棗園修剪機連接座的設計及有限元分析

劉玉冬，潘俊兵，陳亞婭，張志元，付 威

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.新疆生產建設兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子 832003)

0 引言

紅棗作為新疆特色經濟作物，對提高當地居民收入、保護生態環境具有有重要意義[1-3]。作為新疆的綠色經濟產業，近年新疆紅棗種植面積不斷增大，棗園多為規模化種植，從施肥、打藥到采收已逐步采用機械化作業[4-5]。目前，棗園修剪作業主要以人工為主，勞動強度大，效率低，亟待研制修剪機具替代人工修剪作業。因此，本文設計一種棗園修剪機械，解決人工修剪問題。修剪機連接座是整機關鍵部件之一，是修剪工作平臺與拖拉機的連接部件，承受修剪整機質量和工作時的沖擊載荷，連接座設計能否滿足工作要求，是該修剪機可靠工作的關鍵。修剪機連接座的設計需要經過全面的分析，進行再加工使用。有限元設計可以有效提高分析的精度與可靠性，在農業機械設計過程中得到廣泛應用[6-13]。

為驗證修剪機連接座設計的合理性，在SolidWorks軟件環境下建立修剪機連接座的三維模型，并在Ansys Workbench下對連接座進行了應力及模態仿真，分析修剪機連接座設計的合理性。

1 修剪機結構及工作原理

1.1 修剪機工作原理

棗園修剪機由側部修剪裝置、頂部修剪裝置、修剪機架、調整機架、連接座、液壓油箱及配套拖拉機等組成，如圖1所示。工作時，調整機架呈一定傾角，修剪機架采用龍門式，在拖拉機驅動下一次完成整行棗樹頂部與側部的整形修剪作業。連接座作為重要的工作部件，一端同拖拉機前部連接，另一端同機架連接，承載了整個修剪裝置的質量。

1.側部修剪裝置 2.頂部修剪裝置 3.修剪機架 4.調整機架 5.連接座 6.拖拉機 7.液壓油箱圖1 修剪機三維結構簡圖

1.2 連接座主要結構及模型的建立

紅棗修剪機連接座主要采用Q235普通鋼板，由左右側板、前連接板、內筋板、機體連接板、左右側連接板等焊接組成，如圖2所示，其相關參數如表1所示。其中，連接座通過機體連接板和左右側連接板用螺栓與拖拉機前懸掛架部分連接，前連接板與修剪機機架通過螺栓連接。

表1 連接座相關參數

1.前連接板 2.加強筋 3.側板 4.內筋板 5.機體連接板 6.側連接板圖2 連接座三維模型圖

2 連接座結構靜力學分析

2.1 修剪機連接座的受力分析

當修剪機在最大修剪工作位置時，修剪機連接座受力最大，故在此狀態下對連接座進行受力分析，如圖2所示。

由受力平衡可得

Ft——Fm切向分力；

β——Fm與豎直方向的夾角，β=55°；

loe——修剪裝置重心到連接座擺動中心最大距離，loe=2.5m；

G——連接座的質量，G=500N；

Fa、Fb、Fc、Fd——Fm在連接座的各螺孔處的豎直方向上的分力，且Fa+Fb+Fc+Fd=Fm；

Ma、Mb、Mc、Md——Fm在前連接座各螺栓孔處產生的扭矩，且Ma+Mb+Mc+Md=Ft·loe；

M——連接座受到的扭矩；

Fg、Fh、Fk——左側連接板機、機體連接板、右側連接板在各螺紋孔處受到的合力。

代入數據可得知，棗園修剪機連接座的設計符合理論要求。

2.2 有限元模型建立及網格劃分

將SolidWorks中的連接座模型導入Ansys Workbench之中[14-15]，為了便于分析，對模型做以下簡化：連接座材料被看作各向同性材料，忽略焊縫對各連接座的影響。左右兩側側連接板與側板是通過8個M12的螺栓緊固的，通過機械設計手冊[16]得知：M12螺栓的預緊力為12 000N，Q235鋼板之間的摩擦因數為0.15。設兩個側板受到的摩擦力為Ff，則

Ff=u×8×FN=14 400N

由此可見，Ff要遠大于修剪機身的重量Fm，故將連接座看成一個完整的整體。定義材料屬性，連接座是由鋼板加工而成，具體材料屬性如表2所示。

表2 連接座材料屬性參數

圖3 連接座受力簡圖

對修剪機連接座進行網格劃分。由于連接座結構較簡單，為了提高分析效率，所以利用Workbench中自動網格生成功能進行劃分，共劃分17 186個網格、30 986個節點。

2.3 施加約束與求解分析

按照連接座的受力分析，對連接座施加載荷，并分別求解連接座的整體形變云圖(見圖4)、應力云圖(見圖5)。

圖4 整體形變圖

圖5 應力圖

通過圖4可以看出：修剪機在最大修剪工作位置時，其最大形變為1.620 3mm，發生在前連接板坐下部的螺孔附近。由于受到機架對螺孔的豎直壓力及逆時針方向的扭矩，距離受力位置最遠，所以此處發生形變位移最大。

通過圖5可以看出：修剪機連接座在側連接板靠近前連接板折彎處的等效應力最大，最大應力值為224.51MPa。

對連接座進行強度校核，取安全系數為1，則

式中 [σ]——許用應力(MPa)；

σmax——最大應力(MPa)；

σs——材料屈服極限(MPa)。

上式表明：連接座最大應力滿足強度要求。考慮到此工作狀態為修剪機的最大修剪工作狀態，棗園修剪作業時，連接座受到的最大應力遠小于此，所以此連接座完全滿足安全要求。通過圖5可以看出：側板在折彎處受力較集中且較大。為了安全，可以在此處加加強筋或者修改加強筋；考慮到方便加工，可以加厚加長加強筋。

3 連接座模態分析

棗園修剪機為田間作業機械，工作環境復雜，振動激勵較多，為此對連接座進行了模態分析[15-16]。

本文獲得了連接座6階固有頻率，結果如表3所示。由表3可知：5、6階固有頻率在600Hz以上。由于5階和6階頻率較高，因此只研究1～4階連接座固有頻率。連接座的1階振模態振型圖如圖6所示。

表3 連接座的固有頻率和主振型

圖6 1階模態振型Fig.6 First-order mode of sprayer,s frame

圖6中，最大偏移量為10.314mm，其主要發生在前連接板下部。2階模態振型圖為如圖7所示。圖7中，最大偏移量為17.957mm，主要發生在前連接板的下側的兩螺孔處。3階模態振型如圖8所示。圖8中，最大偏移量為13.81mm，主要發生在內筋板中間處和左側板折彎處。4階模態振型如圖9所示。圖9中，最大偏移量為10.74mm，主要發生在前連接板的下側的兩螺孔處和左側板折彎處。

通過表2前6階主振型可以看出：連接座內筋板與左右兩側板在共振時受影響最大。通過圖6～圖9可以看出：在連接座發生共振時，機體的振動位移要遠大于靜止時連接座的連接座的整體形變，因此修剪機工作時必須保證連接座不發生共振。為防止共振發生，可對前內筋板、左右側板的折彎處等發生共振較大位置進行加固處理。

圖7 2階模態振型Fig.7 Second-order mode of sprayer,s frame

圖8 3階模態振型

圖9 4階模態振型

為確定連接座是否發生共振，對其受到的激勵進行了分析。

1)修剪機行走時，地面起伏不平造引起的固與路面激振頻率有著密切的關系，通過公式[9]得

(5)

其中，u為修剪機前進速度，工作時u≈20km/h，運輸狀態下u≤50Km/h；λ為路面不平波長，工作時λ≈0.35m，運輸狀態下λ≈0.1m。

經過計算，工作時與運輸狀態下路面產生的激振頻率分別為15.87Hz和138Hz。

2)拖拉機發動機正常工作時的轉速為1 000～2 400r/min，振動頻率為25～40Hz左右；

3)修剪裝置正常工作時轉速約為1 500～2 000r/min，振動頻率約為25～34Hz。

同連接座固有頻率對比分析可知：連接座的一階固有頻率為152.28Hz，高于地面、發動機、修剪裝置的激振頻率。所以，連接座不會發生共振。

4 測試試驗

根據前面對連接座的應力以及模態分析結果可知：修剪機連接座的設計是符合工作要求的。按要求對連接座進行加工并完成修剪機的安裝，如圖10所示。對連接座施加4 000N的外力，經測試，連接座的設計完全滿足修剪機的各項要求。

圖10 實物照片

5 結論

1)對修剪機連接座進行了受力分析，并在SolidWorks軟件環境下建立三維模型，通過Ansys軟件對連接座的進行了靜力學分析，得到了整體形變云圖和應力云圖。在最大工作位置時，連接座的最大應力為224.51MPa，最大形變為1.620 3mm。分析表明，連接座的強度滿足工作要求。

2)對連接座進行模態分析，獲得連接座的6階固有頻率，并對前4階固有頻率云圖進以及連接座所受到外界激勵進行了分析。由于1階固有頻率為152.28Hz，遠大于外界激勵,所以連接座不會發生共振，其設計滿足工作要求。