白海超 ， 馮召華

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

高地隙折腰式水田動(dòng)力底盤是一款能夠完成運(yùn)秧、噴霧、撒肥等多種作業(yè)的水田田間管理機(jī)械，具有高地隙、轉(zhuǎn)彎半徑小和操作靈活的特點(diǎn)，其相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[1]。由于同一機(jī)型要完成水田不同時(shí)期的作業(yè)，要求底盤能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境及高低起伏的地表，因此對其動(dòng)態(tài)特性要求較高。動(dòng)力底盤田間作業(yè)時(shí)，外部激勵(lì)頻率與機(jī)架的某階固有頻率相近時(shí)會發(fā)生共振，從而影響動(dòng)力底盤乘坐舒適性、作業(yè)質(zhì)量、使用壽命及可靠性[2-3]。為改善動(dòng)力底盤機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性，對動(dòng)力底盤機(jī)架的模態(tài)試驗(yàn)與分析十分必要。

1 機(jī)架有限元模型建立與分析

1.1 機(jī)架有限元模型的建立

筆者采用動(dòng)力底盤機(jī)架的參數(shù)化有限元模型來對機(jī)架總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到機(jī)架的外形結(jié)構(gòu)不應(yīng)有重大的改變（如機(jī)架總體長度、寬度等），在保證機(jī)架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，合理將矩形鋼管的厚度、機(jī)架的總體積設(shè)為模型中的變量，以保證在外形結(jié)構(gòu)不變的情況下對機(jī)架進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對所構(gòu)建的機(jī)架參數(shù)化模型進(jìn)行模態(tài)分析。

圖1 動(dòng)力底盤機(jī)架模型

由于機(jī)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在模態(tài)分析過程中，為有效提高仿真模擬的運(yùn)算效率，進(jìn)一步對所構(gòu)建機(jī)架有限元模型簡化：忽略了倒角、焊接及不對機(jī)架總體強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響的工藝孔等對模型振動(dòng)特征的影響[4]。簡化的動(dòng)力底盤機(jī)架模型如圖1所示。

1.2 模態(tài)分析

設(shè)定機(jī)架材料為45號鋼，定義模型的參數(shù)為：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ= 0.3。機(jī)架主要由矩形鋼管材料制造而成，從Creo中導(dǎo)入的實(shí)體模型類型為殼[5]。按照機(jī)架各實(shí)體部件厚度定義了模型中對應(yīng)部件厚度，并對機(jī)架進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，得到機(jī)架有限元模型單元數(shù)為31719，節(jié)點(diǎn)數(shù)為11656。應(yīng)用ANSYS workbench軟件對動(dòng)力底盤機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性主要靠低階振型起決定作用，故提取機(jī)架前4階非零模態(tài)結(jié)果及振型云圖，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力底盤機(jī)架模態(tài)分析振型云圖

2 機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)

2.1 機(jī)架的模態(tài)測試及測點(diǎn)分布

由于所構(gòu)建有限元模型的邊界條件不同，得到的結(jié)果也會有所差異，可通過對高地隙折腰式水田動(dòng)力底盤機(jī)架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)來檢驗(yàn)有限元仿真分析結(jié)果的合理性。為保證試驗(yàn)時(shí)外界邊界條件與仿真分析邊界條件的一致性，對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，采用彈性支撐的方式使機(jī)架近似為自由狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，通過LC-2D型力錘敲擊自由狀態(tài)下的機(jī)架產(chǎn)生激勵(lì)信號，利用力傳感器對作用在機(jī)架上的力信號進(jìn)行采集；采用加速度傳感器對待測點(diǎn)處的信號進(jìn)行采集，采集結(jié)果的保存與進(jìn)一步分析均通過數(shù)據(jù)采集儀軟硬件的協(xié)同作用來完成。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用DASP-10模態(tài)分析軟件對采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)分析，最終得到機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果。為盡可能避免隨機(jī)噪聲對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，采樣過程中對每個(gè)頻響函數(shù)進(jìn)行3次平均，以消除信號中的隨機(jī)噪聲。為避免重要模態(tài)的丟失，采用多輸入多輸出的試驗(yàn)方法。模態(tài)試驗(yàn)中所建立的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，共50個(gè)待測點(diǎn)，可較好地反映出底盤機(jī)架的輪廓形狀[5]。因此，試驗(yàn)中共設(shè)置50個(gè)激勵(lì)點(diǎn)、3個(gè)參考點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)位置及試驗(yàn)現(xiàn)場情況如圖4所示。

圖3 模態(tài)試驗(yàn)中模型結(jié)構(gòu)

圖4 模態(tài)試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用模態(tài)分析軟件對數(shù)據(jù)采集儀中得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到高地隙折腰式水田動(dòng)力底盤機(jī)架的前4階試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率和振型，如圖5所示。對比有限元分析計(jì)算得到的機(jī)架前4階頻率和模態(tài)試驗(yàn)所得前4階頻率如表1所示。通過對所得結(jié)果進(jìn)行分析可知，計(jì)算頻率與試驗(yàn)頻率最大誤差值為6.17%，同時(shí)，二者對應(yīng)的各階陣型大致相同，從而驗(yàn)證了數(shù)值模型建立的準(zhǔn)確性。

圖5 動(dòng)力底盤機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)振型云圖

表1 模態(tài)分析結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果對比

3 外部激振頻率特點(diǎn)分析

模態(tài)分析的目的是用以確定關(guān)鍵零部件的固有頻率，避免外部激勵(lì)頻率與零部件固有頻率發(fā)生耦合而產(chǎn)生共振，影響底盤的作業(yè)質(zhì)量、使用壽命和乘坐舒適性。因此，必須對外部激勵(lì)的頻率進(jìn)行分析。動(dòng)力底盤在田間完成作業(yè)時(shí)，機(jī)架所受到的外部激勵(lì)主要來自路面、發(fā)動(dòng)機(jī)、噴霧泵以及撒肥液壓馬達(dá)等。各激勵(lì)頻率分析如下：

1）路面激勵(lì)由道路條件決定，道路轉(zhuǎn)移時(shí)，其外部激勵(lì)頻率一般低于3 Hz，水田田間地面坑洼不平，激勵(lì)頻率一般低于10 Hz[6]。

2）實(shí)測水田動(dòng)力底盤工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min～2200r/min，則激勵(lì)頻率為33.3 Hz～36.7 Hz。

3）配套噴霧泵的工作轉(zhuǎn)速為800 r/min～1200 r/min，則激勵(lì)頻率為13.3 Hz～20 Hz。

4）撒肥液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為720 r/min。其激勵(lì)頻率處于12 Hz左右。

根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，底盤機(jī)架各階頻率均避開外部激勵(lì)頻率范圍，驗(yàn)證動(dòng)力底盤機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)語

筆者建立了高地隙折腰式水田動(dòng)力底盤機(jī)架的有限元模型，求解出機(jī)架前4階非零模態(tài)的主要參數(shù)，并利用模態(tài)試驗(yàn)來檢驗(yàn)仿真分析所得結(jié)果的合理性。在此基礎(chǔ)上，對外部激振頻率進(jìn)行了分析，證實(shí)高地隙折腰式水田動(dòng)力底盤機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。