溫室三七收獲機有限元分析

楊海慧，張兆國，崔振猛，程一啟

(昆明理工大學 現代農業工程學院，昆明 650500)

0 引言

三七是我國云南地區一種名貴中藥材，具有很高的醫藥與營養價值，其屬喜陰植物，對生長環境要求苛刻[1]。目前，三七藥材市場需求逐年增加，種植面積也隨之不斷擴大，造成了適宜種植土地短缺，輪作周期縮短[2]。同時，由于三七存在連作障礙問題，我們認為栽種過三七的地塊需先連續栽種其他作物10年以上才能再次種植三七[3]，三七的規模化種植與土地資源合理利用的矛盾越來越明顯[4]。目前，工廠化種植模式采用現代農業設施裝備，已經實現通過人工干涉，以現代化、企業化的模式實現種苗的規模化生產和經營。工廠化三七種植模式必將取代傳統田地生產模式[1]。

目前，世界范圍內三七收獲機械研究不多，典型代表有昆明理工大學張兆國研制的兩款三七收獲機[5]，一款懸掛式3年生三七挖掘收獲機，能夠有效地實現三七的采挖、分離以及鋪放作業[5]；一款自走式三七收獲機，能夠一次性地完成三七挖掘、分離、收集等作業[6]。為了實現溫室種植三七的機械化收獲[6]，昆明理工大學張兆國研制了一款溫室三七收獲機。研究表明：溫室三七收獲機作業過程中機架承力最多，因而作用在機架上的激振力極易導致其產生變形[7]，激振力的主要來源有振動挖掘鏟、振動抖土裝置及電機等部件；同時，收獲機在作業過程中與地面接觸所產生的隨機振動也會對機架產生影響[8]，當外部激振頻率接近機架的固有頻率時，會引發機架劇烈共振，影響作業效果。

1 機架有限元分析

1.1 建立機架三維模型

在Creo三維軟件中建立如圖1所示的參數化模型。溫室三七收獲機的機架尺寸：長×寬×高為3 330mm×1 460mm×540mm。整機主要由3個部分組成：①動力部件為電機，型號為Y132S2-2，額定功率為7.5kW，轉速為2 900r/min；②振動挖掘鏟工作幅寬為1 350mm，振動頻率為5Hz；③振動去土篩尺寸：長×寬為800mm×1 380mm，振動頻率為10Hz。

1.機架 2.電機 3.升降車輪 4.前車輪 5.液壓系統 6.挖掘鏟 7.去土篩 8.后車輪圖1 溫室三七收獲機Fig.1 Notoginseng harvester for green house

1.2 機架有限元模型導入及網格劃分

經過理論與經驗分析，對機架進行改進，添加3條橫梁、2條縱梁及2套支撐輪，如圖2所示。

圖2 改進后的機架Fig.2 Improved frame

在有限元前期準備時，簡化機架，忽略車架上的附屬掛接結構，略去一些對分析影響不大的輪廓線，同時將各段梁的圓角和倒角簡化為直角，假設機架的密度均勻分布等[9]。

將模型保存為STP文件格式后導入ANSYS workbench14.0，定義材料Q235：彈性模量E=210GPa,泊松比為μ=0.3，材料密度ρ=7 850kg/m3。網格劃分時設置單元尺寸為40mm，劃分后總結點數為106 885，總單元數為52 543。網格劃分如圖3所示。

圖3 有限元網格劃分Fig.3 Finite element meshing

1.3 施加約束

考慮到溫室三七收獲機工作時的實際情況，為模擬其行走工作狀態，設定前4個輪軸承處為固定約束；其他各零部件的接觸選擇默認設定bounded，此處不考慮預應力。

2 機架結構靜力學分析

2.1 機架受力分析

本文機架靜力學分析中，機架受自身重力載荷與附屬結構重力載荷，同時還承受收獲過程中的挖掘阻力。本研究取機架重3 000N，均布在上下層機架上；電機重720N，分布在前板處；挖掘阻力取5 000N[6]，分布在橫梁與挖掘振動軸承座。

2.2 機架強度校核

圖4為溫室三七收獲機機架的應力分析圖，圖5為機架靜力學分析的總變形圖。由圖4、圖5可知：最大應力發生在電機安裝位置及縱梁連接處，最大應力3.527 7MPa，最大變形發生在車尾處，最大位移2.958 3×10-1mm，機架的設計滿足強度要求。

圖4 機架應力圖Fig.4 The stress nephogram of frame

圖5 機架總變形圖Fig.5 The displacement nephogram of frame

3 模態分析

對三七收獲機進行模態分析，其結果主要包括前10階振動頻率圖和其對應的振型云圖，如圖6所示。

圖6 機架模態固有頻率和階數圖Fig.6 The frequencies and Figure of the frame

由圖7可知：三七收獲機前10階的模態固有頻率分別為5.965 4、6.624 8、7.158 5、8.897 7、14.626、15.076、19.317、20.267、21.534、21.708Hz，并能觀察出車架的振型。

由于傳統“填鴨式”教學思想的深刻影響，許多初中數學教師在教學過程中依舊是機械地給學生灌輸知識，對學生采用題海戰術，片面追求正確答案而忽視引導學生對解題過程進行探究，使得學生缺乏獨立思考的時間和空間，只能在不斷做題中緩慢提高數學成績。同時，應試教育尤其是中考給教師和學生帶來的壓力，也使得初中數學教師對學生的獨立思考能力沒有足夠重視，不敢在教學實踐中輕易進行嘗試，缺乏教師的正確引導，學生獨立思考習慣的培養自然也就無從談起。

(e) 5階，14.626Hz，車架中后部扭動 (f) 6階，15.076Hz，前部上下擺動

(g) 7階，19.317Hz，前部上下擺動 (h) 8階，20.267Hz，前部上下擺動，尾部左右擺動

(i) 9階，21.534Hz，前部上下擺動，尾部 (j) 10階，21.708Hz，車架整體扭動圖7 前10階模態振型Fig.7 The first ten modal shapes of the frame

4 諧響應分析

電機振動可能導致溫室三七收獲機發生共振，電機產生的振動可通過連接件傳遞到機架，導致共振，本文對機架進行電機激勵下的諧響應分析[10]。將頻率范圍設置在0～30Hz，且施加幅值為720N的正弦激勵載荷，頻率15Hz處機架應力頻率響應值和位移頻率響應值均最大，如圖8和圖9所示。

圖8 位移-頻率響應曲線Fig.8 Displacement-frequency response curve

圖9 應力-頻率響應曲線Fig.9 Stress-frequency response curve

當頻率為15Hz時，機架將會產生共振。將分析參數列表中的頻率改為15Hz，求解相應的等效應力和變形位移。

如圖10、圖11所示：頻率15Hz時，機架最大應力61.542MPa,最大位移2.03mm；最大應力出現在電機安裝位置處及車架連接部位，尚未超出材料屈服強度。

圖10 機架變形云圖(15Hz)Fig 10 Total deformation of the frame

圖11 機架應力云圖(15Hz)Fig.11 Stress distribution of the frame

5 挖掘鏟的有限元分析

5.1 挖掘鏟的設計參數

挖掘鏟在溫室內挖掘三七時，因土壤沉降等原因，三七塊根埋藏較淺，測得需挖掘深度8cm左右，因此本文設計的挖掘鏟鏟長32cm,鏟幅1.35m，單面鏟寬10cm,挖掘鏟傾角設置為15°。挖掘鏟結構如圖12所示。

圖12 挖掘鏟結構Fig.12 Structure of digger blade

5.2 挖掘鏟有限元模型建立

挖掘鏟結構特性會直接影響到收獲機作業效果，因此溫室三七收獲機的挖掘鏟應該具有較好的工作性能、力學性能可靠且結構設計優良[11-12]。采用Creo軟件建立挖掘鏟的三維實體模型并導入ANSYS workbench14.0，設置單元尺寸20mm進行網格劃分，劃分后得到的總節點數為41 447，總單元數為18 512。

5.3 挖掘鏟有限元靜力學分析

挖掘鏟作業過程中受土壤多向載荷及相互作用摩擦力等，但對作業效果有主要影響的是與挖掘鏟鏟面直接接觸的載荷，因此本文分析時只考慮法向力[13-14]。挖掘鏟通過三處鉸接與機架固定， 此處分析中假設挖掘鏟靜止挖掘，挖掘阻力設定5 000N。

5.4 ANSYS有限元分析結果

圖13 挖掘鏟總變形圖Fig.13 The displacement nephogram of digger blade

圖14 挖掘鏟應力圖Fig.14 The stress nephogram of digger blade

6 結論

1)采用ANSYS軟件對溫室三七收獲機機架進行靜力學分析，靜力作用下機架最大應力值3.527 7MPa，發生在電機安裝位置及縱梁連接處；最大位移2.958 3×10-1mm，發生在車尾處。機架設計滿足強度和剛度要求。

2)對溫室三七收獲機機架進行模態分析，獲得機架的固有頻率，對機架進行頻率范圍為0～30Hz的諧響應分析，并且施加幅值為720N的正弦激勵載荷，頻率15Hz時電機安裝位置處可能發生共振，此時電機安裝位置處應力和位移達到最大，最大應力為4.34MPa,最大位移為2.03mm。機架滿足激勵載荷下的強度要求。

3)對溫室三七收獲機挖掘鏟進行靜力學分析可知：挖掘鏟最大變形量1.334 4mm，發生在挖掘鏟兩側鏟尖；挖掘鏟最大應力20.894MPa,集中在挖掘鏟與機架連接的連桿上且靠近機架處。挖掘鏟設計符合強度要求。