基于Hyperworks的手扶式白菜中耕機模態分析

王滿滿，王 丹※，夏蘭蘭，王傳印，楊 鑫

（1.新疆交通職業技術學院，新疆烏魯木齊 831401；2.新疆輕工職業技術學院）

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，改善作物生長環境，提高產量[1]。

土壤環境、所在地域和土地條件等因素會導致土壤密度、成分、含水量等發生變化，常年耕種以及過度使用化肥導致土壤板結[2]，因此機械作業時受到的外部載荷也會根據土壤條件發生變化[3]。自身固有模態是機械產品的重要特性，當機械工作頻率達到自身固有頻率的75%時，就要引起足夠重視，避免因共振現象產生結構性破壞[4]。

本文針對一款手扶式田間白菜中耕機，利用Hyperworks對關鍵部件中耕輪在松土作業中的力學特性進行分析，并對其進行了模態分析，利用分析結果對中耕除草輪結構穩定性進行驗證優化，以期為大田白菜或者矮徑植物中耕除草機構的結構設計及功能優化提供參考。

1 裝置結構分析及工作原理

1.1 裝置結構

手扶式白菜中耕機主要由動力部分、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由汽油發動機提供動力，通過壓合離合把手將動力由變速箱及傳動齒輪將傳遞給轉動軸，轉動軸帶動安裝在軸上的中耕輪軸套同步轉動從而帶動安裝在中耕輪上的刀具以一定切應力翻耕表層土壤并切割雜草。根據操作人員的前進速度，可以調節檔位旋鈕，選擇合適的中耕輪轉速及發動機輸出功率。工作人員通過扶手控制前進方向。

2 模態分析

中耕輪是手扶式中耕機上重要的工作部件，中耕除草過程中，土塊、雜草等作業環境變化導致負載多變，從而影響中耕機工作頻率，工作頻率與機械固有頻率相近時產生共振現象，共振對機械結構影響很大，因此使用Hyperworks對中耕輪進行模態分析，進一步驗證中耕輪結構是否安全可靠。

2.1 利用UG建立三維模型并進行預處理

使用UG11.0對整機進行三維建模。為節省計算資源，降低系統配置，對三維模型進行簡化處理，刪除倒圓、倒角，并且將齒輪傳動部分簡化成一根單體軸。模型另存為IGS格式并導入Hyperworks軟件中對中耕輪進行模態分析。

2.2 網格劃分

Hyperworks向用戶提供強大的材料數據庫，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。利用網格劃分將中耕輪及連接軸模型離散化，計算網格的節點和單元。

表1 材質屬性

將整個中耕機構按照長度2mm劃分成四邊形網格，中耕輪機連接軸共劃分為1259386個節點和795118個單元，其中連接軸共劃分為52038個節點和34076個單元，中耕輪1共劃分出607292個節點和382968個單元，中耕輪2共劃分出600056個節點和378074個單元。考慮到中耕輪實際工作環境，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行模態分析，使研究結果更接近刀輪的實際情況，因此本次模態分析把連接軸中間齒輪部分簡化為剛性約束。

2.3 中耕輪模態分析

中耕輪在工作過程中會遇到石頭、土塊、植物殘根等情況，當功率過大時刀輪及連接軸可能發生橫彎、垂彎、錯位和扭轉等變形。所以有必要對中耕刀輪進行模態分析，本文對中耕刀輪及軸開展了12階模態分析，考慮到低階分析結果對機械結構影響較大。故取前6階模態時復合變形的固有頻率及最大位移結果，圖2至圖7為中耕刀輪六階模態振型。

2.4 結果分析

由圖2至圖7可以看出，該機械在前六階模態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，總體變形量在8.166～16.26 mm。中耕輪模態分析顯示沒有發生剛性位移。

一階模態的固有頻率為2.013×10-2Hz，最大振型為8.17mm，最大振型位于中耕輪一側及連接軸上。從一側裝置橫截面向另一側橫截面移動，振型越來越大。二階模態固有頻率為2.017×10-2Hz，最大振型為8.32mm，最大振型同樣發生在一側中耕輪及連接軸上。從一側裝置橫截面向另一側橫截面移動，振型越來越大。三階模態固有頻率為2.023×10-2Hz，最大振型為8.019mm，最大振型發生在工作時刻下部刀片、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。最大振型發生在兩個中耕輪外側輪轂、肋板和刀片上，刀片越靠近外側輪轂的部分變形越大。五階模態固有頻率為2.338×10-2Hz，最大振型為13.29mm，振型呈軸對稱分布。與四階模態相似，最大振型發生在兩個中耕輪外側輪轂、肋板和刀片上，刀片越靠近外側輪轂的部分振型越大。六階模態固有頻率為2.758×10-2Hz，最大振型為16.26 mm，最大振型發生在6個刀片、整個輪轂和部分肋板上，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，但總體振型較為穩定。

手扶式中耕機需要人為手扶控制方向，成年人的正常步行速度V1=60~100m/min，由于人在機械作業時會加快腳步，擬設定步行修正系數N=1.2，得到機械前進速度V2=V1×N=72~120 m/min，由公式n=V2/πd（設計中耕輪轂直徑d=250 mm）得到本次設計的中耕刀輪工作轉速n=91.72～152.87r/min，由工作頻率計算公式f=n/60得出中耕刀輪工作頻率f1=1.52~2.26Hz。

中耕刀輪模態六階固有頻率為f2=2.013×10-2～2.758×10-2Hz，其引起重視點頻率Hz。而機械的工作頻率f1=1.52~2.26 Hz，兩者相差較大，因此本次設計完全可以避免共振的發生，無結構缺陷。

3 結論

針對一款手扶式田間白菜中耕機，利用UG11.0建立整機三維模型，基于Hyperworks對關鍵部件中耕輪進行模態分析。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工作過程中出現共振現象，確保設備工作安全。