復(fù)式植保機車橋組件靜動態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計

王 榮， 周金俊， 曹冬林， 柳亞輸

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300； 2.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京 210016； 3.江蘇省泰州櫻田農(nóng)機制造有限公司，江蘇泰州 225300)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對植保機械提出了大型化、智能化、精量化、高地隙的技術(shù)要求，支撐底盤的車橋橋殼和立柱的強度直接影響高地隙植保機的工作性能。在動載荷條件下，要求橋殼和立柱組件在具有足夠的強度和剛度的條件下還應(yīng)力求減小自身的質(zhì)量。近年來，農(nóng)機技術(shù)人員在高地隙、智能精量施藥施肥等方面做了一定的努力和探索，如楊方飛等對高地隙噴桿噴霧機底盤進行可靠性試驗，基于ANSYS有限元軟件分析底盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布并確定結(jié)構(gòu)薄弱部位，根據(jù)噴霧機工作實際使用情況對典型工況下的損傷加權(quán)平均，得到底盤結(jié)構(gòu)的實際使用壽命[1]；蔣克庭等用有限元計算分析，找出橋殼在市場上出現(xiàn)盤面開裂現(xiàn)象的原因，并進行了改進設(shè)計[2]；張立香等依據(jù)可靠性干涉原理建立了驅(qū)動橋殼強度和剛度可靠性模型，對驅(qū)動橋殼的可靠性進行仿真分析，為底盤橋殼精益

設(shè)計提供理論指導(dǎo)[3]。經(jīng)用戶使用反饋以及售后維保發(fā)現(xiàn)，植保機橋殼和立柱組件在實際使用時較其他車身結(jié)構(gòu)更易發(fā)生失效，主要是橋殼和立柱的接頭部分發(fā)生開裂。目前的研究主要集中在底盤的可靠性理論分析和汽車車橋的強度分析，而對于實際失效部件尚無研究。本研究基于ANSYS Workbench對車橋殼組件進行了優(yōu)化設(shè)計，解決植保機橋殼和立柱組件的強度不足造成的失效，同時為高地隙農(nóng)用機械設(shè)計提供優(yōu)化設(shè)計的方法。

1 確定橋殼組件結(jié)構(gòu)并建立3D模型

考慮植保機正常行駛時前橋受力較復(fù)雜，以前橋和立柱的橋殼組件作為研究對象，采用UG軟件建模(圖1)。

2 橋殼組件的有限元靜力學(xué)分析

2.1 有限元模型的建立

在仿真模型中，筆者在不影響準(zhǔn)確性并保證精度的前提下，忽略了過渡圓弧、加強筋、起連接和安裝作用的附件以及小的螺栓孔等的一些幾何特征，對原結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化[4]。將簡化模型導(dǎo)入ANSYS軟件，劃分成628 884個單元，1 229 971 節(jié)點。

2.2 材料特性參數(shù)

車橋組件工作環(huán)境復(fù)雜，承載較大，球墨鑄鐵鑄造性能好，性能接近鋼鐵，選擇球墨鑄鐵作為車橋組件材料，表1是其特性參數(shù)。

表1 車橋組件材料特性參數(shù)

2.3 有限元分析計算

2.3.1 載荷施加及約束添加 車橋的受力情況比較復(fù)雜：車身各部分的自重以及負(fù)載引起車橋彎曲，不平路面對車輪的影響導(dǎo)致車橋彎曲加劇，汽車轉(zhuǎn)彎、變速時對車橋造成側(cè)向和縱向載荷的影響[5]。對車橋模型有限元分析除了施加載荷外，還須添加約束，當(dāng)車橋處于不同工作狀態(tài)時，約束條件不同。植保機車橋組件起支撐底盤機架的作用，其他零部件的載荷作用在底盤機架上，主要是藥箱、噴桿噴架、車身、發(fā)動機等的重力。

2.3.2 計算4種工況下的應(yīng)力及變形 工況1：水平彎曲工況研究的是自走式底盤機架在滿載條件下抵抗彎曲變形的能力。依據(jù)車身各部分的質(zhì)量分布計算出橋支撐點受力；在彎曲工況下，車身處于勻速或靜止?fàn)顟B(tài)，約束立柱與輪胎接觸2個位置的節(jié)點自由度。其應(yīng)力、變形見圖2。

工況2：植保機在坑洼不平的路面行走易造成車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)，須在橋?qū)嚿碇翁幨┘愚D(zhuǎn)矩；添加約束條件為約束右前輪的3個平動自由度，釋放3個轉(zhuǎn)動自由度；釋放左前輪所有自由度。其應(yīng)力、變形見圖3。

工況3：植保機緊急制動時在車橋支撐車身處施加慣性力，慣性力方向沿車行駛方向；添加約束條件為約束前輪的3個平動自由度，釋放3個轉(zhuǎn)動自由度。其應(yīng)力、變形見圖4。

工況4：植保機緊急拐彎時在車橋支撐車身處施加慣性力，方向為離心力作用方向。添加約束條件為約束前輪的3個平動自由度，釋放3個轉(zhuǎn)動自由度。其應(yīng)力、變形圖見圖5。

2.3.3 結(jié)果分析 結(jié)合變形、應(yīng)力圖，4種工況的最大變形和最大應(yīng)力如表2所示。典型工況下機架的強度和剛度滿足材料的屈服極限要求。工況2是最危險的工況，橋和車身連接處承受較大的應(yīng)力，橋支撐和橋的連接拐承受應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)可做適當(dāng)優(yōu)化。

3 橋殼組件結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

橋殼組件在工作時主要受到2種激勵， 從而產(chǎn)生較復(fù)雜的振動，一是工作路面坑洼不平對車輪作用的隨機激振，激振頻率一般低于10 Hz；二是發(fā)動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的簡諧激振，該植保機選用三缸四沖程柴油發(fā)動機，怠速轉(zhuǎn)速1 200 r/min，發(fā)動機怠速頻率計算公式：

表2 4種工況下車橋組件的最大變形和最大應(yīng)力

(1)

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，i為發(fā)動機缸數(shù)，τ為發(fā)動機沖程，由公式(1)計算該發(fā)動機的怠速激勵頻率為30 Hz。

為了使橋殼組件的固有頻率避開各激振頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，對車橋進行模態(tài)分析。利用ANSYS Workbench軟件分析植保機橋殼組件的模態(tài)，前4階固有頻率近似為0，為剛體模態(tài)，選取前6階非0固有頻率和振型進行分析[6-7]，匯總結(jié)果見表3。

4 橋殼組件的有限元優(yōu)化設(shè)計

基于靜力學(xué)分析，扭轉(zhuǎn)工況是最危險的工況，橫梁與立柱的拐臂處承受較大的應(yīng)力，為137 MPa，本次優(yōu)化設(shè)計基于扭轉(zhuǎn)工況的受力情況，前橋的動態(tài)特性主要取決于低階模態(tài)，發(fā)動機怠速激勵頻率為30 Hz，故以質(zhì)量盡量小，前6模態(tài)頻率與發(fā)動機怠速激勵頻率之間的頻率差盡量大為優(yōu)化目標(biāo)。以扭轉(zhuǎn)工況的強度σ≤σmax=240 MPa及剛度δ≤δmax=4 mm為約束條件，以變截面橫梁殼體直徑P1、P2和立柱直徑P3為設(shè)計變量(圖6)，建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型如下[8-9]：

(2)

式中：M表示車橋質(zhì)量；fi表示前i階固有頻率，其中i=1,2,…,8；P1表示橫梁殼體外徑1；P2表示橫梁殼體外徑2；P3表示立柱殼體外徑；σmax表示最大應(yīng)力；δmax表示最大變形。

首先，利用試驗設(shè)計所定義的參數(shù)生成15組設(shè)計點，如表4所示。設(shè)計點對輸出參數(shù)的靈敏度計算結(jié)果如圖7所示，再根據(jù)靈敏度分析結(jié)果選擇設(shè)計變量和目標(biāo)變量之間的響應(yīng)曲面[10]，如圖8所示。

表3 橋殼組件前6階固有頻率及振型

表4 試驗設(shè)計生成的設(shè)計點參數(shù)值

由程序優(yōu)選出優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)尺寸圓整，取P1=90 mm，P2=77 mm，P3=105 mm重新生成模型更新數(shù)據(jù)，優(yōu)化前后各參數(shù)對比如表5所示。

5 結(jié)論

本研究探討了車橋和立柱組件的強度特性，分析計算了車橋組件在4種工況下的動靜態(tài)特性，得出其薄弱部分和固有頻率；采用試驗設(shè)計和響應(yīng)曲面法結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化，充分考慮組件質(zhì)量、固有頻率、強度和剛度的關(guān)系對組件進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的組件強度、剛度符合要求；組件固有頻率增加，遠避激振頻率30 Hz；組件質(zhì)量由108.498 kg降低為 82.33 kg，降低了24.1%，立柱直徑和車橋直徑適當(dāng)減小，降低了成本。

表5 優(yōu)化前后具體參數(shù)值對比