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        電動(dòng)四輪割草機(jī)核心部件預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

        2019-04-07 17:44:24李文飛
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2019年31期
        關(guān)鍵詞:核心部件模態(tài)分析

        李文飛

        摘? ?要:電動(dòng)四輪割草機(jī)是園林綠化機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種,本文以我司LM51電動(dòng)四輪割草機(jī)為例進(jìn)行研究,運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對其核心部件切割刀片進(jìn)行模態(tài)分析研究。分析結(jié)果顯示: 切割刀片的振動(dòng)大多來源于刀片的邊緣,且切割刀片外端邊緣最容易產(chǎn)生振動(dòng)彎曲破壞,該電動(dòng)四輪割草機(jī)切割刀片最高工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其1 階臨界轉(zhuǎn)速,有效地避免了共振的發(fā)生,驗(yàn)證了切割刀片設(shè)計(jì)的合理性。該分析方法,在電動(dòng)四輪割草機(jī)設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性方面顯現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。

        關(guān)鍵詞:LM51電動(dòng)四輪割草機(jī)? 核心部件? 模態(tài)分析

        中圖分類號:S817? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-098X(2019)11(a)-0106-03

        近些年來,隨著國家對城市綠化工作的重視,草坪綠地業(yè)隨之迅猛發(fā)展起來,我國的園林機(jī)械制造業(yè)得到了前所未有的發(fā)展,而電動(dòng)割草機(jī)作為園林機(jī)械的一種,其產(chǎn)業(yè)由小到大,迅速發(fā)展,現(xiàn)已成為一個(gè)產(chǎn)品門類齊全、市場需求十分旺盛的產(chǎn)業(yè)。但是,我國電動(dòng)割草機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)相對比較薄弱,與很多發(fā)達(dá)的國家相比,還有一定的差距。為了加速提高我國電動(dòng)割草機(jī)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力、加強(qiáng)電動(dòng)割草機(jī)研發(fā)的產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合,已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

        1? 電動(dòng)四輪割草機(jī)簡介

        電動(dòng)四輪割草機(jī)作為園林綠化機(jī)械的一種,主要用于城市街心花園、街道綠化帶以及家庭庭院等綠地的修剪、整理等工作,是園林機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種。本文以我司LM51電動(dòng)四輪割草機(jī)為例進(jìn)行研究,該電動(dòng)四輪割草機(jī)主要由支撐部件、調(diào)高機(jī)構(gòu)、割草動(dòng)力總成、行走總成、控制機(jī)構(gòu)及集草箱等六大部分組成。電動(dòng)四輪割草機(jī)外形如圖1所示。

        而割草機(jī)中的割草動(dòng)力部件主要由割草電機(jī)、支座、傳動(dòng)軸、帶輪、剎車機(jī)構(gòu)和切割刀片等組成。割草電機(jī)安裝在機(jī)體的上方,切割刀片通過傳動(dòng)軸安裝在機(jī)體內(nèi),割草裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中,切割刀片為電動(dòng)四輪割草機(jī)核心部件之一。對切割裝置中的關(guān)鍵部件切割刀片的優(yōu)化分析,提高電動(dòng)四輪割草機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性顯得尤為重要。切割刀片一般采用優(yōu)質(zhì)合金工具鋼制造,以保證其具有較高的鋒刃度和耐磨強(qiáng)度,同時(shí),刀片應(yīng)有工作狀態(tài)時(shí)合理的動(dòng)態(tài)特性,以達(dá)到對振動(dòng)與噪音的控制。割草時(shí)馬達(dá)一直將周期變化的力作用在切割刀片上,使其處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),從而使得刀片振動(dòng)產(chǎn)生激振力。當(dāng)其變化頻率與刀片固有的自振頻率相等或者成整數(shù)倍時(shí),刀片就會(huì)產(chǎn)生共振。當(dāng)共振發(fā)生時(shí),切割刀片的振幅將會(huì)急劇增加,從而使得切割刀片最終因疲勞而斷裂、破壞。由于切割刀片在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn),此時(shí)由于離心力而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力的作用下,其自振頻率將會(huì)增加。因此需要分析切割刀片在某一轉(zhuǎn)速下的模態(tài),即預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

        2? 電動(dòng)四輪割草機(jī)切割刀片三維模型的建立

        在PRO/E 軟件中建立電動(dòng)四輪割草機(jī)切割刀片的實(shí)體模型,然后將其另存為stp 格式。將已建好的切割刀片的三維模型導(dǎo)入分析軟件ANSYS Workbench 中。通過建立尺寸驅(qū)動(dòng)關(guān)系,方便有限元分析模型后續(xù)的改進(jìn)優(yōu)化。建好的切割刀片三維模型如圖3所示。

        3? 電動(dòng)四輪割草機(jī)切割刀片有限元模型的建立

        電動(dòng)四輪割草機(jī)切割刀片在實(shí)際割草過程中不僅起到切割的作用,還具有甩草的功能,同時(shí)又起到離心風(fēng)扇的功能,可以給電動(dòng)四輪割草機(jī)機(jī)殼內(nèi)的馬達(dá)散熱。本文中的預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析需要在一定的假設(shè)條件下求解,其假設(shè)條件主要有:

        (1)切割刀片是線彈性材料;

        (2)分析時(shí)不考慮溫度影響;

        (3)切割刀片滿足小變形理論;

        (4)切割刀片處于自由振動(dòng)。

        將已經(jīng)建好的切割刀片三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench分析軟件后,進(jìn)入模態(tài)分析Model 模塊。如圖4所示。

        在Toolbox中選擇Pre-stress modal,刀片的材料為40Mn,密度為7.8×10-6kg/mm?,彈性模量為206GPa,泊松比為0.28;在Model環(huán)境中生成刀片網(wǎng)格。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法,劃分過程共產(chǎn)生有110040個(gè)節(jié)點(diǎn),61521個(gè)單元。網(wǎng)格劃分后的刀片模型如圖5所示。電動(dòng)四輪割草機(jī)整機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般是3600 r/min,因此,以此轉(zhuǎn)速作為分析預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速。施加慣性載荷,輸入角速度276.8 rad/s ,設(shè)定想要的結(jié)果:刀片的等效應(yīng)力(Equivalent Stress)與總體變形(Total Deformation)如圖5。

        4? 電動(dòng)四輪割草機(jī)切割刀片有限元模態(tài)結(jié)果分析

        模態(tài)分析結(jié)果中顯示切割刀片在工作狀態(tài)下刀片應(yīng)力最大值是92MPa,遠(yuǎn)低于40Mn材質(zhì)的屈服強(qiáng)度,因此切割刀片材質(zhì)的選擇符合該產(chǎn)品的工況要求。

        刀片受到軸振動(dòng)的激勵(lì)頻率公式為:

        f=n/60? ?式中:n為轉(zhuǎn)速,r/min;f為頻率,Hz;

        刀片激勵(lì)頻率f=3600/60; f=60Hz

        由上式可得避開了刀片各階自振頻率,有效防止共振的發(fā)生。根據(jù)分析的結(jié)果,前6 階固有頻率和振動(dòng)特性見圖7所示,相應(yīng)的振型如圖8所示。由振型云圖可以看出,刀片的振動(dòng)主要發(fā)生在刀片的邊緣附近。割草機(jī)工作時(shí),動(dòng)力通過馬達(dá)軸帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn),振動(dòng)隨著刀片外部方向逐漸增強(qiáng),使刀片邊緣容易發(fā)生彎曲破壞。在模態(tài)分析結(jié)果中,1階與2階頻率是刀片振動(dòng)過程中能量的主要集中處。根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系,可以得出刀片前6階的臨界轉(zhuǎn)速,見表1。

        由表1可知,1階模態(tài)頻率所對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為6780.6r /min,即為刀片的1階臨界轉(zhuǎn)速。電動(dòng)四輪割草機(jī)的刀片最高轉(zhuǎn)速為3600r/min,低于其臨界共振旋轉(zhuǎn)速度范圍。由此可知,刀片正常工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

        5? 結(jié)語

        本文在對割草機(jī)的核心部件切割刀片進(jìn)行分析研究中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù),經(jīng)過分析可知,切割刀片的振動(dòng)大多來源于刀片的邊緣,且切割刀片外端邊緣最容易產(chǎn)生振動(dòng)彎曲破壞,該分析的方法,將在電動(dòng)四輪割草機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性方面顯現(xiàn)優(yōu)勢,研究的成果適合目前電動(dòng)割草機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的當(dāng)前的技術(shù)需求,對相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提升產(chǎn)生積極的影響。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 李文飛.電動(dòng)四輪割草機(jī)設(shè)計(jì)與研究[D].蘇州大學(xué),2012

        [2] 程小龍,劉俊峰,李建平,等.基于ANSYS Workbench的乘坐式割草機(jī)刀盤模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(6):71.

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        [4] 趙永健,張大千,趙衛(wèi)強(qiáng).渦輪盤-葉片整體振動(dòng)固有模態(tài)有限元分析[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(5):25-26.

        [5] 葉先磊,史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2003.

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