魏　俊，王云霞，石　磊，袁建寧

(1.南京工程學(xué)院，南京　211167；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京　210014)

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刷輥式采棉機(jī)刷棉輥動(dòng)力學(xué)分析

魏俊1，王云霞1，石磊2，袁建寧1

(1.南京工程學(xué)院，南京211167；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014)

摘要：介紹了刷輥式采棉機(jī)采摘裝置的結(jié)構(gòu)和采摘機(jī)理，采用三維建模軟件Pro/E建立采摘裝置的三維模型，并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)刷棉輥進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，為避開(kāi)共振區(qū)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)，對(duì)縱向刷板進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出應(yīng)力的大小和分布規(guī)律，為采摘部件的改進(jìn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：刷輥式采棉機(jī)；刷棉輥；縱向刷板；有限元分析

0引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，棉花產(chǎn)量位居世界第一。棉花的種植環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但棉花的采收機(jī)械化率卻并不高，已成為制約棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸。實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)械化對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本及提高棉農(nóng)收入等方面有著重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外的采棉機(jī)大致分為4類(lèi)：分別是摘錠式采棉機(jī)、梳刷式采棉機(jī)、氣力式采棉機(jī)和振動(dòng)式采棉機(jī)。市場(chǎng)上的采棉機(jī)主要以水平摘錠式的應(yīng)用最為廣泛，主要集中在西北新疆地區(qū)[1]。但近年來(lái)，采棉機(jī)也在向經(jīng)濟(jì)型和小型化的方向發(fā)展，主要包含有復(fù)指桿式、軟摘錠式、刷輥式和刮板毛刷式等幾種機(jī)型的采棉機(jī)。采棉機(jī)中最重要的部件是采摘裝置，其結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及材料選用等因素對(duì)采棉機(jī)的作業(yè)效率有很大的影響[2]。

4MSG-3型刷輥式采棉機(jī)是由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的一種輕型采棉機(jī)。該機(jī)型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、采凈率較高及適用范圍廣等特點(diǎn)，目前正處于試驗(yàn)和改進(jìn)階段。本文通過(guò)三維軟件Pro/E對(duì)刷輥式采棉機(jī)的采摘部件進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench 有限元分析軟件中，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，旨在通過(guò)對(duì)刷輥體工作部件結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究，為后續(xù)采棉機(jī)的改進(jìn)工作提供理論依據(jù)。

1采摘裝置的結(jié)構(gòu)和采摘機(jī)理

1.1采摘裝置的結(jié)構(gòu)

刷輥式采棉機(jī)采摘裝置由刷棉輥、防拔輥、輸棉絞龍、傳動(dòng)裝置和收獲臺(tái)等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。刷棉輥、絞龍、防拔輥與地面之間的角度為30°。刷棉輥由刷板、軸管、刷板加強(qiáng)筋組成，刷棉輥軸管上均布有6條縱向刷板，結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

1.機(jī)架　2.傳動(dòng)系統(tǒng)　3.刷棉輥　4.輸棉絞龍　5.防拔輥

1.2采摘部件的采摘機(jī)理

隨著機(jī)器的前進(jìn)，棉株在扶導(dǎo)器的引導(dǎo)下進(jìn)入采摘區(qū)域，刷棉輥快速旋轉(zhuǎn)與綻開(kāi)的棉鈴接觸，依靠刷板的擠壓和擊打，使籽棉從棉株上分離；利用刷板的慣性和摩擦力，將脫落的棉花甩到絞龍中，通過(guò)氣力輸送部件將棉花送入到籽棉預(yù)清理裝置中，從而完成整個(gè)的采摘過(guò)程。

1.軸管　2.縱向刷板　3.加強(qiáng)筋

2刷棉輥的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前可以預(yù)先避免可能引起的共振。同時(shí)，也有助于在其它動(dòng)力學(xué)分析中估算求解控制參數(shù)等[4]。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了對(duì)各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以在進(jìn)行其它動(dòng)力學(xué)分析之前都要先進(jìn)行模態(tài)分析。

2.1模型的導(dǎo)入與材料屬性的定義

將Pro/E建立的刷棉輥模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 軟件中，設(shè)置模型的單位為mm。

為了便于計(jì)算分析，需要對(duì)有限元的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。本模型主要對(duì)帶方行座外球面軸承座的約束用圓柱面約束進(jìn)行了替代。刷棉輥各部件的材料屬性如下表1所示。

表1　刷棉輥各部件的材料屬性

2.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中至關(guān)重要的一步，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到后續(xù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這里采用的是四面體網(wǎng)格劃分，程序默認(rèn)的單元是10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，且使用patch conforming 算法。網(wǎng)格劃分完成后共有41 124個(gè)節(jié)點(diǎn)和18 016個(gè)單元，如圖3所示。

2.3邊界條件與接觸的設(shè)置

由于刷棉輥是一個(gè)裝配體，ANSYS Workbench 在導(dǎo)入裝配體時(shí)，會(huì)自動(dòng)在兩個(gè)接觸的實(shí)體之間產(chǎn)生接觸對(duì)。在ANSYS Workbench中一共提供了5種類(lèi)型的接觸，分別是綁定、不分離、無(wú)摩擦、粗糙和有摩擦接觸。其中，綁定和不分離接觸是線性的，其余3種屬于非線性接觸。綁定接觸不允許接觸面或線之間有相對(duì)滑動(dòng)或分離，而不分離接觸允許接觸面之間無(wú)摩擦的滑動(dòng)[4]。模態(tài)分析是一個(gè)純粹的線性分析，根據(jù)刷棉輥的實(shí)際的工作狀態(tài)，采用綁定接觸。位移邊界條件是在軸承安裝面上施加圓柱面約束，約束軸向和徑向的自由度，放開(kāi)切向自由度。

圖3　刷棉輥網(wǎng)格劃分

2.4求解

由振動(dòng)理論知識(shí)可知，共振主要由較低的固有頻率所引起的，所以只需提取前6階的模態(tài)。ANSYS Workbench 中模態(tài)分析的求解方法有Subspace法、Block Lanczos 法、Power Dynamic法、Reduced法、Unsymmetric法和Damped法[4]。Block Lanczos 法是ANSYS Workbench默認(rèn)的求解方法，這種方法適用于矩陣特征值的求解，具有收斂速度快、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用這種求解方法,得到刷棉輥的前6階固有頻率和振型。圖4為刷棉輥的前6階模態(tài)振型圖，表2列出了前6階模態(tài)的頻率值。

圖4　刷棉輥前6階模態(tài)振型圖

階數(shù)頻率/Hz階數(shù)頻率/Hz1224.464536.582251.865622.243253.496623.39

2.5模態(tài)結(jié)果分析

從表2中可以得出：刷棉輥的第2階和第3階、第5階和第6階的頻率值比較接近，其兩兩的振型圖也比較相似。

從振型圖中可以看出：刷棉輥的主要變形是軸管的彎曲、縱向刷板的左右扭轉(zhuǎn)變形及離心力的作用?？v向刷板的末端位移偏大，因而對(duì)刷板的焊接工藝要具有更高的要求。工程中認(rèn)為：外在激勵(lì)達(dá)到一階固有頻率的75%時(shí)，就易引起共振[5]。本文中刷棉輥的轉(zhuǎn)速一般在200r/min,這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)低于刷棉輥的極限轉(zhuǎn)速，所以刷棉輥不會(huì)發(fā)生共振。

3縱向刷板的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

采棉機(jī)在工作時(shí)，縱向刷板與棉株直接接觸，所以需要對(duì)刷棉輥上的縱向刷板進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中包含靜力分析及剛體動(dòng)力分析的內(nèi)容[4]。分析縱向刷板在工作時(shí)實(shí)際的受力情況，從而完成縱向刷板的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

3.1材料屬性的定義

將縱向刷板的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，設(shè)置模型的單位為mm?？v向刷板的材料為Q235A，材料屬性如表1所示。

3.2網(wǎng)格劃分

這里采用的是掃略網(wǎng)格劃分，將Relevance Center 設(shè)置為Fine,網(wǎng)格劃分完成后共有2 354個(gè)節(jié)點(diǎn)，283個(gè)單元。網(wǎng)格劃分圖如圖5所示。

圖5　縱向刷板網(wǎng)格劃分

3.3邊界條件與載荷的設(shè)置

根據(jù)實(shí)際的工作條件和經(jīng)驗(yàn)，縱向刷板在擠壓和擊打棉株時(shí)主要受到棉株的約束反力和摩擦力，大小分別約為3.4N和0.62N[2]；但縱向刷板在工作過(guò)程中并不是時(shí)刻都受到棉株的反作用力，只有刷板在進(jìn)入采摘區(qū)域到將脫落棉花甩到絞龍里的這段時(shí)間是受力的，所以刷板的受力是一個(gè)周期性的過(guò)程。已知刷棉輥的周期T=0.3s，以縱向刷板受到的約束反力為例，其函數(shù)表達(dá)式為

在Analysis Setting 中設(shè)置兩個(gè)時(shí)間步：第1步設(shè)置終止時(shí)間為0.15s，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，通過(guò)載荷步來(lái)定義載荷子步，初始子步10步，最小子步為5步，最多子步為20步；第2步設(shè)置終止時(shí)間為0.3s，其余設(shè)置參照第1步。由于縱向刷板的一端是焊接在軸管上，所以采用Fixed support 方法對(duì)其一端進(jìn)行固定約束。在縱向刷棉板上施加壓力載荷，首先定義第1個(gè)載荷步內(nèi)的載荷為3.4N，需要抑制在0.15～0.3s的載荷，第2個(gè)載荷步內(nèi)的載荷為0。摩擦力的施加同理可得。

3.4求解

求解完成后，在后處理中可以得到不同的結(jié)果。輸出的結(jié)果包含位移云圖、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)茍D，分別如圖6～圖8所示。

圖6　位移云圖

圖7　等效應(yīng)力云圖

圖8　等效應(yīng)變?cè)茍D

從圖6～圖8可以看出：縱向刷棉板所受的最大應(yīng)力為1.95×10-5MPa，應(yīng)力主要集中在根部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度肯定滿足要求；最大位移為1.023×10-7mm，幾乎可以忽略不計(jì)。

4結(jié)論

1) 根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果可知：固有頻率可以有效地避免共振，同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)； 從振型圖中可以看出：刷棉輥?zhàn)冃屋^大的區(qū)域，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2) 縱向刷板承受隨時(shí)間變化的載荷作用，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際的使用要求；最大應(yīng)力集中在根部，可以適當(dāng)增加根部尺寸以減小應(yīng)力的集中。

3) 通過(guò)對(duì)刷棉輥的有限元分析，為采棉機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0106-EA

The Finite Element Analysis for Cotton-beated Roller of the Roller Stripping-type Cotton Harvester

Wei Jun1, Wang Yunxia1, Shi Lei2, Yuan Jianning1

(1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China; 2.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization，Nanjing 210014，China)

Abstract：This paper introduces the structure and picking principle of picking device on the roller stripping-type cotton harvester, the 3D model of cotton-beated roller was established, using the 3D modeling software Pro/E. The modal analysis for cotton-beated roller was carried out by using the finite element analysis software ANSYS Workbench and acquire the natural frequencies and modes of vibration. These results provide a theoretical basis to avoid the resonance region and structural optimization design; transient dynamic analysis was made on the longitudinal cotton bat in order to calculate the rule of stress field, find out the regularities of distribution, it can provide theoretical reference for the improvement of picking part.

Key words：roller stripping-type cotton harvester; cotton-beated roller; vertical cotton bat; finite element analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0106-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.91+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：魏俊(1990-),男，江蘇泰州人，碩士研究生，(E-mail) weijun_njit@163.com。通訊作者：王云霞(1976-)，女，南京人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) Wang-yunxia@njit.edu.cn。

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(201303001); 南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(N20151729)

收稿日期：2015-05-25