水稻秧盤育秧流水線機架的模態及諧響應分析

蔡明青　阮建雯　朱景林

摘要：水稻工廠化機械育秧具有成本低、秧苗生長整齊等特點，由于水稻種子具有體積小、質量小等特點，育秧播種機的振動會對落種的密度和均勻度造成較大的影響。針對該問題，以某型號水稻秧盤育秧流水線機架為研究對象，建立機架的參數化模型，并對其進行模態及諧響應分析，得到機架前6階模態振動特性以及播種機構所在節點在各個方向上的位移與頻率的關系等數據。結果表明：當外界的激勵頻率在50～70.5、92～105 Hz范圍內時，播種機構所在的節點會產生較大的位移，對落種質量產生較為嚴重的影響。研究結果可為水稻秧盤育秧流水線的優化設計提供理論依據。

關鍵詞：水稻秧盤育秧流水線；模態分析；諧響應分析；精密播種

中圖分類號： S223.1+3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0369-03

水稻是中國主要的糧食作物，種植面積高達3 000萬hm2，隨著農業結構的不斷調整和農業 摘要：水稻工廠化機械育秧具有成本低、秧苗生長整齊等特點，由于水稻種子具有體積小、質量小等特點，育秧播種機的振動會對落種的密度和均勻度造成較大的影響。針對該問題，以某型號水稻秧盤育秧流水線機架為研究對象，建立機架的參數化模型，并對其進行模態及諧響應分析，得到機架前6階模態振動特性以及播種機構所在節點在各個方向上的位移與頻率的關系等數據。結果表明：當外界的激勵頻率在50～70.5、92～105 Hz范圍內時，播種機構所在的節點會產生較大的位移，對落種質量產生較為嚴重的影響。研究結果可為水稻秧盤育秧流水線的優化設計提供理論依據。

關鍵詞：水稻秧盤育秧流水線；模態分析；諧響應分析；精密播種

中圖分類號： S223.1+3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0369-03

機械化的不斷推進，水稻工廠化機械育秧得到了廣泛推廣，具有成本低、秧苗生長整齊等特點[1]。育秧盤上種子密度、均勻度等因素對育秧質量有著重要的影響，由于水稻種子具有體積小、形狀結構差別大、質量小等特點，給工廠化育秧機械的落種精度提出了更高的要求。水稻工廠化育秧多采用流水線式的水稻秧盤育秧流水線進行育秧，該育秧機的落種部分一般由落種機構、驅動電機、覆土機構、灑水機構等組成，驅動電機工作時伴隨著振動，若其振動頻率和機架的固有頻率相接近，會發生共振，將嚴重影響落種質量[2]。

以某型號的水稻秧盤育秧流水線的機架為研究對象，利用ANSYS Workbench對機架進行模態及諧響應分析，得到機架的振動特性，以期為育秧播種機的優化設計提供理論依據。

1 機架模型

水稻秧盤育秧流水線機架采用槽鋼焊接而成，主要由支架、工作臺、橫梁組成，其中工作臺長度為2 400 mm，工作臺寬度為545 mm，支架高度為390 mm。落種機構、驅動電機、覆土機構、灑水機構通過螺栓安裝固定在工作平臺上。利用Creo建立機架的三維模型（圖1）。由于ANSYS Workbench無法直接使用Creo默認的模型文件格式，本研究將建立的三維模型轉化為“*.igs”格式的模型文件，并導入到ANSYS Workbench中。

2 模態分析

2.1 分析原理

結構的振動特性包括固有振型i和其對應的振動頻率ωi，模態分析是一種計算結構振動特性的數值技術。振型i和振動頻率ωi有公式1所示的關系[3]：

2.2 定義材料與網格劃分

機架的材料為Q235，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為03，彈性模量為2E11Pa，在ANSYS Workbench材料庫中建立一種名稱為Q235的材料，并設置相應的參數，再將該材料應用到機架上。

網格質量對仿真分析結果的影響非常大，通常用網格結構和網格密度來衡量網格的質量，網格密度的增加能在一定范圍內提高網格質量，但是網格密度增加會增加計算機儲存空間和計算速度，較為理想的情況為分析結果不再隨網格密度的改變而改變[4]。在ANSYS Workbench提供了多種不同的網格劃分方法，如自動網格劃分、六面體主導網格劃分、四面體網格劃分、掃掠法等[5]。本研究采用六面體主導的網格劃分方法，并將最大網格尺寸設置為5 mm。劃分完成的模型共有43 766個單元、255 088個節點。

2.3 約束與求解設置

在水稻秧盤育秧流水線工作過程中，機架是支架底部是固定在地面上的，在支架底面上施加由ANSYS Workbench提供的固定約束來模擬機架工作時所受到的約束。

在結構的振動過程中，低階模態起著主要作用，相比低階模態，高階模態對結構振動的貢獻較小，且衰減很快，本研究根據機架的實際工作情況，采用Block Lanczos法計算機架的前6階模態[6]。

2.4 模態分析結果

經過求解計算和后處理，得到機架前6階模態的振頻和對應的振型，振頻情況見表1，前6階的振頻范圍為21.668～94.249 Hz。

機架的第1階模態振型云見圖2-a，可見工作平臺的中間部分向下塌陷，最大位移出現在平臺的中間位置，支架的變形較小。機架的第2階模態振型云見圖2-b，可見工作平臺中間部分向上突起并扭曲，工作平臺同時向內彎曲，最大位移出現在平臺的中間位置，支架的變形較小。機架的第3階模態振型云見圖2-c，可見工作平臺中間部分向上突起并扭曲，最大位移出現在平臺的中間位置，支架的變形較小。機架的第4階模態振型云見圖2-d，可見工作平臺呈一個“S”形，最大位移出現在工作平臺靠近支架的位置。機架的第5階模態振型云見圖2-e，可見工作平臺中間部分的變形量較小，最大變形出現在工作平臺的兩端，工作平臺的兩端均向下偏移。機架的第6階模態振型云見圖2-f，可見工作平臺中間部分的變形量較小，最大變形出現在工作平臺的兩端，工作平臺的一端向上偏移，另一端向下偏移，支架的變形較小。

3 諧響應分析

在模態振型云圖中，ANSYS Workbench默認的是關于質

量矩陣歸一化的模態，圖中所示數值，并不是真實的位移尺寸，只是點位移的比值[7]。為了得到機架更加準確的振動特性，需要對機架進行諧響應分析，得到機架在1個頻率范圍中頻率與位移的關系。

3.1 諧響應分析原理

諧響應分析通過對頻域的掃描，進而分析結構在不同頻率和幅值載荷作用下的響應，從而探測共振。物體的通用力學方程為[4，8]：

3.2 諧響應分析設置

由機架的模態分析可知，前6階模態的振頻范圍為21668～94.249 Hz，由于高階頻率對結構共振的貢獻較小，所以在該范圍內，機架發生嚴重振動可能性較大[9]。在諧響應分析中，根據模態分析結果將諧響應分析的求解頻率段設置為20～120 Hz，為了得到較為準確的頻率與位移之間的關系曲線，頻率掃描間隔選擇為0.5 Hz，即在求解頻率范圍內進行200步計算。

3.3 求解與后處理

通過求解之后可以得到整個模型任意節點的頻率與位移之間的關系，但是育秧播種機的排種工作主要由排種機構完成，為了準確分析排種機構受機架振動的影響，選取排種機構所在的節點進行后處理，分別得出排種機構所在節點的頻率與節點沿x軸方向的位移關系曲線、頻率與節點沿y軸方向的位移關系曲線、頻率與節點沿z軸方向的位移關系曲線。

節點在x軸方向的位移主要影響種子在x軸方向的相對距離，頻率與機架沿x軸方向的位移關系曲線見圖3，該曲線由多個極值，其中在20.0～65.5、90.0～91.0、93.0～94.5 Hz 范圍內會出現相對較大位移，但是位移的最大值只有0.017 8 mm。

節點在y軸方向的位移主要影響種子的落種距離，頻率與機架沿y軸方向的位移關系曲線見圖4，該曲線有3個極值，其中在52.5～70.5 Hz范圍內會出現相對較大位移，最大的位移值為36.6 mm。

節點在z軸方向的位移主要影響種子在z軸方向的相對距離，頻率與機架沿z軸方向的位移關系曲線見圖5，該曲線有3個極值，其中在50.0～70.5、92.0～105.0 Hz范圍內會出現相對較大位移，位移的最大值為2.16 mm。

從上述分析可以看出，排種機構所在的節點沿x軸方向的位移較小，不會對播種密度和均勻度造成太大的影響；當頻率在50.0～70.5、92.0～105.0 Hz范圍時，排種機構所在節點沿y軸和z軸方向位移較大，會對落種質量產生較大影響；雖然在排種機構所在的節點沿y軸方向的位移不會直接影響種子密度和均勻度而造成直接的影響，但是過大位移還是會間接影響播種的質量，同時過大位移同時可能對育秧播種機其他機構造成一定的影響。

4 結論

通過對某型號水稻秧盤育秧流水線機架的振動特性進行分析，得到如下結論：（1）為了保證育秧播種機的正常工作運行，應當避免使用振動頻率在50.0～70.5、92.0～105.0 Hz范圍內的驅動電機。（2）機架工作平臺的中間部分一般是變形的最大區域，可以在平臺與支架之間增加橫梁構成三角形結構，或者增加支架的數量，來增強平臺的穩定性。

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