劉瑞林， 付 瓊， 王 石， 佘光宇

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維模擬并采用有限元模態(tài)方法進(jìn)行設(shè)備關(guān)鍵部件頻率計(jì)算分析是現(xiàn)代流行的實(shí)用且簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的手段，針對(duì)初步設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性、材料屬性、設(shè)備的固有頻率及其振動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性和安全可靠性，并提供合理的參數(shù)范圍，從而在設(shè)計(jì)機(jī)械圖紙加工前對(duì)動(dòng)力參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料選擇及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理調(diào)整，保障設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備工作運(yùn)行穩(wěn)定結(jié)構(gòu)安全可靠。葡萄冬剪機(jī)機(jī)架在葡萄冬剪機(jī)工作運(yùn)行中承載主要沖擊載荷，對(duì)于設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)安全可靠起著決定性的作用，對(duì)葡萄冬剪機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析論證其設(shè)計(jì)的合理性，得出各個(gè)關(guān)鍵部件科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征及參數(shù)范圍，以指導(dǎo)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠的葡萄冬剪機(jī)械化作業(yè)設(shè)備。

1 葡萄冬剪機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)

葡萄冬剪機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)架采用門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，由于橫梁承載著設(shè)備整套工作部件的質(zhì)量，所以在保障結(jié)構(gòu)安全可靠的條件下橫梁選用普通鋼(Q235-A)材料，同時(shí)為了減輕機(jī)架的質(zhì)量，其余部分均選用硬鋁合金(LY)材料，硬鋁整體采用焊接及螺紋緊固形式連接，硬鋁合金部分與橫梁采用連接軸連接并可展開(kāi)運(yùn)轉(zhuǎn)一定角度。設(shè)備由2個(gè)液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的2組刀片進(jìn)行切割當(dāng)年新生葡萄藤，切割葡萄藤作業(yè)會(huì)產(chǎn)生很大沖擊載荷，液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)頻率與機(jī)架的固有頻率如果接近會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，將影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。在研究過(guò)程中必須對(duì)上述兩個(gè)頻率進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比，避免兩個(gè)頻率接近，以保障設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性。利用三維模態(tài)分析論證所設(shè)計(jì)的葡萄冬剪機(jī)架的合理性及運(yùn)行平穩(wěn)性，并提供出最佳參數(shù)范圍，從而在液壓馬達(dá)參數(shù)選擇、機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)架材料選擇方面可以有效對(duì)比分析得出最佳方案。

圖1 葡萄冬剪機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)

2 驗(yàn)證分析過(guò)程

2.1 應(yīng)用軟件選擇及三維立體模型建立

應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)方面的三維建模工具很多，如SolidWorks、UG、Pro/E、CATIA等，各具特點(diǎn)，其中SolidWorks在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，具有較強(qiáng)的三維建模功能，使用方便快捷。

本文運(yùn)用SolidWorks軟件建立葡萄冬剪機(jī)機(jī)架三維立體模型，通過(guò)軟件的一系列相關(guān)操作命令(如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割等)的執(zhí)行，并輸入選定的各項(xiàng)參數(shù)即完成三維立體模型的建立。為了建立準(zhǔn)確的三維立體模型，對(duì)模態(tài)分析結(jié)果不構(gòu)成影響，又便于模態(tài)分析，在實(shí)際操作中忽略掉一些非重要因素(如圓角和倒角等)，最終建立的葡萄冬剪機(jī)機(jī)架三維立體裝配體模型如圖2所示。

圖2 葡萄冬剪機(jī)機(jī)架三維立體裝配體模型

2.2 材料及其參數(shù)選定

將上述建立的葡萄冬剪機(jī)機(jī)架的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到軟件simulation中便可自動(dòng)生成相應(yīng)的三維裝配體模型圖。

開(kāi)發(fā)葡萄冬剪設(shè)備時(shí)應(yīng)在保證整機(jī)剛度的情況下盡量減輕機(jī)架的質(zhì)量。圖3中機(jī)架上部采用硬鋁(LY)材質(zhì)，材料各項(xiàng)參數(shù)為：質(zhì)量密度2 850 kg/m3，彈性模量74.2 GPa，泊松比 0.36。

圖3 硬鋁材質(zhì)三維裝配體模型

如圖4所示，機(jī)架上部采用 Q235-A鋼，材料各項(xiàng)參數(shù)為：質(zhì)量密度7 860 kg/m3，彈性模量212 GPa，泊松比 0.28。

圖4 Q235-A材質(zhì)三維裝配體模型

如圖5所示，機(jī)架上部采用45#，各項(xiàng)材料參數(shù)為：質(zhì)量密度7 890 kg/m3，彈性模量209 GPa，泊松比0.269。

圖5 45#材質(zhì)三維裝配體模型

2.3 網(wǎng)格劃分及其展示

本文論述的葡萄冬剪機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用相應(yīng)軟件可以進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，非常簡(jiǎn)便，又可以得出準(zhǔn)確的結(jié)論。在實(shí)際操作中將葡萄冬剪機(jī)機(jī)架相應(yīng)材料參數(shù)輸入到有限元軟件 simulation，軟件會(huì)根據(jù)各個(gè)零件的尺寸、位置自動(dòng)調(diào)整至合理的網(wǎng)格尺寸，利用軟件自動(dòng)生成網(wǎng)格功能完成葡萄冬剪機(jī)機(jī)架的網(wǎng)格劃分，完成后的葡萄冬剪機(jī)機(jī)架網(wǎng)格模型如圖 6 所示。

圖6 葡萄冬剪機(jī)機(jī)架網(wǎng)格模型

2.4 約束條件與求解

對(duì)三維模態(tài)施加約束以最大限度模擬真實(shí)工作狀態(tài)。如圖7所示，在交接點(diǎn)加以固定支承約束；操作中考慮到自由模態(tài)分析，所以模態(tài)中不添加外部載荷；設(shè)計(jì)的葡萄冬剪設(shè)備為有支承剪切運(yùn)動(dòng)，選用的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速較低，所以進(jìn)行模態(tài)分析過(guò)程中只提取其前6階模態(tài)進(jìn)行分析求解就可以滿足要求。

圖7 葡萄冬剪機(jī)機(jī)架固定支承約束施加位置

3 計(jì)算模態(tài)結(jié)果分析

本文只針對(duì)影響葡萄冬剪設(shè)備實(shí)際平穩(wěn)安全運(yùn)行的主要因素進(jìn)行分析，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行葡萄冬剪實(shí)際工作運(yùn)行在不同階數(shù)下模態(tài)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1。圖8所示為在不同階下的模態(tài)頻率柱狀圖，圖9～14所示為不同模態(tài)固有頻率相對(duì)應(yīng)的機(jī)架模態(tài)振型圖即機(jī)架的變形狀態(tài)與變形的形態(tài)。

表1 機(jī)架各階模態(tài)固有頻率

圖8 葡萄冬剪機(jī)機(jī)架模態(tài)固有頻率和階數(shù)圖

葡萄冬剪機(jī)支架的第1階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖9所示，其最大偏移量為0.285 m。

圖9 第1階模態(tài)振型

葡萄冬剪機(jī)支架的第2階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖10所示，其最大偏移量為0.256 m。

圖10 第2階模態(tài)振型

葡萄冬剪機(jī)支架的第3階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖11所示，其最大偏移量為0.290 m。

圖11 第3階模態(tài)振型

葡萄冬剪機(jī)支架的第4階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖12所示，其最大偏移量為0.343 m。

圖12 第4階模態(tài)振型

葡萄冬剪機(jī)支架的第5階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖13所示，其最大偏移量為0.352 m。

圖13 第5階模態(tài)振型

葡萄冬剪機(jī)支架的第6階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖14所示，其最大偏移量為0.219 m。

圖14 第6階模態(tài)振型

設(shè)計(jì)的葡萄冬剪機(jī)轉(zhuǎn)軸部件的工作轉(zhuǎn)速為850 r/min，換算為工作頻率為 14.17 Hz，此頻率低于計(jì)算出的葡萄冬剪機(jī)機(jī)架最低價(jià)模態(tài)固有頻率16.14 Hz，即選取的驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為850 r/min不會(huì)導(dǎo)致葡萄冬剪機(jī)機(jī)架的共振現(xiàn)象發(fā)生，選取轉(zhuǎn)速低于850 r/min的液壓馬達(dá)都是安全可行的。

4 驗(yàn)證分析總結(jié)

經(jīng)過(guò)模態(tài)分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的葡萄冬剪機(jī)工作頻率不會(huì)引起機(jī)架的共振；對(duì)于結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，重點(diǎn)驗(yàn)證其低階振型對(duì)產(chǎn)品平穩(wěn)運(yùn)行的影響；研發(fā)的葡萄冬剪機(jī)低階振源在工作時(shí)易于實(shí)現(xiàn)，必須注意能夠引發(fā)葡萄冬剪機(jī)共振的周圍各振源頻率，并與之避開(kāi)。