水稻秧盤育秧流水線機架的模態(tài)及諧響應分析

蔡明青　阮建雯　朱景林

摘要：水稻工廠化機械育秧具有成本低、秧苗生長整齊等特點，由于水稻種子具有體積小、質(zhì)量小等特點，育秧播種機的振動會對落種的密度和均勻度造成較大的影響。針對該問題，以某型號水稻秧盤育秧流水線機架為研究對象，建立機架的參數(shù)化模型，并對其進行模態(tài)及諧響應分析，得到機架前6階模態(tài)振動特性以及播種機構(gòu)所在節(jié)點在各個方向上的位移與頻率的關系等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：當外界的激勵頻率在50～70.5、92～105 Hz范圍內(nèi)時，播種機構(gòu)所在的節(jié)點會產(chǎn)生較大的位移，對落種質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴重的影響。研究結(jié)果可為水稻秧盤育秧流水線的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

關鍵詞：水稻秧盤育秧流水線；模態(tài)分析；諧響應分析；精密播種

中圖分類號： S223.1+3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0369-03

水稻是中國主要的糧食作物，種植面積高達3 000萬hm2，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和農(nóng)業(yè) 摘要：水稻工廠化機械育秧具有成本低、秧苗生長整齊等特點，由于水稻種子具有體積小、質(zhì)量小等特點，育秧播種機的振動會對落種的密度和均勻度造成較大的影響。針對該問題，以某型號水稻秧盤育秧流水線機架為研究對象，建立機架的參數(shù)化模型，并對其進行模態(tài)及諧響應分析，得到機架前6階模態(tài)振動特性以及播種機構(gòu)所在節(jié)點在各個方向上的位移與頻率的關系等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：當外界的激勵頻率在50～70.5、92～105 Hz范圍內(nèi)時，播種機構(gòu)所在的節(jié)點會產(chǎn)生較大的位移，對落種質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴重的影響。研究結(jié)果可為水稻秧盤育秧流水線的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

關鍵詞：水稻秧盤育秧流水線；模態(tài)分析；諧響應分析；精密播種

中圖分類號： S223.1+3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0369-03

機械化的不斷推進，水稻工廠化機械育秧得到了廣泛推廣，具有成本低、秧苗生長整齊等特點[1]。育秧盤上種子密度、均勻度等因素對育秧質(zhì)量有著重要的影響，由于水稻種子具有體積小、形狀結(jié)構(gòu)差別大、質(zhì)量小等特點，給工廠化育秧機械的落種精度提出了更高的要求。水稻工廠化育秧多采用流水線式的水稻秧盤育秧流水線進行育秧，該育秧機的落種部分一般由落種機構(gòu)、驅(qū)動電機、覆土機構(gòu)、灑水機構(gòu)等組成，驅(qū)動電機工作時伴隨著振動，若其振動頻率和機架的固有頻率相接近，會發(fā)生共振，將嚴重影響落種質(zhì)量[2]。

以某型號的水稻秧盤育秧流水線的機架為研究對象，利用ANSYS Workbench對機架進行模態(tài)及諧響應分析，得到機架的振動特性，以期為育秧播種機的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 機架模型

水稻秧盤育秧流水線機架采用槽鋼焊接而成，主要由支架、工作臺、橫梁組成，其中工作臺長度為2 400 mm，工作臺寬度為545 mm，支架高度為390 mm。落種機構(gòu)、驅(qū)動電機、覆土機構(gòu)、灑水機構(gòu)通過螺栓安裝固定在工作平臺上。利用Creo建立機架的三維模型（圖1）。由于ANSYS Workbench無法直接使用Creo默認的模型文件格式，本研究將建立的三維模型轉(zhuǎn)化為“*.igs”格式的模型文件，并導入到ANSYS Workbench中。

2 模態(tài)分析

2.1 分析原理

結(jié)構(gòu)的振動特性包括固有振型i和其對應的振動頻率ωi，模態(tài)分析是一種計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術。振型i和振動頻率ωi有公式1所示的關系[3]：

2.2 定義材料與網(wǎng)格劃分

機架的材料為Q235，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為03，彈性模量為2E11Pa，在ANSYS Workbench材料庫中建立一種名稱為Q235的材料，并設置相應的參數(shù)，再將該材料應用到機架上。

網(wǎng)格質(zhì)量對仿真分析結(jié)果的影響非常大，通常用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度來衡量網(wǎng)格的質(zhì)量，網(wǎng)格密度的增加能在一定范圍內(nèi)提高網(wǎng)格質(zhì)量，但是網(wǎng)格密度增加會增加計算機儲存空間和計算速度，較為理想的情況為分析結(jié)果不再隨網(wǎng)格密度的改變而改變[4]。在ANSYS Workbench提供了多種不同的網(wǎng)格劃分方法，如自動網(wǎng)格劃分、六面體主導網(wǎng)格劃分、四面體網(wǎng)格劃分、掃掠法等[5]。本研究采用六面體主導的網(wǎng)格劃分方法，并將最大網(wǎng)格尺寸設置為5 mm。劃分完成的模型共有43 766個單元、255 088個節(jié)點。

2.3 約束與求解設置

在水稻秧盤育秧流水線工作過程中，機架是支架底部是固定在地面上的，在支架底面上施加由ANSYS Workbench提供的固定約束來模擬機架工作時所受到的約束。

在結(jié)構(gòu)的振動過程中，低階模態(tài)起著主要作用，相比低階模態(tài)，高階模態(tài)對結(jié)構(gòu)振動的貢獻較小，且衰減很快，本研究根據(jù)機架的實際工作情況，采用Block Lanczos法計算機架的前6階模態(tài)[6]。

2.4 模態(tài)分析結(jié)果

經(jīng)過求解計算和后處理，得到機架前6階模態(tài)的振頻和對應的振型，振頻情況見表1，前6階的振頻范圍為21.668～94.249 Hz。

機架的第1階模態(tài)振型云見圖2-a，可見工作平臺的中間部分向下塌陷，最大位移出現(xiàn)在平臺的中間位置，支架的變形較小。機架的第2階模態(tài)振型云見圖2-b，可見工作平臺中間部分向上突起并扭曲，工作平臺同時向內(nèi)彎曲，最大位移出現(xiàn)在平臺的中間位置，支架的變形較小。機架的第3階模態(tài)振型云見圖2-c，可見工作平臺中間部分向上突起并扭曲，最大位移出現(xiàn)在平臺的中間位置，支架的變形較小。機架的第4階模態(tài)振型云見圖2-d，可見工作平臺呈一個“S”形，最大位移出現(xiàn)在工作平臺靠近支架的位置。機架的第5階模態(tài)振型云見圖2-e，可見工作平臺中間部分的變形量較小，最大變形出現(xiàn)在工作平臺的兩端，工作平臺的兩端均向下偏移。機架的第6階模態(tài)振型云見圖2-f，可見工作平臺中間部分的變形量較小，最大變形出現(xiàn)在工作平臺的兩端，工作平臺的一端向上偏移，另一端向下偏移，支架的變形較小。

3 諧響應分析

在模態(tài)振型云圖中，ANSYS Workbench默認的是關于質(zhì)

量矩陣歸一化的模態(tài)，圖中所示數(shù)值，并不是真實的位移尺寸，只是點位移的比值[7]。為了得到機架更加準確的振動特性，需要對機架進行諧響應分析，得到機架在1個頻率范圍中頻率與位移的關系。

3.1 諧響應分析原理

諧響應分析通過對頻域的掃描，進而分析結(jié)構(gòu)在不同頻率和幅值載荷作用下的響應，從而探測共振。物體的通用力學方程為[4，8]：

3.2 諧響應分析設置

由機架的模態(tài)分析可知，前6階模態(tài)的振頻范圍為21668～94.249 Hz，由于高階頻率對結(jié)構(gòu)共振的貢獻較小，所以在該范圍內(nèi)，機架發(fā)生嚴重振動可能性較大[9]。在諧響應分析中，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果將諧響應分析的求解頻率段設置為20～120 Hz，為了得到較為準確的頻率與位移之間的關系曲線，頻率掃描間隔選擇為0.5 Hz，即在求解頻率范圍內(nèi)進行200步計算。

3.3 求解與后處理

通過求解之后可以得到整個模型任意節(jié)點的頻率與位移之間的關系，但是育秧播種機的排種工作主要由排種機構(gòu)完成，為了準確分析排種機構(gòu)受機架振動的影響，選取排種機構(gòu)所在的節(jié)點進行后處理，分別得出排種機構(gòu)所在節(jié)點的頻率與節(jié)點沿x軸方向的位移關系曲線、頻率與節(jié)點沿y軸方向的位移關系曲線、頻率與節(jié)點沿z軸方向的位移關系曲線。

節(jié)點在x軸方向的位移主要影響種子在x軸方向的相對距離，頻率與機架沿x軸方向的位移關系曲線見圖3，該曲線由多個極值，其中在20.0～65.5、90.0～91.0、93.0～94.5 Hz 范圍內(nèi)會出現(xiàn)相對較大位移，但是位移的最大值只有0.017 8 mm。

節(jié)點在y軸方向的位移主要影響種子的落種距離，頻率與機架沿y軸方向的位移關系曲線見圖4，該曲線有3個極值，其中在52.5～70.5 Hz范圍內(nèi)會出現(xiàn)相對較大位移，最大的位移值為36.6 mm。

節(jié)點在z軸方向的位移主要影響種子在z軸方向的相對距離，頻率與機架沿z軸方向的位移關系曲線見圖5，該曲線有3個極值，其中在50.0～70.5、92.0～105.0 Hz范圍內(nèi)會出現(xiàn)相對較大位移，位移的最大值為2.16 mm。

從上述分析可以看出，排種機構(gòu)所在的節(jié)點沿x軸方向的位移較小，不會對播種密度和均勻度造成太大的影響；當頻率在50.0～70.5、92.0～105.0 Hz范圍時，排種機構(gòu)所在節(jié)點沿y軸和z軸方向位移較大，會對落種質(zhì)量產(chǎn)生較大影響；雖然在排種機構(gòu)所在的節(jié)點沿y軸方向的位移不會直接影響種子密度和均勻度而造成直接的影響，但是過大位移還是會間接影響播種的質(zhì)量，同時過大位移同時可能對育秧播種機其他機構(gòu)造成一定的影響。

4 結(jié)論

通過對某型號水稻秧盤育秧流水線機架的振動特性進行分析，得到如下結(jié)論：（1）為了保證育秧播種機的正常工作運行，應當避免使用振動頻率在50.0～70.5、92.0～105.0 Hz范圍內(nèi)的驅(qū)動電機。（2）機架工作平臺的中間部分一般是變形的最大區(qū)域，可以在平臺與支架之間增加橫梁構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，或者增加支架的數(shù)量，來增強平臺的穩(wěn)定性。

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