度 ρ 7 850kg/m3。网 格划分时设置单元尺寸为 40mm， 划分后总结点数为 106885， 总单元数为 52 543。网格划分如图 3 所示 。图 3 有限元网格划分Fig．3 Finite element meshing1．3 施 加约束考虑到温室三七收获机工作时的实际情况 ， 为模拟其行走工作状态 ， 设定前 4 个轮轴承处为固定约束 ; 其他各零部件的接触选择默认设定 bounded， 此处不考虑预应力 。2 机架结构静力学分析2．1 机 架受力分析本文机架静力学分析中 ， 机架受自身重力载荷与附属结构重力载荷 ， 同时还承受收获过程中的挖掘阻力 。本研究取机架重 3 000N， 均布在上下层机架上 ;电机重 720N， 分布在前板处 ; 挖掘阻力取 5 000N［ 6］，分布在横梁与挖掘振动轴承座 。2．2 机 架强度校核图 4 为温室三七收获机机架的应力分析图 ， 图 5为机架静力学分析的总变形图 。由图 4、图 5 可知 最大应力发生在电机安装位置及纵梁连接处 ， 最大应力3． 527 7MPa， 最大变形发生在车尾处 ， 最 大 位 移2．958 3 10－ 1mm， 机架的设计满足强度要求 。图 4 机 架应力图Fig．4 The stress nephogram of frame图 5 机 架总变形图Fig．5 The displacement nephogram of frame3 模 态分析对三七收获机 进行模态分析 ， 其结果主要包括前10 阶振动频率图和其对应的振型云图 ， 如图 6 所示 。图 6 机架模态固有频率和阶数图Fig．6 The frequencies and figure of the frame272019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期由 图 7 可知 三七收获机前 10 阶的模态固有频率分别为 5． 965 4、6． 624 8、7． 158 5、8． 897 7、14． 626、15．076、19． 317、20． 267、21． 534、21． 708Hz， 并能观察出车架的振型 。 a 1 阶 ， 5．9654Hz， 车尾部左右摆动 b 2 阶 ， 6．6248Hz， 车尾部上下摆动 c 3 阶 ， 7．1585Hz， 车 尾部左右相对互摆 d 4 阶 ， 8．8977Hz， 变形为车尾部相对动 ， 摆动幅度比 3 阶大 e 5 阶 ， 14．626Hz， 车架中后部扭动 f 6 阶 ， 15．076Hz， 前 部上下摆动 g 7 阶 ， 19．317Hz， 前 部上下摆动 h 8 阶 ， 20．267Hz， 前部上下摆动 ， 尾部左右摆动 i 9 阶 ， 21．534Hz， 前 部上下摆动 ， 尾部 j 10 阶 ， 21．708Hz， 车架整体扭动图 7 前 10 阶模态振型Fig．7 The first ten modal shapes of the frame4 谐 响应分析电机振动可能 导致温室三七收获机发生共振 ， 电机产生的振动可通过连接件传递到机架 ， 导致共振 ，本文对机架进行电机激励下的谐响应分析［ 10］。将 频率范围设置在 0 ～30Hz， 且施加幅值为 720N 的正弦激372019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期励 载荷 ， 频率 15Hz 处机架应力频率响应值和位移频 率响应值均最大 ， 如图 8 和图 9 所示 。图 8 位 移 － 频率响应曲线Fig．8 Displacement － frequency response curve图 9 应 力 － 频率响应曲线Fig．9 Stress － frequency response curve当 频率为 15Hz 时 ， 机架将会产生共振 。将分析参数列表中的频率改为 15Hz， 求解相应的等效应力和变形位移 。如图 10、图 11 所示 频率 15Hz 时 ， 机架最大应力61． 542MPa， 最大位移 2． 03mm; 最大应力出现在电机安装位置处及车架连接部位 ， 尚未超出材料屈服强度 。图 10 机 架变形云图 15HzFig 10 Total deation of the frame图 11 机 架应力云图 15HzFig．11 Stress distribution of the frame5 挖掘铲的有限元分析5．1 挖掘铲的设计参数挖 掘铲在温室内挖掘三七时 ， 因土壤沉降等原因 ， 三七块根埋藏较浅 ， 测得需挖掘深度 8cm 左右 ， 因此本文设计的挖掘铲铲长 32cm， 铲幅 1． 35m， 单面铲宽 10cm， 挖掘铲倾角设置为 15。挖掘铲结构如图 12472019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期所 示 。图 12 挖 掘铲结构Fig．12 Structure of digger blade5．2 挖掘铲有限元模型建立挖 掘铲结构特性会直接影响到收获机作业效果 ，因此温室三七收获机的挖掘铲应该具有较好的工作性能 、力学性能可靠且结构设计优良［ 11 － 12］。采 用Creo 软件建立挖掘铲的三维实体模型并导入 ANSYSworkbench14． 0， 设置单元尺寸 20mm 进行网格划分 ，划分后得到的总节点数为 41 447， 总单元数为 18 512。5．3 挖掘铲有限元静力学分析挖掘铲作业过程中受土壤多向载荷及相互作用摩擦力等 ， 但对作业效果有主要影响的是与挖掘铲铲面直接 接 触 的 载 荷 ， 因此本文分析时只考虑法向力［ 13 － 14］。挖掘铲通过三 处铰接与机架固定 ， 此处分析中假设挖掘铲静止挖掘 ， 挖掘阻力设定 5 000N。5．4 ANSYS 有限元分析结果由图 13、图 14 可知 挖掘铲最大变形量 1．334 4mm， 最大变形发生在挖掘铲两侧铲尖 ; 挖掘铲最大应力为 20． 894MPa， 集中在挖掘铲与机架连接的连杆上 ， 靠近机架处 ; 挖掘铲的变形量与应力强度均在材料的极限范围内 ， 所以挖掘铲设计符合结构要求 。图 13 挖掘铲总变形图Fig．13 The displacement nephogram of digger blade图 14 挖 掘铲应力图Fig．14 The stress nephogram of digger blade6 结 论1 采 用 ANSYS 软件对温室三七收获机机架进行静力学分析 ， 静力作用下机架最大应力值 3．527 7MPa，发生在电机安装位置及纵梁连接处 ; 最大位移 2． 958 310－ 1mm， 发 生在车尾处 。机架设计满足强度和刚度要求 。2 对温室三七收获机机架进行模态分析 ， 获得机架的固有频率 ， 对机架进行频率范围为 0 ～ 30Hz 的谐响应分析 ， 并且施加幅值为 720N 的正弦激励载荷 ， 频率 15Hz 时电机安装位置处可能发生共振 ， 此时电机安装位置处应力和位移达到最大 ， 最大应力为 4．34MPa， 最大位移为 2． 03mm。机架满足激励载荷下的强度要求 。3 对温室三七收获机挖掘铲进行静力学分析可知 挖掘铲最大变形量 1． 334 4mm， 发生在挖掘铲两侧铲尖 ; 挖掘铲最大应力 20． 894MPa， 集中在挖掘铲与机架连接的连杆上且靠近机架处 。挖掘铲设计符合强度要求 。参考文献 ［ 1］ 杨 文彩 ， 朱有勇 ， 杜迁 ， 等 ． 云南三七工厂化育苗工程技术体系分析 ［ J］ ． 南方农业学报 ， 2012 12 2069 －2073．［ 2］ 王 尧龙 ， 崔秀明 ， 蓝磊 ， 等 ． 立体栽培三七的光温效应及对光合的影响 ［ J］ ． 中国中药杂志 ， 2015 15 2921 －2929．［ 3］ 孙 雪婷 ， 李磊 ， 龙光强 ， 等 ． 三七连作障碍研究进展 ［ J］ ．生态学杂志 ， 2015 3 885 －893．［ 4］ 李 超群 ， 杨文彩 ， 杨航 ， 等 ． 基于 ANSYS 三七播种机机架的模态及谐响应分析 ［ J］ ． 制造业自动化 ， 2015 7 77 －79．［ 5］ 于 进川 ， 张兆国 ， 武占东 ， 等 ． 悬挂式三年生三七挖掘收获机的研制及试验 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2016， 38 4 130 －133， 164．［ 6］ 张 兆国 ， 王法安 ， 张永成 ， 等 ． 自走式三七收获机设计与试验 ［ J］ ． 农业机械学报 ， 2016， S1 234 －240．［ 7］ 薛 忠 ， 郭向明 ， 黄正明 ， 等 ． 芦笋施肥机机架有限元模态分析 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2014， 36 6 23 －26， 32．572019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期［ 8］ 李 琳琳 ， 王丽红 ， 坎杂 ， 等 ． 矮化密植红枣收获机骑跨式机架的有限元分析 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2017， 39 1 25 －31．［ 9］ 柴 康杰 ， 胡志超 ， 游兆延 ， 等 ． 基于 ANSYS 的半喂入花生摘果机机架模态分析 ［ J］ ． 江苏农业科学 ， 2016 8 407－409．［ 10］ 赵 宇楠 ． 基于 ANSYS Workbench 的自卸车副车架动态分析 ［ D］ ． 呼和浩特 内蒙古工业大学 ， 2014．［ 11］ 王涛 ， 廖宇兰 ， 杨怡 ， 等 ． 木薯收获机多阶挖掘铲设计及其力学特性分析 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2015， 37 10 50 －54．［ 12］ 石 超 ， 杨然兵 ， 尚书旗 ． 基于 UG 的花生收获机挖掘装置有限元静力学分析 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2015， 37 1 18 －21．［ 13］ 申 屠留芳 ， 张炎 ， 孙星钊 ， 等 ． 滩涂文蛤收获机挖掘铲的设计与分析 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2016， 38 11 113 －117．［ 14］ 张 华 ， 吴建民 ， 孙伟 ． 翼铲式马铃薯挖掘铲有限元分析与试验 ［ J］ ． 甘肃农业大学学报 ， 2012， 47 4 127 －129， 135．Finite Element Analysis of Greenhouse Notoginseng HarvesterYang Haihui， Zhang Zhaoguo， Cui Zhenmeng， Cheng Yiqi College of Modern Agriculture Engineering， Kunming University of Technology， Kunming 650500， ChinaAbstract According to the requirements of new agronomic design in the greenhouse， we design a new notoginseng har-vester． In order to improve its perance， we use ANSYS for the finite element analysis， to obtain the stress and de-ation under static loading and distribution． The results show that the stress concentration occurs at the position of mo-tor installation， the connection of the frame longitudinal beam， the maximum deation occurs at the end of the car，and the frame strength meets the requirements． Modal analysis was carried out on the Frame， and natural frequencies andharmonic response analysis is carried out， on the frequency of 15Hz， resonance may occur at the placa motor installed，the machine installation location of maximum stress and displacement， maximum stress is 4． 34MPa， the maximal dis-placement of 2． 03mm． The frame satisfies the strength requirement under the excitation load． The static analysis of theexcavating shovel was carried out， and the maximum deation of the excavated shovel was 1． 3344mm and the maxi-mum stress was 20． 894MPa． This paper provides a theoretical basis for the vibration reduction and the optimization of theframe and excavating shovel．Key words greenhouse notoginseng harvester; frame; static analysis; modal analysis; harmonic response analysis672019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期/p