周謙

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

履帶自走式旋耕機(jī)箱體仿真分析與優(yōu)化

周謙

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計法往往造成履帶自走式旋耕機(jī)應(yīng)力分布不合理且動特性不佳。筆者利用有限元分析的方法建立有限元計算模型，并對1GZ-180型履帶自走式旋耕機(jī)箱體部分進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，提高了箱體抵抗外界低頻振動激勵的能力。

履帶自走式旋耕機(jī)；箱體；有限元法

履帶自走式旋耕機(jī)的耕作工況比較惡劣，為了箱體在工作中具有良好的動態(tài)性能和比較高的可靠性，對傳動齒輪箱的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是必要的。模態(tài)分析是近代常用來分析結(jié)構(gòu)動力特性的方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。文章通過模態(tài)有限元分析方法，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，為傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力特性設(shè)計和改進(jìn)提供可靠的理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 箱體有限元模型構(gòu)建

在NX-Nastran軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，主要分為四步，即建立模型劃分網(wǎng)格、加載及求解、擴(kuò)展模態(tài)和后處理：

（1）建立模型劃分網(wǎng)格。模態(tài)分析的建模過程需要指定單元類型、定義單元實常數(shù)、輸入材料屬性、生成幾何實體模型，以上過程與靜力學(xué)分析相類似。以模型自由模態(tài)為例，其設(shè)定的模型參數(shù)如表1所示。在NX-Nastran中將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按上述模型的材料和單元參數(shù)構(gòu)建模態(tài)有限元分析模型；自由模態(tài)不許加載邊界條件和載荷，因此模態(tài)分析模型中首先不需要設(shè)定此類選項，網(wǎng)格模型如圖1所示。

表1 模型參數(shù)表

圖1 履帶自走式旋耕機(jī)傳動箱網(wǎng)格模型圖

（2）加載及求解。該過程主要完成以下工作：定義分析類型、指定分析設(shè)置、施加載荷和邊界條件、設(shè)置加載過程，進(jìn)行固有頻率的有限元求解，得到初始解后，對模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展，通過擴(kuò)展得到箱體的振型。

（3）擴(kuò)展模態(tài)。首先要擴(kuò)展振型，才可以在后處理中觀察結(jié)果，其操作過程包括：進(jìn)入求解器、激活擴(kuò)展處理與相關(guān)選項、指定載荷的步選項、開始擴(kuò)展處理與退出求解器。

（4）后處理。模態(tài)分析的結(jié)果會被寫入結(jié)果文件中，其內(nèi)容主要包括：固有頻率、已擴(kuò)展的振型、相對應(yīng)力分布等，可以將結(jié)果映象到一個路徑上，進(jìn)行載荷工況組合等操作。

1.2 求解和分析結(jié)果

在NX-Nastran軟件中，對模型進(jìn)行自由模態(tài)的計算 (即不對模型施加任何約束)，程序?qū)⒔馑銊傮w運(yùn)動（零頻）以及高階（非零頻）自由體模態(tài)。如表2所示。

表2 箱體自由模態(tài)前10階固有頻率

履帶自走式旋耕機(jī)箱體的自由模態(tài)1階振型圖如圖2所示。

圖2 自由模態(tài)第1階振型圖

1.3 傳動系統(tǒng)特征頻率計算

履帶自走式旋耕機(jī)傳動箱體振動最主要的激振頻率是齒輪的嚙合頻率，其計算公式如下：

式中：n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min），z為齒輪齒數(shù)。

因此，當(dāng)傳動箱處于工作時，傳動系統(tǒng)的各個齒輪副理想嚙合頻率如表3所示。

表3 傳動系統(tǒng)嚙合頻率

根據(jù)已經(jīng)求解的箱體固有頻率可知，箱體的一階固有頻率為571.5Hz，雖然避開了傳動系統(tǒng)齒輪的嚙合頻率，但是其與輸入軸的嚙合頻率565.5Hz非常接近。為了避免由齒輪嚙合激勵的箱體共振現(xiàn)象，需要適當(dāng)加強(qiáng)箱體的結(jié)構(gòu)以提高其一階固有頻率，使其較大與輸入軸嚙合頻率。

由于一階與二階固有頻率接近，同時期振型都在傳動箱體的中部，即中間過渡軸箱體支撐部位比較薄弱，需要加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)，具體的加強(qiáng)方式是在中部不影響整體安裝的情況下，焊接加強(qiáng)筋，寬度為40mm，高度為15mm，其具體加強(qiáng)位置如圖3所示。優(yōu)化后的模型一階固有頻率提高為580Hz，二階固有頻率提高為618Hz；雖然一階固有頻率提高不是特別明顯，但其一階振型與原有的一階振型完全改變，如圖4所示；優(yōu)化前為箱體往外擴(kuò)張，優(yōu)化后為整體彎曲，因此將對避免箱體振動損壞具有較好的效果。

圖3 箱體優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

圖4 優(yōu)化后1階振型圖

2 結(jié)論

（1）通過有限元模態(tài)分析，建立了可靠的履帶自走式旋耕機(jī)箱體有限元模型。

（2）對箱體進(jìn)行了模態(tài)分析獲得其前階固有頻率和約束頻率，并與傳動箱內(nèi)齒輪嚙合頻率進(jìn)行了對比。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，提高了其1階固有頻率，增強(qiáng)了箱體抵抗外界低頻振動激勵的能力。

（3）本研究把現(xiàn)代設(shè)計方法運(yùn)用于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計，可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，因而具有一定的推廣意義。

［1］楊君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述［J］.現(xiàn)代制造工程，2006，（8）：139-141.

［2］龍晶.化工管線振動有限元分析與減振措施［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2008.

［3］李慶齡.5-UPS/PRPU并聯(lián)機(jī)床的動態(tài)特性分析［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2006.

Simulation Analysis and Optim ization of Gearbox for Self-propelled Rotary Tiller

ZHOU Qian
（College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

According to the traditionalexperimentaldesigningmethod，the stressdistribution and the dynamic characteristic of self-propellde rotary tiller isnotverywell.In this paper，the finite elementmodel isbuiltby the finite elementanalysismethod.The gearboxofself-propelled rotary tiller1GZ-180 isimproved，and improves theabilityofgearbox to resist low-frequency vibration.

self-propelled rotary tiller；gearbox；the finiteelementanalysismethod

S222.3

A

2095-980X（2017）05-0079-02

2017-04-25

周謙（1986-），男，湖南長沙人。