前置擺動式割草機的結構設計與模態分析

占加林，朱華炳，徐崢，方磊

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

由于大量的公園草坪、足球場草坪、高爾夫球場草坪等綠地均需要進行維護[1]，而在各種草坪維護作業中，草皮修剪工作最為繁重,不僅枯燥,而且重復性強,通常需要消耗大量的人力和物力。因此人們對割草機的需求日益強烈，但是真正適用范圍廣泛、實用性強且工作穩定的割草機械卻很少。

從目前的研究來看，國外早期就廣泛地采用旋轉式割草機大面積收割飼草。僅西德法爾公司1966年—1968年3年時間就生產和銷售這種型式的割草機約4萬多臺，近些年在歐洲和北美等草坪擁有量高的西方發達國家, 已將智能割草機器人作為產品在市場上銷售。在美國，為了促進智能割草機器人的研發，2004年起每年都要舉行一次自動割草機器人比賽(annual autonomous lawnmower competition )，目的在于實現智能割草機器人的全自主運行[2]。國內方面，由于城市規劃與割草機發展起步較遲，雖然取得了一些進展，但仍處于理論探索和產品研發階段。現有的割草機在實現人工智能、結構可靠性等方面尚存在不足，產品的實際作業效果也不理想。

本文運用SolidWorks軟件對前置擺動式割草機的驅動系統、升降裝置、切割裝置等進行了三維設計，確定了割草機整機結構。基于有限元分析軟件Ansys Workbench對整機的關鍵部件進行分析，獲得了機架的固有頻率和振型，驗證了其結構設計的合理性。同時在保證割草機運行可靠的條件下，對機架進行優化設計，將割草機的振動降至最低。

1 結構設計

通過SolidWorks三維軟件建立割草機的整機模型，如圖1所示，本文主要圍繞驅動方式、雜草收集裝置、割刀高度調節機構3個方面進行展開。

圖1 割草機的三維模型

1.1 驅動方式

由于割草機的工作壞境比較惡劣、地形復雜，采用越野賽車的四輪驅動，主要是為了在各種不同的工況下都能夠靈活的作業而不受影響，例如穿越沙土地面或泥潭。四輪驅動是將發動機輸出轉矩以固定的比例分配到前后輪。該驅動方式可以減少每一驅動輪的驅動負擔，因而能夠保證在不超過輪胎摩擦極限(即不發生車輪打滑)的情況下，將足夠的動力傳至路面[3]，使割草機具有較強的越野性能。四輪驅動的總布置如圖2所示。

圖2 四輪驅動總布置圖

1.2 雜草收集裝置

針對一些草坪需要割草后保持整潔，本文提出了在割刀的前段和機架上部設計鼓風收集雜草裝置，以實現割草與收集一體化。涉及的結構主要包括：護罩、防倒板、鼓風機、收集箱等。工作原理為：刀頭割斷的雜草通過風機的吸收由45°切向沿防倒板進入收集裝置。在慣性與重力作用下，雜草會很快地吸進收集箱中，同時可以由泄放閥在收集箱底部進行雜草泄放。收集裝置內部進草口的直徑d與內筒的直徑D之比[4]為：

式中pi=3.141 59。

不改變其他構件的參數，當d=100mm，計算得到D=280mm，所以設計的內筒和外筒之間的距離為90mm。已有文獻指明：當入口風速達到了20m/s時，筒壁不積灰，當入口風速在16m/s以下時，筒壁開始積累雜草，風速越低，積累越嚴重[5]。當進口風速提高以后，已經在壁面上凝聚的雜草可以被吸進收集箱。

1.3 割刀高度調節機構

實際工作中能夠靈活地控制割草的高度是一項很重要的任務，在割刀的后軸部位采用電動推桿+定制套環結構。電動推桿又名直線驅動器，是旋轉電機在結構方面的一種延伸。其中，電動推桿由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動控制開關等組成[6]。其工作原理是電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母，把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電動機正反轉完成推桿動作；將推桿與套環固定，通過增大或減小行程來調節割刀的主軸高度。圖3為直線驅動器的實物圖，圖4為割刀調高裝置的機構簡圖。

圖3 直線驅動器實物圖

1—直線驅動器；2—推桿；3—套環；4—割刀主軸圖4 割刀調高裝置的機構簡圖

2 有限元分析過程

2.1 ANSYS Workbench 軟件介紹

ANSYS Workbench平臺作為一個應用開發框架，提供項目全腳本、報告、用戶界面(UI)工具包和標準的數據接口。在這個創新的框架下，工程師可以完成一個完整的仿真分析，包括CAD集成、幾何修改和網格劃分[7]。其中，模態分析技術用于確定設計機構或機器部件的振動特性，是承受動態載荷結構設計中的重要參數，也是動力學分析領域中不可缺少的手段[8]。在結構設計中，對其三維模型進行模態分析可以有效避免可能引起的共振，最后針對危險區域結構進行優化。模態分析是在一定的假設條件下求解的，振動頻率ωi和模態φi是根據式(1)得出。

K-ωi2Mφi=0

(1)

其中，ωi為第i階模態固有頻率；φi為第i階特征向量，i=1,2,3，…，n。

假設：

1) [K]和[M]不變；

2) 材料是線彈性材料；

3) 滿足小變形理論,不考慮載荷、慣性與溫度影響[9]。

2.2 有限元分析前處理

將在SolidWorks中已建立的機架主體模型另存為igs格式的文件，并導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中，定義其材料屬性，輪轂處采用鋁合金材質：彈性模量E=69GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2 770kg/m3；其他機架部位采用結構鋼材質：彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850kg/m3。進行自動網格劃分，網格模型如圖5所示。由于自由模態不需要添加外載荷，僅在4個輪胎處施加固定約束。

圖5 機架網格模型

2.3 模態結果分析

導入模型后，進入模態分析Modal模塊，根據分析的結果，前6階固有頻率如表1所示，取其中前3階振型如圖6-圖8所示。

表1 機架前6階固有頻率

模態分析主要用于確定機器部件或設計機構的振動特性(即固有頻率和振型)，是結構動態設計和設備故障診斷的重要方法[10]。由表1可以看出機架的固有頻率在376.5～1 011.5Hz之間變化，隨著模態階數的增加，模態頻率也增加。由振型云圖可以看出機架的振動主要發生在底盤的中間部位。振動向底盤外部方向逐漸增強，其中底盤兩側容易發生彎曲變形。在模態分析結果中,1階與2階頻率是機架振動過程中能量的主要集中處。

圖6 第1階固有頻率位移云圖

圖7 第2階固有頻率位移云圖

圖8 第3階固有頻率位移云圖

發動機振動的固有頻率主要集中在88.91～126.44Hz，作為割草機的振動源之一，遠低于割草機的固有頻率，因此割草機的啟動不會引起共振。同時，割草機主軸的額定轉速為2 500r/min，頻率為41.76Hz低于第1階模態頻率也成功地避開了機架的固有頻率[11]。

2.4 機架的振動優化

針對割草機的固有頻率偏大的情況，同時為了減振，通過分析固有頻率位移云圖，對機架重新進行優化。在機架振幅較大的部位添加了加強筋。表2為優化后的機架前6階固有頻率以及降低百分比，圖9-圖11為優化后的前3階振型。

表2 優化后的機架前6階固有頻率

圖9 優化后的第1階固有頻率位移云圖

圖10 優化后的第2階固有頻率位移云圖

圖11 優化后的第3階固有頻率位移云圖

由于對實際結構有意義的主要是前3階的振型，同時，低階模態理論也相對成熟。對比改進結構后的機架，其前3階的固有頻率分別降低了30.4%、20.5%、19.5%，減振效果非常明顯，并且不會達到共振的臨界點。因此，采用加強筋方式驗證了其改進的可行性，對今后割草機設計和完善具有一定的參考價值。

3 結語

本文通過SolidWorks對前置擺動式割草機的整機進行三維實體建模，然后通過接口導入ANSYS Workbench中對割草機的機架部位進行分析，得到以下結論：

1) 利用ANSYS Workbench對機架進行了模態分析，根據實際工況設置相應的約束，確定了機架的固有頻率和振型特征，得到其前6階固有頻率是從376.5～1 011.5 Hz的變化規律，遠高于可能產生共振的條件，驗證了該模型的可靠性。

2) 分析了固有頻率以及各階頻率位移云圖，針對振幅較大區域進行結構優化，有效減小了模態頻率，并且避開共振。

由于本文只考慮了在前置擺動式割草機正常工作時主體機架的模態分析，沒有考慮運動過程中整機的受力情況，以及輪胎受到沖擊載荷時的受力情況，所以設計人員對其進行結構設計優化時，要考慮以上情形，利用虛擬樣機技術進行相應的譜分析和瞬態動力，建立割草機整機的三維模型，應用ADAMS軟件對虛擬樣機進行運動學仿真。

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