楊?；?，張兆國，崔振猛，程一啟

(昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引言

三七是我國云南地區(qū)一種名貴中藥材，具有很高的醫(yī)藥與營養(yǎng)價(jià)值，其屬喜陰植物，對(duì)生長環(huán)境要求苛刻[1]。目前，三七藥材市場需求逐年增加，種植面積也隨之不斷擴(kuò)大，造成了適宜種植土地短缺，輪作周期縮短[2]。同時(shí)，由于三七存在連作障礙問題，我們認(rèn)為栽種過三七的地塊需先連續(xù)栽種其他作物10年以上才能再次種植三七[3]，三七的規(guī)?；N植與土地資源合理利用的矛盾越來越明顯[4]。目前，工廠化種植模式采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過人工干涉，以現(xiàn)代化、企業(yè)化的模式實(shí)現(xiàn)種苗的規(guī)?；a(chǎn)和經(jīng)營。工廠化三七種植模式必將取代傳統(tǒng)田地生產(chǎn)模式[1]。

目前，世界范圍內(nèi)三七收獲機(jī)械研究不多，典型代表有昆明理工大學(xué)張兆國研制的兩款三七收獲機(jī)[5]，一款懸掛式3年生三七挖掘收獲機(jī)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)三七的采挖、分離以及鋪放作業(yè)[5]；一款自走式三七收獲機(jī)，能夠一次性地完成三七挖掘、分離、收集等作業(yè)[6]。為了實(shí)現(xiàn)溫室種植三七的機(jī)械化收獲[6]，昆明理工大學(xué)張兆國研制了一款溫室三七收獲機(jī)。研究表明：溫室三七收獲機(jī)作業(yè)過程中機(jī)架承力最多，因而作用在機(jī)架上的激振力極易導(dǎo)致其產(chǎn)生變形[7]，激振力的主要來源有振動(dòng)挖掘鏟、振動(dòng)抖土裝置及電機(jī)等部件；同時(shí)，收獲機(jī)在作業(yè)過程中與地面接觸所產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)也會(huì)對(duì)機(jī)架產(chǎn)生影響[8]，當(dāng)外部激振頻率接近機(jī)架的固有頻率時(shí)，會(huì)引發(fā)機(jī)架劇烈共振，影響作業(yè)效果。

1 機(jī)架有限元分析

1.1 建立機(jī)架三維模型

在Creo三維軟件中建立如圖1所示的參數(shù)化模型。溫室三七收獲機(jī)的機(jī)架尺寸：長×寬×高為3 330mm×1 460mm×540mm。整機(jī)主要由3個(gè)部分組成：①動(dòng)力部件為電機(jī)，型號(hào)為Y132S2-2，額定功率為7.5kW，轉(zhuǎn)速為2 900r/min；②振動(dòng)挖掘鏟工作幅寬為1 350mm，振動(dòng)頻率為5Hz；③振動(dòng)去土篩尺寸：長×寬為800mm×1 380mm，振動(dòng)頻率為10Hz。

1.機(jī)架 2.電機(jī) 3.升降車輪 4.前車輪 5.液壓系統(tǒng) 6.挖掘鏟 7.去土篩 8.后車輪圖1 溫室三七收獲機(jī)Fig.1 Notoginseng harvester for green house

1.2 機(jī)架有限元模型導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

經(jīng)過理論與經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)機(jī)架進(jìn)行改進(jìn)，添加3條橫梁、2條縱梁及2套支撐輪，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的機(jī)架Fig.2 Improved frame

在有限元前期準(zhǔn)備時(shí)，簡化機(jī)架，忽略車架上的附屬掛接結(jié)構(gòu)，略去一些對(duì)分析影響不大的輪廓線，同時(shí)將各段梁的圓角和倒角簡化為直角，假設(shè)機(jī)架的密度均勻分布等[9]。

將模型保存為STP文件格式后導(dǎo)入ANSYS workbench14.0，定義材料Q235：彈性模量E=210GPa,泊松比為μ=0.3，材料密度ρ=7 850kg/m3。網(wǎng)格劃分時(shí)設(shè)置單元尺寸為40mm，劃分后總結(jié)點(diǎn)數(shù)為106 885，總單元數(shù)為52 543。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分Fig.3 Finite element meshing

1.3 施加約束

考慮到溫室三七收獲機(jī)工作時(shí)的實(shí)際情況，為模擬其行走工作狀態(tài)，設(shè)定前4個(gè)輪軸承處為固定約束；其他各零部件的接觸選擇默認(rèn)設(shè)定bounded，此處不考慮預(yù)應(yīng)力。

2 機(jī)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 機(jī)架受力分析

本文機(jī)架靜力學(xué)分析中，機(jī)架受自身重力載荷與附屬結(jié)構(gòu)重力載荷，同時(shí)還承受收獲過程中的挖掘阻力。本研究取機(jī)架重3 000N，均布在上下層機(jī)架上；電機(jī)重720N，分布在前板處；挖掘阻力取5 000N[6]，分布在橫梁與挖掘振動(dòng)軸承座。

2.2 機(jī)架強(qiáng)度校核

圖4為溫室三七收獲機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析圖，圖5為機(jī)架靜力學(xué)分析的總變形圖。由圖4、圖5可知：最大應(yīng)力發(fā)生在電機(jī)安裝位置及縱梁連接處，最大應(yīng)力3.527 7MPa，最大變形發(fā)生在車尾處，最大位移2.958 3×10-1mm，機(jī)架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

圖4 機(jī)架應(yīng)力圖Fig.4 The stress nephogram of frame

圖5 機(jī)架總變形圖Fig.5 The displacement nephogram of frame

3 模態(tài)分析

對(duì)三七收獲機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，其結(jié)果主要包括前10階振動(dòng)頻率圖和其對(duì)應(yīng)的振型云圖，如圖6所示。

圖6 機(jī)架模態(tài)固有頻率和階數(shù)圖Fig.6 The frequencies and Figure of the frame

由圖7可知：三七收獲機(jī)前10階的模態(tài)固有頻率分別為5.965 4、6.624 8、7.158 5、8.897 7、14.626、15.076、19.317、20.267、21.534、21.708Hz，并能觀察出車架的振型。

由于傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)思想的深刻影響，許多初中數(shù)學(xué)教師在教學(xué)過程中依舊是機(jī)械地給學(xué)生灌輸知識(shí)，對(duì)學(xué)生采用題海戰(zhàn)術(shù)，片面追求正確答案而忽視引導(dǎo)學(xué)生對(duì)解題過程進(jìn)行探究，使得學(xué)生缺乏獨(dú)立思考的時(shí)間和空間，只能在不斷做題中緩慢提高數(shù)學(xué)成績。同時(shí)，應(yīng)試教育尤其是中考給教師和學(xué)生帶來的壓力，也使得初中數(shù)學(xué)教師對(duì)學(xué)生的獨(dú)立思考能力沒有足夠重視，不敢在教學(xué)實(shí)踐中輕易進(jìn)行嘗試，缺乏教師的正確引導(dǎo)，學(xué)生獨(dú)立思考習(xí)慣的培養(yǎng)自然也就無從談起。

(e) 5階，14.626Hz，車架中后部扭動(dòng) (f) 6階，15.076Hz，前部上下擺動(dòng)

(g) 7階，19.317Hz，前部上下擺動(dòng) (h) 8階，20.267Hz，前部上下擺動(dòng)，尾部左右擺動(dòng)

(i) 9階，21.534Hz，前部上下擺動(dòng)，尾部 (j) 10階，21.708Hz，車架整體扭動(dòng)圖7 前10階模態(tài)振型Fig.7 The first ten modal shapes of the frame

4 諧響應(yīng)分析

電機(jī)振動(dòng)可能導(dǎo)致溫室三七收獲機(jī)發(fā)生共振，電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)可通過連接件傳遞到機(jī)架，導(dǎo)致共振，本文對(duì)機(jī)架進(jìn)行電機(jī)激勵(lì)下的諧響應(yīng)分析[10]。將頻率范圍設(shè)置在0～30Hz，且施加幅值為720N的正弦激勵(lì)載荷，頻率15Hz處機(jī)架應(yīng)力頻率響應(yīng)值和位移頻率響應(yīng)值均最大，如圖8和圖9所示。

圖8 位移-頻率響應(yīng)曲線Fig.8 Displacement-frequency response curve

圖9 應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線Fig.9 Stress-frequency response curve

當(dāng)頻率為15Hz時(shí)，機(jī)架將會(huì)產(chǎn)生共振。將分析參數(shù)列表中的頻率改為15Hz，求解相應(yīng)的等效應(yīng)力和變形位移。

如圖10、圖11所示：頻率15Hz時(shí)，機(jī)架最大應(yīng)力61.542MPa,最大位移2.03mm；最大應(yīng)力出現(xiàn)在電機(jī)安裝位置處及車架連接部位，尚未超出材料屈服強(qiáng)度。

圖10 機(jī)架變形云圖(15Hz)Fig 10 Total deformation of the frame

圖11 機(jī)架應(yīng)力云圖(15Hz)Fig.11 Stress distribution of the frame

5 挖掘鏟的有限元分析

5.1 挖掘鏟的設(shè)計(jì)參數(shù)

挖掘鏟在溫室內(nèi)挖掘三七時(shí)，因土壤沉降等原因，三七塊根埋藏較淺，測得需挖掘深度8cm左右，因此本文設(shè)計(jì)的挖掘鏟鏟長32cm,鏟幅1.35m，單面鏟寬10cm,挖掘鏟傾角設(shè)置為15°。挖掘鏟結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 挖掘鏟結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of digger blade

5.2 挖掘鏟有限元模型建立

挖掘鏟結(jié)構(gòu)特性會(huì)直接影響到收獲機(jī)作業(yè)效果，因此溫室三七收獲機(jī)的挖掘鏟應(yīng)該具有較好的工作性能、力學(xué)性能可靠且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)良[11-12]。采用Creo軟件建立挖掘鏟的三維實(shí)體模型并導(dǎo)入ANSYS workbench14.0，設(shè)置單元尺寸20mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后得到的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為41 447，總單元數(shù)為18 512。

5.3 挖掘鏟有限元靜力學(xué)分析

挖掘鏟作業(yè)過程中受土壤多向載荷及相互作用摩擦力等，但對(duì)作業(yè)效果有主要影響的是與挖掘鏟鏟面直接接觸的載荷，因此本文分析時(shí)只考慮法向力[13-14]。挖掘鏟通過三處鉸接與機(jī)架固定， 此處分析中假設(shè)挖掘鏟靜止挖掘，挖掘阻力設(shè)定5 000N。

5.4 ANSYS有限元分析結(jié)果

圖13 挖掘鏟總變形圖Fig.13 The displacement nephogram of digger blade

圖14 挖掘鏟應(yīng)力圖Fig.14 The stress nephogram of digger blade

6 結(jié)論

1)采用ANSYS軟件對(duì)溫室三七收獲機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，靜力作用下機(jī)架最大應(yīng)力值3.527 7MPa，發(fā)生在電機(jī)安裝位置及縱梁連接處；最大位移2.958 3×10-1mm，發(fā)生在車尾處。機(jī)架設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求。

2)對(duì)溫室三七收獲機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，獲得機(jī)架的固有頻率，對(duì)機(jī)架進(jìn)行頻率范圍為0～30Hz的諧響應(yīng)分析，并且施加幅值為720N的正弦激勵(lì)載荷，頻率15Hz時(shí)電機(jī)安裝位置處可能發(fā)生共振，此時(shí)電機(jī)安裝位置處應(yīng)力和位移達(dá)到最大，最大應(yīng)力為4.34MPa,最大位移為2.03mm。機(jī)架滿足激勵(lì)載荷下的強(qiáng)度要求。

3)對(duì)溫室三七收獲機(jī)挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析可知：挖掘鏟最大變形量1.334 4mm，發(fā)生在挖掘鏟兩側(cè)鏟尖；挖掘鏟最大應(yīng)力20.894MPa,集中在挖掘鏟與機(jī)架連接的連桿上且靠近機(jī)架處。挖掘鏟設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。