聯合收獲機脫粒滾筒有限元模態分析與試驗

關卓懷，吳崇友，湯　慶，王　剛

(農業部南京農業機械化研究所，南京　210014)

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聯合收獲機脫粒滾筒有限元模態分析與試驗

關卓懷，吳崇友，湯慶，王剛

(農業部南京農業機械化研究所，南京210014)

摘要：針對聯合收獲機脫粒滾筒在工作中的振動和噪聲問題，為了避免共振，利用軟件ANSYS Workbench對聯合收獲機脫粒滾筒進行了有限元模態分析，得到了前6階的固有頻率和振型。對脫粒滾筒進行了模態實驗，與有限元分析結果進行對比，其固有頻率相對誤差在4.6%以下，且振型一致，驗證了有限元分析的準確性。模態分析結果表明：前6階固有頻率與主要振源激勵頻率相差較大，較好地避開了共振區；釘齒桿與幅盤的振幅較大，且兩者的連接處最為薄弱，在設計和焊接時應尤為注意。該研究為聯合收獲機脫粒滾筒的設計與優化提供了參考。

關鍵詞：聯合收獲機；脫粒滾筒；有限元；模態分析

0引言

聯合收獲機是一種大型復雜的農業機械，工作和傳動部件多，產生振動及噪聲大，工作環境較為惡劣。強烈的振動易造成零部件產生裂紋、疲勞斷裂或磨損等破壞，嚴重地影響了整機的可靠性和使用壽命，增加了收獲損失，影響高效作業及操作員的身體健康[1-2]。在聯合收獲機的設計工作中，重點考慮的是收獲效果，往往很少關注機器工作時的振動情況，導致聯合收獲機在工作時噪聲高、振動強烈。近年來，有關聯合收獲機動力學分析和振動控制的研究已開始受到國內外學者的廣泛關注。其中，聯合收獲機脫粒裝置的振動主要來源于脫粒滾筒。脫粒滾筒可以近似看作軸對稱結構，由于安裝誤差和工作負載會產生軸的不對中，在高速旋轉時產生彎曲振動和更為復雜的彎扭耦合振動[3]。除了增加材料剛度、減小形變及增加裝配精度之外，在進行脫粒滾筒的設計時，應考慮其自身振動的固有頻率。在設計完成后，進行模態分析，檢驗是否與激勵頻率接近，確定危險轉速的范圍，以減小脫粒滾筒的工作振動[4]。

本文利用三維建模軟件UG對某型號聯合收獲機的脫粒滾筒進行參數化建模，通過ANSYS Workbench求解出脫粒滾筒的模態參數，然后通過模態試驗予以驗證。

1脫粒滾筒有限元模態分析

1.1　模態分析前處理

ANSYS Workbench擁有良好的與其他三維建模軟件的對接功能，所以采用在UG中進行三維數字化建模之后再導入Workbench中的方法。在建模過程中，對不影響整體振動情況的細小結構進行合理的忽略簡化，如倒角、釘齒和小孔等。脫粒滾筒實體模型如圖1所示。

圖1　實體模型

將三維模型導入ANSYS Workbench的Modal模塊中，進行參數設置。選定材料為45鋼，彈性模量為2.07×105N/mm2，楊氏模量為0.29，密度為7.8×10-9t/mm3。

采用自動劃分網格法，其優點在于對于可以掃掠的實體采用掃掠法劃分六面體網格，對不能劃分的實體采用協調分片算法劃分四面體網格。劃分后，共生成節點24 519個、單元12 420個，如圖2所示。

圖2　網格劃分

根據脫粒滾筒的實際工作情況施加約束。在兩端的軸承處施加圓柱約束，只保留繞中軸旋轉的自由度，其他方向的自由度均被約束[5]。

1.2　模態有限元分析

考慮到實際應用中，低階模態的影響較大，高階模態固有頻率較高，實際使用中產生的影響較小，所以在完成模態分析的前處理后，設定求解脫粒滾筒前6階模態的頻率和振型。各階頻率和振型的計算結果如表1所示，振型云圖如圖3所示。

表1　前6階模態計算結果

圖3　振型云圖

2脫粒滾筒模態試驗

2.1　分析系統與試驗過程

解析模態分析可用有限元計算實現，而試驗模態分析則是對結構進行可測可控的動力學激勵。由激振力和響應的信號求得系統的頻響函數矩陣，再在頻域或轉到時域采用多種識別方法求出模態參數，得到結構固有頻率、振型和阻尼比等特征， 是聯合收獲機脫粒滾筒模態分析中必不可少的一部分工作。其一方面可以驗證設計方案的有限元仿真模型；另一方面又可以為以后的結構動力學修改提供必需的動態參數，作為優化設計的變量和約束條件。試驗采用力錘激勵作用于激勵點的方式產生瞬態脈沖沖擊力，利用加速度傳感器測得響應點的振動加速度響應信號，通過分析所測信號即可得到所需結果[6-8]。

本次試驗采用懸掛法，將脫粒滾筒用彈性繩進行懸掛。在選擇測試點時，為了避開節點，先任選幾點進行試敲擊，分析響應中的頻率成分；并結合有限元模態分析的結果，選取釘齒桿和幅盤連接的地方作為測點。測點分布如圖4所示。

試驗儀器主要包括DH5922N動態信號測試分析系統、5kN力錘、DH5857-1電荷適調器、DH311加速度傳感器、數據線及彈性繩等 。試驗時，將加速度傳感器和力傳感器通過電荷適調器與儀器相連，通過USB3.0通訊線將電腦與儀器相連接，設置儀器基本參數。在軟件中建立脫粒滾筒模型，如圖5所示。在建模過程中使用圓柱坐標系。設置頻響參數后，通過錘擊法進行模態試驗，流程如圖6所示。

圖4　測點分布

圖5　模型結構圖

圖6　試驗流程圖

2.2　試驗結果

將信號分析系統中所測得的頻響信號導入對應的模態分析軟件中，可得脫粒滾筒的前6階振動頻率阻尼比如表2所示，振型如圖7所示。

表2　前6階試驗模態

圖7　試驗振型

2.3　模態有限元分析與模態試驗的對比

模態有限分析與模態試驗的誤差對比如表3所示，最大相對誤差為4.6%，振型一致。排除建模時忽略掉的部分，模型較為規則，有限元分析結果與模態試驗分析結果接近，所建模型較為準確。

前6階振型的頻率分布在63.83～158.94Hz，固有頻率較高。聯合收獲機工作時主要振源的激勵頻率為[9]：地面3Hz，發動機38.3～41.7Hz，割刀7～8Hz，振動篩5Hz。此型號的脫粒滾筒均避開了共振區域。振型上，除第5階振動為中軸的振動之外，其余各階均為釘齒桿和幅盤的振動，且在連接處振幅最大。所以，在設計過程中，需加強釘齒桿和幅盤連接處的強度，減小由于振動造成破壞失效的可能。

表3　模態有限分析與模態試驗的誤差對比

3結論

1)對聯合收獲機脫粒滾筒進行了有限元模態分析和模態實驗，得到前6階的固有頻率和振型，兩種方法所得結果相對誤差不超過4.6%，且振型一致。

2)通過分析模態振型的最大位移可得:脫粒滾筒的最薄弱環節為幅盤和釘齒桿的連接處，在設計和焊接時需特別注意；中軸振動的振型固有頻率較高，并不容易產生共振，在滿足傳動扭矩并且不降低清選效果時可以適當減輕質量，降低脫粒功耗。本研究為聯合收獲機脫粒滾筒的設計和優化提供了依據。

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Finite Element Mode Analysis and Experiment of Combine Harvester Threshing Cylinder

Guan Zhuohuai, Wu Chongyou, Tang Qing, Wang Gang

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Abstract：The combine harvester has been applied widely in the past decade and most research were focused on the harvester performance. As the development of agricultural machinery, more attention was paid on the comfort and reliability. In order to reduce the vibration noise of combine harvester and avoid the resonance, the first six order modal of threshing cylinder were calculated by ANSYS Workbench. Modal test was done to verify the accuracy of modal analysis, the maximum relative error is less than 4.6%. The results show that threshing cylinder axis have a small amplitude but the tooth bar and spoke disc have a severe vibration. The weakest parts are the joints between tooth bars and spoke discs. The research provide theoretical basis and method for the optimal design of combine harvester threshing cylinder.

Key words：combine harvester; threshing cylinder; finite element; mode analysis

中圖分類號：S225；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0136-05

作者簡介：關卓懷(1988-),男，河南開封人，助理研究員，碩士，(E-mail) guanzhuohuai@163.com。通訊作者：吳崇友(1959-)，男，遼寧岫巖人，研究員，博士生導師，博士，(E-mail)cuwu59@sina.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)

收稿日期：2015-07-14