顧麗春+果霖+李歡

摘要：采用機(jī)械均勻播種小麥?zhǔn)墙鉀Q傳統(tǒng)播種方法播種密度不均勻而導(dǎo)致小麥群體過(guò)大、易倒伏、穗粒小等問(wèn)題的重要措施，但是由于種種問(wèn)題，機(jī)械播種的均勻度很難得到保證，其中播種機(jī)機(jī)架的振動(dòng)是重要的影響因素之一。使用Solidworks建立機(jī)架的參數(shù)化模型并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析結(jié)果表明：機(jī)架低階模態(tài)振頻的范圍是11.535～43.843 Hz；當(dāng)尖鏟受到的簡(jiǎn)諧載荷作用的頻率為13.2～15.1 Hz 和22.9～25.1 Hz時(shí)，其變形響應(yīng)最大，作業(yè)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整作業(yè)速度來(lái)避開模態(tài)的振頻和簡(jiǎn)諧載荷的相應(yīng)頻率來(lái)保證機(jī)架的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：尖鏟式小麥播種機(jī)；預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；ANSYS Workbench

中圖分類號(hào)：S223.2+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）01-0214-03

小麥?zhǔn)俏覈?guó)最主要的糧食作物之一，為了提高小麥的產(chǎn)量，傳統(tǒng)種植技術(shù)多以增加肥料、水分，提高播種密度等措施為主要方法，傳統(tǒng)方法使小麥群體過(guò)大，進(jìn)而不能得到充分的光照，導(dǎo)致了小麥易倒伏、穗粒小等問(wèn)題[1-2]。優(yōu)化傳統(tǒng)種植方法的重要措施就是采用機(jī)械完成小麥的播種工作，但是由于種種問(wèn)題，小麥播種機(jī)在實(shí)現(xiàn)均勻精密播種上存在一定問(wèn)題[3]。

小麥播種機(jī)一般通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置安裝在拖拉機(jī)上，在播種的過(guò)程中，播種滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)；開溝尖鏟進(jìn)行破土?xí)r，由于土壤的堅(jiān)實(shí)度不同，會(huì)對(duì)尖鏟形成周期作用載荷[4]。

本研究使用ANSYS Workbench對(duì)某型號(hào)三點(diǎn)懸掛尖鏟式小麥播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到其模態(tài)特性和在簡(jiǎn)諧載荷作用下的變形響應(yīng)，為小麥播種機(jī)性能的評(píng)價(jià)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 小麥播種機(jī)機(jī)架模型

小麥播種機(jī)機(jī)架由方鋼管焊接而成，本研究的機(jī)架主要有支撐架和開溝尖鏟組成，支撐架的寬度是460 mm，其長(zhǎng)度為1 600 mm。利用Solidworks根據(jù)機(jī)架的具體尺寸建立支撐架和尖鏟的參數(shù)化模型，并將它們組裝到一起，形成裝配體，將裝配體導(dǎo)入到ANSYS Workbench中作為后續(xù)的分析模型，如圖1所示。

支撐架的材料為45號(hào)鋼，在ANSYS Workbench中提供了這種材料的模型，可以直接調(diào)用[5]；尖鏟采用的是灰鑄鐵，將其材料特性按照表1所示的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

2.1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括振頻和振型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，能得到其振動(dòng)特性，避開外界干擾頻率，進(jìn)而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生[6]。

模態(tài)分析又可以分為自由模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。與預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析相比，自由模態(tài)不考慮結(jié)構(gòu)受到的約束和載荷，而預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析考慮結(jié)構(gòu)受到的約束和載荷，其分析結(jié)果更加準(zhǔn)確[7]。

2.2 求解預(yù)處理

對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格是有限元分析的必要步驟之一，網(wǎng)格單元的質(zhì)量將直接影響后續(xù)分析過(guò)程的速度以及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于立體幾何模型來(lái)說(shuō)，單元的形狀主要有四面體和六面體，單元的形狀越不規(guī)則，其求解的誤差就會(huì)越大[5]。本研究利用ANSYS Workbench提供的自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方法對(duì)幾何模型進(jìn)行劃分，并控制單元小于6 mm，劃分完網(wǎng)格的幾何模型共含有10 775 96個(gè)節(jié)點(diǎn)和58 979 4個(gè)單元。

小麥播種機(jī)工作時(shí)，機(jī)架是通過(guò)三點(diǎn)懸掛式機(jī)構(gòu)安裝在拖拉機(jī)上的，本研究在機(jī)架三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的孔上施加3個(gè)圓柱約束，模擬其工作時(shí)受到的約束情況。

2.3 結(jié)果分析

由于小麥播種機(jī)受到外界干擾的頻率一般較低，根據(jù)實(shí)際需求求解機(jī)架前六階模態(tài)，前六階模態(tài)的振頻在11.535～43.843 Hz之間（表2）。

從機(jī)架第一階模態(tài)振型云圖（圖2）中可以看出，三點(diǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)的變形不大，最大的變形出現(xiàn)在機(jī)架的尾部和落種滾筒的安裝位置上；整體變形關(guān)于中心面成對(duì)稱分布。

從機(jī)架的第二階模態(tài)振型云圖（圖3）中可以看出，支撐架的前部和懸掛機(jī)構(gòu)的變形較小，最大的變形出現(xiàn)在支撐架的后部，尤其出現(xiàn)在種子斗的中間位置，整個(gè)機(jī)架的變形關(guān)于中心面成對(duì)稱分布。

從機(jī)架的第三階模態(tài)振型云圖（圖4）中可以看出，機(jī)架整體的變形成波浪狀，最大的變形出現(xiàn)在支撐架的尾部和種子斗的邊緣。

從機(jī)架的第四階模態(tài)振型云圖（圖5）中可以看出，機(jī)架的兩端都出現(xiàn)了上翹，最大的變形位置出現(xiàn)在種子斗的中部。

從機(jī)架的第五階模態(tài)振型云圖（圖6）中可以看出，最大變形出現(xiàn)在了邊緣位置的開溝尖鏟上，整個(gè)機(jī)架都發(fā)生了較大扭曲。

從機(jī)架的第六階模態(tài)振型云圖（圖7）中可以看出，最大的變形出現(xiàn)在開溝尖鏟上，機(jī)架其他部分的變形較小。

3 諧響應(yīng)分析

在模態(tài)振型云圖中， ANSYS Workbench默認(rèn)的是關(guān)于質(zhì)量矩陣歸一化的模態(tài)，圖中所示的數(shù)值大小并不是真實(shí)的位移尺寸，只是個(gè)點(diǎn)位移的比值[8-9]。為了得到機(jī)架更加準(zhǔn)確的振動(dòng)特性，需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到機(jī)架在一個(gè)頻率范圍中頻率與位移的關(guān)系。

3.1 諧響應(yīng)分析預(yù)處理

由上一部分的模態(tài)分析可知，前六階模態(tài)的振頻范圍是11.535～43.843 Hz，在開溝的過(guò)程中，由于播種機(jī)行進(jìn)的速度較慢，所以其受到的簡(jiǎn)諧作用載荷的頻率一般較小，所以將作用在犁鏟上的載荷頻率的最大值設(shè)置為30 Hz，最小頻率設(shè)置為0 Hz，大小設(shè)置為0.1 MPa，作用在開溝尖鏟的上表面上。

3.2 求解與結(jié)果分析

通過(guò)諧響應(yīng)分析可以得到多種關(guān)于簡(jiǎn)諧載荷頻率的變化曲線，如頻率-應(yīng)力響應(yīng)曲線、頻率-應(yīng)變響應(yīng)曲線、頻率-加速度響應(yīng)曲線、頻率-變形響應(yīng)曲線等，本研究主要考察小麥播種機(jī)機(jī)架的振動(dòng)變形情況來(lái)評(píng)價(jià)小麥播種機(jī)的性能，所以只對(duì)機(jī)架的頻率-變形響應(yīng)曲線進(jìn)行研究。

圖8是載荷頻率與機(jī)架在x方向上的變形響應(yīng)曲線，可以看出當(dāng)載荷頻率范圍在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz內(nèi)時(shí)機(jī)架在x方向上出現(xiàn)較大變形響應(yīng)，其相應(yīng)的最大變形量為43.02 mm。

圖9是載荷頻率與機(jī)架在y方向上的變形響應(yīng)曲線，可以看出當(dāng)載荷頻率范圍在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz內(nèi)時(shí)機(jī)架在y方向上出現(xiàn)較大變形響應(yīng)，其相應(yīng)的最大變形量為44.21 mm。

圖10是載荷頻率與機(jī)架在z方向上的變形響應(yīng)曲線，可以看出當(dāng)載荷頻率范圍在11.2～18.9Hz內(nèi)時(shí)機(jī)架在z方向上出現(xiàn)較大變形響應(yīng)，其相應(yīng)的最大變形量為 2.54 mm。

4 結(jié)論

從上述的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析中得到如下結(jié)論：為了保證小麥播種機(jī)的正常工作，外界對(duì)其作用的干擾頻率要避開其模態(tài)振頻的頻率，如11.535 Hz、43.843 Hz；當(dāng)作用在尖鏟上的簡(jiǎn)諧載荷的頻率在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)架會(huì)產(chǎn)生較大的變形響應(yīng)，在播種過(guò)程中應(yīng)該調(diào)整播種機(jī)的前進(jìn)速度，避免出現(xiàn)上述頻率的簡(jiǎn)諧載荷。

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