履帶自走式旋耕機箱體仿真分析與優(yōu)化

周謙

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

履帶自走式旋耕機箱體仿真分析與優(yōu)化

周謙

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計法往往造成履帶自走式旋耕機應(yīng)力分布不合理且動特性不佳。筆者利用有限元分析的方法建立有限元計算模型，并對1GZ-180型履帶自走式旋耕機箱體部分進行了改進設(shè)計，提高了箱體抵抗外界低頻振動激勵的能力。

履帶自走式旋耕機；箱體；有限元法

履帶自走式旋耕機的耕作工況比較惡劣，為了箱體在工作中具有良好的動態(tài)性能和比較高的可靠性，對傳動齒輪箱的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是必要的。模態(tài)分析是近代常用來分析結(jié)構(gòu)動力特性的方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。文章通過模態(tài)有限元分析方法，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，為傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力特性設(shè)計和改進提供可靠的理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 箱體有限元模型構(gòu)建

在NX-Nastran軟件中進行模態(tài)分析，主要分為四步，即建立模型劃分網(wǎng)格、加載及求解、擴展模態(tài)和后處理：

（1）建立模型劃分網(wǎng)格。模態(tài)分析的建模過程需要指定單元類型、定義單元實常數(shù)、輸入材料屬性、生成幾何實體模型，以上過程與靜力學(xué)分析相類似。以模型自由模態(tài)為例，其設(shè)定的模型參數(shù)如表1所示。在NX-Nastran中將模型進行網(wǎng)格劃分，按上述模型的材料和單元參數(shù)構(gòu)建模態(tài)有限元分析模型；自由模態(tài)不許加載邊界條件和載荷，因此模態(tài)分析模型中首先不需要設(shè)定此類選項，網(wǎng)格模型如圖1所示。

表1 模型參數(shù)表

圖1 履帶自走式旋耕機傳動箱網(wǎng)格模型圖

（2）加載及求解。該過程主要完成以下工作：定義分析類型、指定分析設(shè)置、施加載荷和邊界條件、設(shè)置加載過程，進行固有頻率的有限元求解，得到初始解后，對模態(tài)進行擴展，通過擴展得到箱體的振型。

（3）擴展模態(tài)。首先要擴展振型，才可以在后處理中觀察結(jié)果，其操作過程包括：進入求解器、激活擴展處理與相關(guān)選項、指定載荷的步選項、開始擴展處理與退出求解器。

（4）后處理。模態(tài)分析的結(jié)果會被寫入結(jié)果文件中，其內(nèi)容主要包括：固有頻率、已擴展的振型、相對應(yīng)力分布等，可以將結(jié)果映象到一個路徑上，進行載荷工況組合等操作。

1.2 求解和分析結(jié)果

在NX-Nastran軟件中，對模型進行自由模態(tài)的計算 (即不對模型施加任何約束)，程序?qū)⒔馑銊傮w運動（零頻）以及高階（非零頻）自由體模態(tài)。如表2所示。

表2 箱體自由模態(tài)前10階固有頻率

履帶自走式旋耕機箱體的自由模態(tài)1階振型圖如圖2所示。

圖2 自由模態(tài)第1階振型圖

1.3 傳動系統(tǒng)特征頻率計算

履帶自走式旋耕機傳動箱體振動最主要的激振頻率是齒輪的嚙合頻率，其計算公式如下：

式中：n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min），z為齒輪齒數(shù)。

因此，當(dāng)傳動箱處于工作時，傳動系統(tǒng)的各個齒輪副理想嚙合頻率如表3所示。

表3 傳動系統(tǒng)嚙合頻率

根據(jù)已經(jīng)求解的箱體固有頻率可知，箱體的一階固有頻率為571.5Hz，雖然避開了傳動系統(tǒng)齒輪的嚙合頻率，但是其與輸入軸的嚙合頻率565.5Hz非常接近。為了避免由齒輪嚙合激勵的箱體共振現(xiàn)象，需要適當(dāng)加強箱體的結(jié)構(gòu)以提高其一階固有頻率，使其較大與輸入軸嚙合頻率。

由于一階與二階固有頻率接近，同時期振型都在傳動箱體的中部，即中間過渡軸箱體支撐部位比較薄弱，需要加強其結(jié)構(gòu)，具體的加強方式是在中部不影響整體安裝的情況下，焊接加強筋，寬度為40mm，高度為15mm，其具體加強位置如圖3所示。優(yōu)化后的模型一階固有頻率提高為580Hz，二階固有頻率提高為618Hz；雖然一階固有頻率提高不是特別明顯，但其一階振型與原有的一階振型完全改變，如圖4所示；優(yōu)化前為箱體往外擴張，優(yōu)化后為整體彎曲，因此將對避免箱體振動損壞具有較好的效果。

圖3 箱體優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

圖4 優(yōu)化后1階振型圖

2 結(jié)論

（1）通過有限元模態(tài)分析，建立了可靠的履帶自走式旋耕機箱體有限元模型。

（2）對箱體進行了模態(tài)分析獲得其前階固有頻率和約束頻率，并與傳動箱內(nèi)齒輪嚙合頻率進行了對比。對結(jié)構(gòu)進行了一定的優(yōu)化，提高了其1階固有頻率，增強了箱體抵抗外界低頻振動激勵的能力。

（3）本研究把現(xiàn)代設(shè)計方法運用于農(nóng)機產(chǎn)品改進設(shè)計，可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，因而具有一定的推廣意義。

［1］楊君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述［J］.現(xiàn)代制造工程，2006，（8）：139-141.

［2］龍晶.化工管線振動有限元分析與減振措施［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2008.

［3］李慶齡.5-UPS/PRPU并聯(lián)機床的動態(tài)特性分析［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2006.

Simulation Analysis and Optim ization of Gearbox for Self-propelled Rotary Tiller

ZHOU Qian
（College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

According to the traditionalexperimentaldesigningmethod，the stressdistribution and the dynamic characteristic of self-propellde rotary tiller isnotverywell.In this paper，the finite elementmodel isbuiltby the finite elementanalysismethod.The gearboxofself-propelled rotary tiller1GZ-180 isimproved，and improves theabilityofgearbox to resist low-frequency vibration.

self-propelled rotary tiller；gearbox；the finiteelementanalysismethod

S222.3

A

2095-980X（2017）05-0079-02

2017-04-25

周謙（1986-），男，湖南長沙人。