煙苗移栽機中車架升降機構的設計及有限元仿真

任志立 楊文彪 李俊

摘 ?要： 根據運動學要求設計一種應在煙苗移栽機的可升降車架，再對升降機構的進行運動學靜力學特性分析及動力學特性分析以驗證設計。通過運動學設計出其結構，用三維建模軟件SolidWorks建立實體模型，通過有限元分析軟件ANSYS對升降機構進行有限元分析計算。得到升降機構在滿載時的等效應力分布、最大等效應力、最大變形，根據材料的性能得出升降機構符合靜力學特性要求;得到升降機構的自由模態、諧響應、響應譜與其它激勵頻率作比較得出升降機構符合動力學要求。為升降機構的設計提供理論參考及數據支持。

關鍵詞： 車架升降機構;運動學;ANSYS;靜力學;動力學

中圖分類號： TP202 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.014

本文著錄格式：任志立，楊文彪，李俊，等. 煙苗移栽機中車架升降機構的設計及有限元仿真[J]. 軟件，2019，40（6）：6468+100

【Abstract】： According to the kinematic requirements， a kind of liftable frame should be designed for tobacco seedling transplanter， and then kinematic statics analysis and dynamic analysis of the lifting mechanism are carried out to verify the design. The structure is designed by kinematics， the solid model is established by SolidWorks， and the lifting mechanism is analyzed and calculated by ANSYS. The equivalent stress distribution， maximum equivalent stress and maximum deformation of the lifting mechanism under full load are obtained， and the lifting mechanism meets the requirements of static characteristics according to the performance of materials. The free mode， harmonic response and response spectrum of the lifting mechanism are obtained and compared with other excitation frequencies. It is concluded that the lifting mechanism meets the dynamic requirements. It provides theoretical reference and data support for the design of lifting mechanism.

【Key words】： Frame lifting mechanism; Kinematics; ANSYS; Statics; Dynamics

0 ?引言

煙草作為一種經濟效益巨大的經濟作物，擁有極其廣泛的種植，煙草種植主要以煙苗的移栽為主。在煙草種植中，煙苗移栽的勞動量十分巨大，煙苗的移栽黃世民、馬鐵兵、楊亞明等已研發出煙苗移栽機[1-2]，楊毅、王進紅等對煙苗移栽機各功能機構進行了分析[3-4]，但目前沒有設計出可升降的車架以適用于復雜地形。現設計一種煙苗移栽機的車架升降系統進行靜力學分析及動力學分析。現采用有限元仿真升降機構做靜力學及動力學模態分析[5]，通過計算得到有限元分析結果。得到升降機構的應力分布、最大應力及變形量，得出升降機構滿足靜力學性能要求;通過動力學分析得到升降機構的自由模態、諧響應、響應譜與其他激勵頻率比較，得出升降機構滿足動力學特性要求。

1 ?升降系統結構設計

車架升降裝置將主要由升降底座、升降支撐架、升降主架、螺紋升降桿、螺紋桿固定件、車架連接件組成。

1.1 ?絲杠導程計算

升降機構下面固定車輪上支架上，上面固定在移栽機的車架上，車架上承載著駕乘員的重力、待栽煙苗托盤和待栽煙苗的力重、移栽裝置的重力等。這些作用在車架上的力通過作用力與反作用力的關系最終都作用在升降機構上。

煙苗移栽機滿載工況下總質量為600 kg即地面對煙苗移栽機總的支持力為6000 N，其中六個移栽輔助壓實土壤的輪子所提供的支撐力為1200 N，則兩個車輪各自承擔的對移栽機的支持力為2400 N。使車架升降的動力為2400 N，即絲杠所產生的推力值需要達到2400 N，設計時應留有冗余故把絲桿的推力值定為3000 N。假設人坐在移栽機上對絲杠把手的推力值為10 N-20 N，絲杠把手到絲杠的水平距離為0.15 m，絲杠機構效率取0.9，將值帶入公式（1），得到絲杠導程R的取值范圍為2.83 mm～ 5.66 mm。設定車架行程100 mm，當導程取3 mm時，車架行程最大時需轉動絲杠33 r，所需人對絲杠把手的推力為10.6 N。當導程取5 mm時，車架行程最大時需轉動絲杠20 r，所需人對絲杠把手的推力為17.7 N。結合人機工程考慮移栽機的操作舒適性絲杠導程取5 mm。

1.2 ?升降底座和升降支撐架連接設計

升降裝置一端固定在車架上，另一端固定在車輪支撐架上，車輪支撐架另一端與車架支撐架通過轉動副連接。設計車架支撐架與車架連接的一端不動，車輪處在地面上豎直方向不移動，則該升降機構及車架可簡化為一個三角形，其中三角形三邊中升降機構所在的邊其邊長可變。

升降機構的行程為100 mm，三角形具有穩定性邊長和角度都是固定的，一條邊長變化時角度一定會發生變化，升降機構與車輪支撐架必須用鉸鏈連接。在此三角形中車架與支撐架簡化邊長為555 mm，車輪支撐架長520 mm，升降機構長500 mm～600 mm，由歐式幾何學基本定理可計算出車輪支撐架與升降機構角度活動范圍為58.9°～65.9°。

2 ?升降機構的有限元模型建立

ANSYSWorkbench是一種應用廣泛的有限元分析軟件[6-8]，界面友好、操作便利[9]，其最強大的功能是有限元仿真分析計算。對較為復雜的機構建模，通常選用三維實體建模軟件SolidWords。先在SolidWords中以方便轉化為有限元模型為準則等尺寸建立升降機構的三維實體模型[10]，然后將模型文件保存為.x_t格式文件。整體結構及升降機構的實體建模如圖1、圖2所示。

將模型導入ANSYS14.5Workbench中，首先對模型的材料進行選擇及對材料的屬性進行定義。考慮升降機構構件作為主要受力構件，從安全角度當以選用強度較高的材料較為合適，同時還要兼顧產品的成本，因此選用Q345。Q345為一種低合金鋼，擁有較好的力學性能，在車輛、船舶、橋梁等工程應用中主要用于受載荷部位，具有較好的綜合性能。

有限元分析的原理即是通過網格劃分把整體劃分成有限多個微小的單元體。影響有限元分析精度的因素則是網格劃分的質量精度。其中Relevance調整網格的疏密程度;Relevance Center設置網格的粗細可以為粗糙、中等和細化。在此選擇四面體單元，Relevance設置為50，Relevance Center設置為細化。劃分出節點48672個、單元數17495個。

機構的受力主要來自于車架及上方載荷的重力，故選擇升降機構頂端與車架固定的三個面作為力的作用面，每個力的大小為1600 N，方向向下。升降機構與車輪支撐架連接方式為鉸鏈連接。在施加約束的時候，把約束施加在升降機構下方板材幾個孔上，使升降機構底部保持不動。

3 ?靜力學分析結果

常用的材料強度理論有四種，第四強度理論即為最大形狀改變比能理論。此升降機構選用的材料為Q345塑性材料，且研究升降機構的靜力學中的應力、應變問題。因此采用第四強度理論[11-12]，對升降機構的結構強度進行評價。

從等效應力云圖可以看出升降機構整體的應力分布較為均勻，最大應力出現在絲杠固定件表面上，其它出現較大應力的區域為支撐絲杠的橫梁表面上如圖6所示。載荷對升降機構的作用力施加在絲杠固定件旁的橫梁連接件表面上，此橫梁連接件通過銷與絲杠固定件連接，且由于絲杠固定件只有外面一層鋼板，因此整個升降機構的壓力在此處只是由兩層對稱鋼板承受，故在此處出現最大應力。另一處出現較大應力的區域為升降機構橫梁下表面。升降機構的絲桿和螺孔接觸有較大面積，其接觸面積為橫梁載荷接觸面的多倍，因此在絲杠上不會出現較大應力。從等效應力云圖上得出升降機構的最大應力值為179.19 MPa，出現在橫梁下表面的較大等效應力值為159.28 MPa。所選用材料Q345的屈服極限為345 MPa，結合升降機構的最大應力為179.19 MPa，計算的安全系數為1.92，滿足設計安全系數1.8的要求。故升降機構的性能復合靜力學性能要求。

通過有限元計算升降機構正常工作狀態下的總變形如圖5所示，由總變形圖可以看出在工作狀態時升降機構的主要受力構件變形量均較小，最大變形出現在絲桿旋轉把手上。把手作為一個整體在負載的作用下整體發生的位置變化，最大變形為0.9 mm，變形量較小。主要受力部的絲杠、升降架并沒有發生明顯的變形。升降架底部幾乎沒有變形，升降架中間位置的橫梁的變形量為0.4 mm，變形量微小滿足工作狀態時的安全要求。絲杠作為升降機構工作的核心構件，在絲杠與套筒的接觸面上也存在著巨大的載荷，絲杠的變形量為0.5 mm仍屬于微小變形。故升降機構的總變形微小，主要受力部件安全穩定。

4 ?動力學分析

4.1 ?升降機構的模態分析

模態分析是針對機械結構的振動頻率進行分析，避免機械系統發生共振，引起機械結構巨大的變形和動應力導致破壞性事故。升降機構的模態分析對升降系統的固有頻率要求包括：升降機構的一階扭轉頻率、一階彎曲頻率低于動力源發動機怠速激勵頻率;升降機構的模態頻率與路面激勵頻率不重合、升降機構的各階模態頻率變化平穩。

模態的振型和頻率屬于結構的固有特性，對升降機構系統做無預應力模態計算即自由模態，不對升降機構施加任何載荷和約束[13]，通過計算得到升降機構的六階自由模態振型如圖6所示，固有頻率如表1所示。

4.2 ?諧響應分析

在靜力學分析中可以發現當升降機構承載靜力載荷時最大應力出現在支架橫管的表面上，對于靜載荷升降機構已經符合力學性能要求。在實際生產中移栽機由減震系統、輪胎氣壓、地面不平等諸多因素升降機構會承受持續動載荷，因此需要對升降機構的支架橫管表面做持續動載荷仿真，已檢測其在承受持續動載荷時最大應力是否超出許用應力。

仿真對象為支架橫管表面，在機構與車架固定表面施加豎直向下方向的正弦激勵載荷 ? ，其中 為角速度， 為時間，載荷幅值為3000 N，設定計算頻率范圍為0 Hz～100 Hz，計算步長為2 Hz。求解方法選用模態疊加法進行計算[16]，得到支架橫管表面諧響應應力結果如圖7所示從圖中可以看出支架橫管表面在頻率為54 Hz時最大應力為0.0219 MPa，激勵頻率為54 Hz與分析自由模態時升降機構同時出現彎曲和扭轉的激勵頻率及振型基本對應，而支撐架材料的屈服極限為345 MPa，符合可靠性要求。