玉米脫粒試驗臺清選風機線性動力學分析

邸志峰，崔中凱，劉 虎，張 華，卜令昕，周 進

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

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玉米脫粒試驗臺清選風機線性動力學分析

邸志峰，崔中凱，劉 虎，張 華，卜令昕，周 進

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

由于設計的玉米脫粒試驗臺清選風機，在樣件試驗過程中風機葉片出現嚴重扭曲變形故障。為實現有效改進，借助有限元分析軟件對風機結構開展線性動力學分析。分析結果表明：原風機結構在800～900r/min長時間運行時，自身固有頻率與激勵頻率耦合，共振后導致破壞，分析結果與故障現象具有一致性。通過在葉片薄弱位置增設中間支撐，改進后風機軸裝配1階固有頻率由62.3Hz提升到116.3Hz，改進后樣件在后續試驗過程中運行可靠，未出現破壞現象，證明改進措施切實可行，為后續開發高性能樣機提供了參考。

清選風機;線性動力學分析;瞬時模態

0 引言

本文新設計的玉米脫粒試驗臺清選風機，試驗過程中發現風機葉片出現嚴重扭曲變形，如圖1所示。作為清選裝置中的重要組成部分，風機性能對籽粒混合物清選效果有著重要影響。運行過程中風機不但受到自身離心力的影響，葉片本身還會受到氣流沖擊[1]。為實現風機結構的有效改進，避免上述故障的再次出現，有必要對風機開展有限元分析。

圖1 清選風機故障圖示

本文以該故障風機為分析對象，利用SolidWorks軟件建立風機三維模型，然后導入Hypermesh軟件中完成有限元模型的建立及前處理，最后導入到Abaqus軟件進行求解[2]，得到風機模態分析結果，并用來指導風機結構的改進。

1 風機設計及建模

1.1 風機設計

本文設計的清選風機主要由風機殼體、風機右側板及風機軸裝配等3部分組成，如圖2所示。風機軸裝配由風機主軸、葉片支座和風機葉片3部分組成，如圖3所示。

1.風機殼體 2.風機右側板 3.風機軸組件

1.風機主軸 2.葉片支座 3.風機葉片

各結構主要參數如表1所示。

表1 風機主要結構參數

1.2 風機軸轉配三維模型建立

風機運轉過程中風機主軸和葉片為主要受力部件，故本文只對風機軸裝配進行三維建模和分析。首先，采用SolidWorks軟件完成零件三維建模；然后，通過參數和幾何約束之間的相互關聯確定零件的特征，幾何約束關系不變，模型特征也保持不變；最后，通過添加約束完成零件裝配，構成風機軸裝配模型，如圖4所示。

圖4 風機軸三維裝配示意圖

完成三維建模后，將文件另存為.igs格式的模型并導入到Hypermesh軟件中，借助Hypermesh軟件的前處理功能，建立有限元分析模型。

2 風機軸有限元分析

2.1 風機軸有限元模型

理論上講網格劃分是將連續域離散成一組單元的組合體，用在每個單元內加設的近似函數分片地表示求解域上待求的未知場函數的過程[3]。

為提升運算效率，本文風機有限元分析模型由2D和3D單元搭配構成。整個模型由50 002個單元構成，葉片采用2D-Shell單元構成，單元類型為S4R；傳動軸和葉片托架采用3D實體單元，單元類型為C3D10M。網格模型如圖5所示。

為便于計算，本文對葉片與葉片支架間的螺栓連接進行了簡化，對螺栓孔建立Reb2連接，用主節點控制從屬節點自由度，然后用Beam單元模擬連接相配合螺栓孔的主節點，實現對螺栓連接的模擬。

圖5 風機軸有限元模型

2.2 風機軸線性動力學分析

線性動力學分析在求解過程中，主要存在兩種方法：積分法和振型疊加法。前者存在兩個解題思路：一是不要求求解域0

振型疊加法的求解過程則需要分成兩部:首先求解系統的固有頻率及相應振型，然后再借助振型矩陣進行運動解耦，系統的動力學方程為

(1)

其中，G為系統一組固有振型矩陣；Mq=GTMG，Kq=GTKG，Cq=GTCG，M、C、K和Q(t)分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和節點的載荷向量。

本風機的線性動力學分析采用基于模態的瞬時模態動態分析進行，采用兩個連續的工作步實現：一是模態分析步(Frequency)，為后續分析提供線性結構的固有頻率數值及相應振型；二是瞬時模態動態分析步(Model dynamic)，求解結構在動載荷作用下的相應。分析過程中，要根據結構實際安裝情況設定邊界條件，不允許邊界約束中存在非零位移出現。

理論上講，模態在求解過程中，隨著求解階數的不斷增大，模態分析結果差將會變大[5]。本分析僅提取風機前6階模態，分析結果，如表2及圖6～圖11所示。

綜合前6階約束模態固有頻率值及其對應振型，風機最大位移均出現在葉片上，主要集中在葉片中間邊緣和兩側邊緣，而旋轉主軸及葉片支架未出現明顯位移。考慮低階模態時，能量值較為集中，因此風機葉片中間邊緣為其主要薄弱位置。

表2 前6階約束模態分析結果

圖6 風機1階振型云圖 圖7 風機2階振型云圖 圖8 風機3階振型云圖

圖9 風機4階振型云圖 圖10 風機5階振型云圖 圖11 風機筒6階振型云圖

風機在運行過程中，主要振動激勵來源兩個方面：

1)來自于自身的旋轉激勵，激勵頻率與旋轉轉速成如下關系，有

(2)

其中，n為風機旋轉轉速(r/min)；f為旋轉激勵頻率(Hz)。

2)風機葉片在隨著主旋轉軸旋轉過程中，每個葉片會對周圍空氣形成切割，空氣產生的振動能量也會反射到葉片表面本身。因此，葉片設計過程中，還應避免N個葉片形成的N階激勵頻率。則

(3)

其中，N為風機葉片數。

本文中風機設計常用轉速為900r/min，風機1階旋轉激勵為n/60=15Hz，6階激勵頻率為90Hz。結合上述分析結果，當風機在800～900r/min長時間運行時，其激勵頻率很容易與其自身固有頻率耦合，形成共振，造成葉片變形，導致破壞。結合振型圖及葉片損壞現象，分析結果與故障現象具有相似性。葉片薄弱位置主要集中在兩支撐間葉片中間外緣，在后續改進中可考慮在葉片薄弱位置增設支撐，以提升整體剛度。

模態瞬態動力學分析結果Mises應力云圖如圖12所示(工況為施加風機1 600r/min轉速運轉時的旋轉體積力)。

結合圖12可以看出：風機應力主要集中在葉片托架折彎處，遠小于材料屈服強度。因此，現風機設計不能滿足強度設計要求。

圖12 風機Mises應力分布云圖

3 結構改進

結合分析結果及現有資源，本文在風機薄弱位置增設支撐，使整個風機軸葉片支撐由3個增設至5個，尺寸參數保持不變，改進后的風機軸有限元模型如圖13所示。

圖13 改進后風機軸有限元模型示意圖

對改進后的風機軸總成開展有限元分析，提取其前6階固有頻率如表3及圖14～圖19所示。

表3 改進風機前6階約束模態分析結果

圖14 改進風機1階振型云圖 圖15 改進風機2階振型云圖 圖16 改進風機3階振型云圖

圖17 改進風機4階振型云圖 圖18 改進風機5階振型云圖 圖19 改進風機6階振型云圖

結合分析結果可知：改進后風機軸總成1階固有頻率由62.8Hz提升到116.3Hz，改進后風機軸總成整體剛度提升效果顯著，有效避免了自身固有頻率與常用轉速激勵頻率的耦合。后續試制樣件并開展驗證性試驗，整機運行可靠，未再出現故障現象，證明改進措施切實可靠，為后續開發高性能樣機提供了參考。

4 結論

1)原風機破壞的主要原因是風機自身固有頻率在常用轉速區間與外界激勵頻率耦合，共振后形成破壞，葉片薄弱位置主要集中在兩支撐間葉片中間位置。

2)改進后風機軸總成1階固有頻率由62.3Hz提升到116.3Hz，改進后樣件在后續試驗過程中運行可靠，未出現破壞現象，證明改進措施切實可行

3)聯合運用CAD和CAE技術對產品進行設計仿真，可以有效提升產品設計方法，優化設計流程。

本文線性動力學分析有助于風機設計過程中把握風機結構的固有特性及動態特性，對產品結構不合理之處形成有效改進，并為后續開發高性能樣機提供理論參考。

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Linear Dynamic Analysis of the Cleaning Fan for Corn Threshing Machine

Di Zhifeng, Cui Zhongkai, Liu Hu, Zhang Hua, Bu Lingxin, Zhou Jin

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute, Jinan 250100, China)

In this paper, a new cleaning fan is designed for the corn threshing machine, but the existed fan is twisted during the test. In order to effectively improve the structure, the linear dynamics analysis is carried out by finite element analysis software in this paper. The analysis results show that when the structure of the original fan is running at 800-900 r/min, the inherent frequency and excitation frequency is coupled with each other, so resonance causes damage. The analysis results are consistent with the fault phenomena. By adding support on the middle of the shaft, the fan is improved. The fitst natural frequency of shaft assembly increases from 62.3 Hz to 116.3 Hz. The improved model is reliable during the follwing test, and the damage phenomenon is not appeared, thus illustrates that the improvement is reliable, which provides

for subsequent development of high-performance prototype.

cleaning fan；linear dynamic analysis；instantaneous modal

2016-04-05

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B01)；山東省農業科學院院地引導科技計劃項目(2015YDHZ05)；山東省科技發展計劃項目(2014GZX212001)；山東省農機裝備研發創新項目(NJGG201507)

邸志峰(1980-)，男，山西原平人，工程師，(E-mail)dzf_1125@163.com。

崔中凱(1987-)，男，山東鄒平人，工程師，(E-mail) kevin6119@qq.com。

S226.1

A

1003-188X(2017)05-0037-05