除草機的設計與有限元分析

姚鵬華，劉朋，姚智華

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽，441053；2.純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北襄陽，441053；3.安徽省安徽科技學院機械工程學院，安徽滁州233100）

除草機的設計與有限元分析

姚鵬華1，2，劉朋1，2，姚智華3

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽，441053；2.純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北襄陽，441053；3.安徽省安徽科技學院機械工程學院，安徽滁州233100）

設計了一種農田中耕去除雜草的輪式除草機，利用SolidWorks軟件對除草機進行三維建模。為了分析機架的振動特性，將機架模型導入到ANSYS軟件中進行模態分析分析，得到了除草機機架的各階振型。研究結果為進一步優化結構提供了理論參考。

除草機；三維建模；機架；模態分析

除草作業是農作物中耕的一個重要環節[1]。機械除草具有無污染和環境友好型的特點，能夠實現保護性耕作，有利于保證農業可持續發展[2-4]。目前三維數字化設計方法在農業機械設計中得到了廣泛應用[5]。本文采用SolidWorks軟件，對輪式除草機進行了三維設計，并對機架的振動特性進行了模態分析，以避免除草機作業時，發生共振而導致零件破壞。

1 除草機的總體結構

本文設計的除草機總體結構如圖1所示，它主要由機架、軸、除草輪和三點懸掛機構組成。拖拉機通過懸掛機構，牽引除草機前行。除草輪共有前后兩排，除草輪上的輪刀用于去除田間雜草。為了適應地面的不平度，還配備有地面仿形機構。

圖1 除草機的總體結構

2 除草機的三維建模

利用SolidWorks軟件對除草機進行三維建模。首先創建除草機的各個零件，之后對建模零件進行裝配。先創建裝配體，再插入各個零部件，利用配合命令，定義約束，最終完成了除草機的三維建模，并生成爆炸圖，如圖2所示。

圖2 除草機的三維模型與爆炸圖

3 除草機機架的模態分析

模態分析屬于有限元分析，它用于確定設計結構或部件的振動特性，通過模態分析方可以分析機械結構的各階主要模態的特性，從而有效地避免振動，同時可以為優化設計提供參考。本文通過BLOCK LANCZOS求解出除草機機架的前5階模態。

在模態分析時，首先把除草機的機架三維模型轉化成IGES格式，然后導入到ANSYS軟件中進行模型檢查和網格劃分[5]，如圖3所示。

圖3 機架的網格劃分

在機架與支撐板焊接的面施加零位移約束，求解出前五階振型，其各階頻率如表1所示，各振型如圖4所示。

表1 除草機機架前5階振型

圖4 除草機機架前五階振型圖

4 結束語

本文在對除草機進行總體結構設計的基礎上，利用SolidWorks軟件進行三維結構設計，導入到ANSYS軟件對除草機機架進行了模態分析和振動特性分析，從而為優化除草機結構提供了理論依據。

[1]耿端陽.新編農業機械學[M].北京：國防工業出版社，2011.

[2]張小麗，柴民杰，韓偉，等.輪式除草機的設計與實驗[J].江蘇農業科學，2013，41（3）：393-394.

[3]韓豹，申建英，李悅梅.3ZCF-7700型多功能中耕除草機設計與試驗[J].農業機械學報，2011，27（1）：124-129.

[4]王金武，趙佳樂，王金峰，等.有機水稻中耕除草機設計[J].東北農業大學學報，2013，44（11）：138-139.

[5]賴曉，秦志文，張彪.基于ADAMS的甘蔗收割機分動箱故障仿真分析[J].裝備制造技術，2016，27（2）：56-59.

[6]劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎與應用教程[M].北京：科學出版社，2006.

Three Dimensional Design of Weeder and Finite Element Analysis

YAO Peng－hua1，2，LIU Peng1，2，YAO Zhi－hua3
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei 441053，China；2.Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle，Xiangyang Hubei 441053，China；3.School of Mechanical Engineering，Anhui Science and Technology University，Anhui Chuzhou 233100，China）

In this paper，a new kind of weeder was designed and its three dimensional model was established by Solidworks software.In order to analyze the vibrating properties，the frame model was transmitted into ANSYS software and the nodal analysis was carried out and the vibrating frequency were obtained.The result laid a foundation for further optimize of the structure.

weeder；three dimensional model；frame；nodal analysis

S224

A

1672-545X（2017）03-0027-02

2016-12-04

姚鵬華（1989－），男，山西忻州人，碩士，助教，研究方向：車輛動力學與機械CAD；劉朋（1987-），男，安徽臨泉人，助教，碩士，研究方向：機械與車輛工程；姚智華（1989－），男，山西忻州人，碩士，副教授，研究方向：機械設計。