温室三七收获机有限元分析.pdf

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5000N, 挖 掘 铲 最 大 变 形 量 为1.3344mm, 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)01-0071-06 0 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-mail) 934330683qq.com。 通 讯 作 者: 张 兆 国(1966-), 男, 山 东 单 县 人, 教 授, 博 士 生 导 师,(E- mail)zhaoguozhang163.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3330 mm1460mm540mm。 整 机 主 要 由3 个 部 分 组 成: 动 力 部 件 为 电 机, 型 号 为Y132S2-2, 额 定 功 率 为7.5 kW, 转 速 为2900r/min; 振 动 挖 掘 铲 工 作 幅 宽 为 1350mm, 振 动 频 率 为5Hz; 振 动 去 土 筛 尺 寸: 长 宽 为800mm1380mm, 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 Notoginsengharvesterforgreenhouse 1 7 2019 年1 月             农 机 化 研 究                第1 期 1.2 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 Improvedframe 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ANSYSwork- bench14.0, 定 义 材 料Q235: 弹 性 模 量 E=210GPa, 泊 松 比 为 =0.3, 材 料 密 度 =7850kg/m 3 。 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52543。 网 格 划 分 如 图3 所 示。 图3 有 限 元 网 格 划 分 Fig.3 Finiteelementmeshing 1.3 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3000N, 均 布 在 上 下 层 机 架 上; 电 机 重720N, 分 布 在 前 板 处; 挖 掘 阻 力 取5000N 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 3.5277MPa, 最 大 变 形 发 生 在 车 尾 处, 最 大 位 移2.9583 10 -1 mm, 机 架 的 设 计 满 足 强 度 要 求。 图4 机 架 应 力 图 Fig.4 Thestressnephogramofframe 图5 机 架 总 变 形 图 Fig.5 Thedisplacementnephogramofframe 3 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 Thefrequenciesandfigureoftheframe 2 7 2019 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5.9654、6.6248、7.1585、8.8977、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 Thefirsttenmodalshapesoftheframe 4 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030Hz, 且 施 加 幅 值 为720N 的 正 弦 激 3 7 2019 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-frequencyresponsecurve 图9 应 力- 频 率 响 应 曲 线 Fig.9 Stress-frequencyresponsecurve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(15Hz) Fig10 Totaldeformationoftheframe 图11 机 架 应 力 云 图(15Hz) Fig.11 Stressdistributionoftheframe 5 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12 4 7 2019 年1 月             农 机 化 研 究                第1 期 所 示。 图12 挖 掘 铲 结 构 Fig.12 Structureofdiggerblade 5.2 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ANSYS workbench14.0, 设 置 单 元 尺 寸20mm 进 行 网 格 划 分, 划 分 后 得 到 的 总 节 点 数 为41447, 总 单 元 数 为18512。 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5000N。 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1.3344 mm, 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 Thedisplacementnephogramofdiggerblade 图14 挖 掘 铲 应 力 图 Fig.14 Thestressnephogramofdiggerblade 6 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3.5277MPa, 发 生 在 电 机 安 装 位 置 及 纵 梁 连 接 处; 最 大 位 移2.9583 10 -1 mm, 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030Hz 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4.34 MPa, 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1.3344mm, 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. 5 7 2019 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ANSYSWorkbench 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. F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f G r e e n h o u s e N o t o g i n s e n g H a r v e s t e r YangHaihui,ZhangZhaoguo,CuiZhenmeng,ChengYiqi (CollegeofModernAgricultureEngineering,KunmingUniversityofTechnology,Kunming650500,China) A b s t r a c t:Accordingtotherequirementsofnewagronomicdesigninthegreenhouse,wedesignanewnotoginsenghar- vester.Inordertoimproveitsperformance,weuseANSYSforthefiniteelementanalysis,toobtainthestressanddeform- ationunderstaticloadinganddistribution.Theresultsshowthatthestressconcentrationoccursatthepositionofmotorin- stallation,theconnectionoftheframelongitudinalbeam,themaximumdeformationoccursattheendofthecar,andthe framestrengthmeetstherequirements.ModalanalysiswascarriedoutontheFrame,andnaturalfrequenciesandharmon- icresponseanalysisiscarriedout,onthefrequencyof15Hz,resonancemayoccurattheplacamotorinstalled,thema- chineinstallationlocationofmaximumstressanddisplacement,maximumstressis4.34MPa,themaximaldisplacement of2.03mm.Theframesatisfiesthestrengthrequirementundertheexcitationload.Thestaticanalysisoftheexcavating shovelwascarriedout,andthemaximumdeformationoftheexcavatedshovelwas1.3344mmandthemaximumstress was20.894MPa.Thispaperprovidesatheoreticalbasisforthevibrationreductionandtheoptimizationoftheframeand excavatingshovel. K e y w o r d s:greenhousenotoginsengharvester;frame;staticanalysis;modalanalysis;harmonicresponseanalysis 6 7 2019 年1 月             农 机 化 研 究                第1 期