基于Hyperworks的手扶式白菜中耕機(jī)模態(tài)分析

王滿滿，王 丹※，夏蘭蘭，王傳印，楊 鑫

（1.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊 831401；2.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

中耕可以有效改善土壤通氣狀況，增加土壤氧氣含量，鏟除雜草，減少水肥流失，保墑保溫，改善作物生長環(huán)境，提高產(chǎn)量[1]。

土壤環(huán)境、所在地域和土地條件等因素會(huì)導(dǎo)致土壤密度、成分、含水量等發(fā)生變化，常年耕種以及過度使用化肥導(dǎo)致土壤板結(jié)[2]，因此機(jī)械作業(yè)時(shí)受到的外部載荷也會(huì)根據(jù)土壤條件發(fā)生變化[3]。自身固有模態(tài)是機(jī)械產(chǎn)品的重要特性，當(dāng)機(jī)械工作頻率達(dá)到自身固有頻率的75%時(shí)，就要引起足夠重視，避免因共振現(xiàn)象產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞[4]。

本文針對一款手扶式田間白菜中耕機(jī)，利用Hyperworks對關(guān)鍵部件中耕輪在松土作業(yè)中的力學(xué)特性進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行了模態(tài)分析，利用分析結(jié)果對中耕除草輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化，以期為大田白菜或者矮徑植物中耕除草機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能優(yōu)化提供參考。

1 裝置結(jié)構(gòu)分析及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

手扶式白菜中耕機(jī)主要由動(dòng)力部分、變速箱部分、中耕輪部分、扶手部分和控制部分五部分組成，如圖1。主要工作部件為中耕輪部分，由軸套、輪轂、刀片、肋板四部分組成。

1.2 工作原理

手扶式田間白菜中耕機(jī)由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過壓合離合把手將動(dòng)力由變速箱及傳動(dòng)齒輪將傳遞給轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)安裝在軸上的中耕輪軸套同步轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)安裝在中耕輪上的刀具以一定切應(yīng)力翻耕表層土壤并切割雜草。根據(jù)操作人員的前進(jìn)速度，可以調(diào)節(jié)檔位旋鈕，選擇合適的中耕輪轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。工作人員通過扶手控制前進(jìn)方向。

2 模態(tài)分析

中耕輪是手扶式中耕機(jī)上重要的工作部件，中耕除草過程中，土塊、雜草等作業(yè)環(huán)境變化導(dǎo)致負(fù)載多變，從而影響中耕機(jī)工作頻率，工作頻率與機(jī)械固有頻率相近時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，共振對機(jī)械結(jié)構(gòu)影響很大，因此使用Hyperworks對中耕輪進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證中耕輪結(jié)構(gòu)是否安全可靠。

2.1 利用UG建立三維模型并進(jìn)行預(yù)處理

使用UG11.0對整機(jī)進(jìn)行三維建模。為節(jié)省計(jì)算資源，降低系統(tǒng)配置，對三維模型進(jìn)行簡化處理，刪除倒圓、倒角，并且將齒輪傳動(dòng)部分簡化成一根單體軸。模型另存為IGS格式并導(dǎo)入Hyperworks軟件中對中耕輪進(jìn)行模態(tài)分析。

2.2 網(wǎng)格劃分

Hyperworks向用戶提供強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫，為簡化分析過程，中耕輪及連接軸均選擇Steel，材料類型選擇MAT1。材料屬性如表1。利用網(wǎng)格劃分將中耕輪及連接軸模型離散化，計(jì)算網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元。

表1 材質(zhì)屬性

將整個(gè)中耕機(jī)構(gòu)按照長度2mm劃分成四邊形網(wǎng)格，中耕輪機(jī)連接軸共劃分為1259386個(gè)節(jié)點(diǎn)和795118個(gè)單元，其中連接軸共劃分為52038個(gè)節(jié)點(diǎn)和34076個(gè)單元，中耕輪1共劃分出607292個(gè)節(jié)點(diǎn)和382968個(gè)單元，中耕輪2共劃分出600056個(gè)節(jié)點(diǎn)和378074個(gè)單元。考慮到中耕輪實(shí)際工作環(huán)境，研究中耕輪的固有頻率和振型是十分重要的，對輪轂及刀片施加約束進(jìn)行模態(tài)分析，使研究結(jié)果更接近刀輪的實(shí)際情況，因此本次模態(tài)分析把連接軸中間齒輪部分簡化為剛性約束。

2.3 中耕輪模態(tài)分析

中耕輪在工作過程中會(huì)遇到石頭、土塊、植物殘根等情況，當(dāng)功率過大時(shí)刀輪及連接軸可能發(fā)生橫彎、垂彎、錯(cuò)位和扭轉(zhuǎn)等變形。所以有必要對中耕刀輪進(jìn)行模態(tài)分析，本文對中耕刀輪及軸開展了12階模態(tài)分析，考慮到低階分析結(jié)果對機(jī)械結(jié)構(gòu)影響較大。故取前6階模態(tài)時(shí)復(fù)合變形的固有頻率及最大位移結(jié)果，圖2至圖7為中耕刀輪六階模態(tài)振型。

2.4 結(jié)果分析

由圖2至圖7可以看出，該機(jī)械在前六階模態(tài)下固有頻率和變形情況不同，但總體變形量不大。前六階固有頻率集中在2.013×10-2～2.758×10-2Hz范圍內(nèi)，總體變形量在8.166～16.26 mm。中耕輪模態(tài)分析顯示沒有發(fā)生剛性位移。

一階模態(tài)的固有頻率為2.013×10-2Hz，最大振型為8.17mm，最大振型位于中耕輪一側(cè)及連接軸上。從一側(cè)裝置橫截面向另一側(cè)橫截面移動(dòng)，振型越來越大。二階模態(tài)固有頻率為2.017×10-2Hz，最大振型為8.32mm，最大振型同樣發(fā)生在一側(cè)中耕輪及連接軸上。從一側(cè)裝置橫截面向另一側(cè)橫截面移動(dòng)，振型越來越大。三階模態(tài)固有頻率為2.023×10-2Hz，最大振型為8.019mm，最大振型發(fā)生在工作時(shí)刻下部刀片、相連輪轂和肋板上，刀片變形較為均勻，越靠近刀片的輪轂及肋板振型越大。四階模態(tài)固有頻率為2.333×10-2Hz，最大振型為13.43mm，變形呈軸對稱分布。最大振型發(fā)生在兩個(gè)中耕輪外側(cè)輪轂、肋板和刀片上，刀片越靠近外側(cè)輪轂的部分變形越大。五階模態(tài)固有頻率為2.338×10-2Hz，最大振型為13.29mm，振型呈軸對稱分布。與四階模態(tài)相似，最大振型發(fā)生在兩個(gè)中耕輪外側(cè)輪轂、肋板和刀片上，刀片越靠近外側(cè)輪轂的部分振型越大。六階模態(tài)固有頻率為2.758×10-2Hz，最大振型為16.26 mm，最大振型發(fā)生在6個(gè)刀片、整個(gè)輪轂和部分肋板上，刀片越靠近刀刃的部分變形越大，輪轂變形均勻分布，肋柱部分越靠近輪轂振型越大，但總體振型較為穩(wěn)定。

手扶式中耕機(jī)需要人為手扶控制方向，成年人的正常步行速度V1=60~100m/min，由于人在機(jī)械作業(yè)時(shí)會(huì)加快腳步，擬設(shè)定步行修正系數(shù)N=1.2，得到機(jī)械前進(jìn)速度V2=V1×N=72~120 m/min，由公式n=V2/πd（設(shè)計(jì)中耕輪轂直徑d=250 mm）得到本次設(shè)計(jì)的中耕刀輪工作轉(zhuǎn)速n=91.72～152.87r/min，由工作頻率計(jì)算公式f=n/60得出中耕刀輪工作頻率f1=1.52~2.26Hz。

中耕刀輪模態(tài)六階固有頻率為f2=2.013×10-2～2.758×10-2Hz，其引起重視點(diǎn)頻率Hz。而機(jī)械的工作頻率f1=1.52~2.26 Hz，兩者相差較大，因此本次設(shè)計(jì)完全可以避免共振的發(fā)生，無結(jié)構(gòu)缺陷。

3 結(jié)論

針對一款手扶式田間白菜中耕機(jī)，利用UG11.0建立整機(jī)三維模型，基于Hyperworks對關(guān)鍵部件中耕輪進(jìn)行模態(tài)分析。分析其各階次固有頻率及振型情況，中耕輪的前六階固有頻率為2.013×10-2～2.758×10-2Hz。需引起重視的最大頻率為2.068×10-2Hz。而中耕刀輪的工作頻率為1.52~2.26 Hz，兩者相差較大，從而避免在手扶式中耕機(jī)工作過程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象，確保設(shè)備工作安全。