棗園修剪機(jī)連接座的設(shè)計(jì)及有限元分析

劉玉冬，潘俊兵，陳亞婭，張志元，付 威

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

0 引言

紅棗作為新疆特色經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)提高當(dāng)?shù)鼐用袷杖?、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有有重要意義[1-3]。作為新疆的綠色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，近年新疆紅棗種植面積不斷增大，棗園多為規(guī)?；N植，從施肥、打藥到采收已逐步采用機(jī)械化作業(yè)[4-5]。目前，棗園修剪作業(yè)主要以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，亟待研制修剪機(jī)具替代人工修剪作業(yè)。因此，本文設(shè)計(jì)一種棗園修剪機(jī)械，解決人工修剪問(wèn)題。修剪機(jī)連接座是整機(jī)關(guān)鍵部件之一，是修剪工作平臺(tái)與拖拉機(jī)的連接部件，承受修剪整機(jī)質(zhì)量和工作時(shí)的沖擊載荷，連接座設(shè)計(jì)能否滿足工作要求，是該修剪機(jī)可靠工作的關(guān)鍵。修剪機(jī)連接座的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過(guò)全面的分析，進(jìn)行再加工使用。有限元設(shè)計(jì)可以有效提高分析的精度與可靠性，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用[6-13]。

為驗(yàn)證修剪機(jī)連接座設(shè)計(jì)的合理性，在SolidWorks軟件環(huán)境下建立修剪機(jī)連接座的三維模型，并在Ansys Workbench下對(duì)連接座進(jìn)行了應(yīng)力及模態(tài)仿真，分析修剪機(jī)連接座設(shè)計(jì)的合理性。

1 修剪機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 修剪機(jī)工作原理

棗園修剪機(jī)由側(cè)部修剪裝置、頂部修剪裝置、修剪機(jī)架、調(diào)整機(jī)架、連接座、液壓油箱及配套拖拉機(jī)等組成，如圖1所示。工作時(shí)，調(diào)整機(jī)架呈一定傾角，修剪機(jī)架采用龍門(mén)式，在拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)下一次完成整行棗樹(shù)頂部與側(cè)部的整形修剪作業(yè)。連接座作為重要的工作部件，一端同拖拉機(jī)前部連接，另一端同機(jī)架連接，承載了整個(gè)修剪裝置的質(zhì)量。

1.側(cè)部修剪裝置 2.頂部修剪裝置 3.修剪機(jī)架 4.調(diào)整機(jī)架 5.連接座 6.拖拉機(jī) 7.液壓油箱圖1 修剪機(jī)三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 連接座主要結(jié)構(gòu)及模型的建立

紅棗修剪機(jī)連接座主要采用Q235普通鋼板，由左右側(cè)板、前連接板、內(nèi)筋板、機(jī)體連接板、左右側(cè)連接板等焊接組成，如圖2所示，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中，連接座通過(guò)機(jī)體連接板和左右側(cè)連接板用螺栓與拖拉機(jī)前懸掛架部分連接，前連接板與修剪機(jī)機(jī)架通過(guò)螺栓連接。

表1 連接座相關(guān)參數(shù)

1.前連接板 2.加強(qiáng)筋 3.側(cè)板 4.內(nèi)筋板 5.機(jī)體連接板 6.側(cè)連接板圖2 連接座三維模型圖

2 連接座結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 修剪機(jī)連接座的受力分析

當(dāng)修剪機(jī)在最大修剪工作位置時(shí)，修剪機(jī)連接座受力最大，故在此狀態(tài)下對(duì)連接座進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

由受力平衡可得

Ft——Fm切向分力；

β——Fm與豎直方向的夾角，β=55°；

loe——修剪裝置重心到連接座擺動(dòng)中心最大距離，loe=2.5m；

G——連接座的質(zhì)量，G=500N；

Fa、Fb、Fc、Fd——Fm在連接座的各螺孔處的豎直方向上的分力，且Fa+Fb+Fc+Fd=Fm；

Ma、Mb、Mc、Md——Fm在前連接座各螺栓孔處產(chǎn)生的扭矩，且Ma+Mb+Mc+Md=Ft·loe；

M——連接座受到的扭矩；

Fg、Fh、Fk——左側(cè)連接板機(jī)、機(jī)體連接板、右側(cè)連接板在各螺紋孔處受到的合力。

代入數(shù)據(jù)可得知，棗園修剪機(jī)連接座的設(shè)計(jì)符合理論要求。

2.2 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

將SolidWorks中的連接座模型導(dǎo)入Ansys Workbench之中[14-15]，為了便于分析，對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化：連接座材料被看作各向同性材料，忽略焊縫對(duì)各連接座的影響。左右兩側(cè)側(cè)連接板與側(cè)板是通過(guò)8個(gè)M12的螺栓緊固的，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[16]得知：M12螺栓的預(yù)緊力為12 000N，Q235鋼板之間的摩擦因數(shù)為0.15。設(shè)兩個(gè)側(cè)板受到的摩擦力為Ff，則

Ff=u×8×FN=14 400N

由此可見(jiàn)，F(xiàn)f要遠(yuǎn)大于修剪機(jī)身的重量Fm，故將連接座看成一個(gè)完整的整體。定義材料屬性，連接座是由鋼板加工而成，具體材料屬性如表2所示。

表2 連接座材料屬性參數(shù)

圖3 連接座受力簡(jiǎn)圖

對(duì)修剪機(jī)連接座進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于連接座結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，為了提高分析效率，所以利用Workbench中自動(dòng)網(wǎng)格生成功能進(jìn)行劃分，共劃分17 186個(gè)網(wǎng)格、30 986個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 施加約束與求解分析

按照連接座的受力分析，對(duì)連接座施加載荷，并分別求解連接座的整體形變?cè)茍D(見(jiàn)圖4)、應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖5)。

圖4 整體形變圖

圖5 應(yīng)力圖

通過(guò)圖4可以看出：修剪機(jī)在最大修剪工作位置時(shí)，其最大形變?yōu)?.620 3mm，發(fā)生在前連接板坐下部的螺孔附近。由于受到機(jī)架對(duì)螺孔的豎直壓力及逆時(shí)針?lè)较虻呐ぞ?，距離受力位置最遠(yuǎn)，所以此處發(fā)生形變位移最大。

通過(guò)圖5可以看出：修剪機(jī)連接座在側(cè)連接板靠近前連接板折彎處的等效應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為224.51MPa。

對(duì)連接座進(jìn)行強(qiáng)度校核，取安全系數(shù)為1，則

式中 [σ]——許用應(yīng)力(MPa)；

σmax——最大應(yīng)力(MPa)；

σs——材料屈服極限(MPa)。

上式表明：連接座最大應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。考慮到此工作狀態(tài)為修剪機(jī)的最大修剪工作狀態(tài)，棗園修剪作業(yè)時(shí)，連接座受到的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于此，所以此連接座完全滿足安全要求。通過(guò)圖5可以看出：側(cè)板在折彎處受力較集中且較大。為了安全，可以在此處加加強(qiáng)筋或者修改加強(qiáng)筋；考慮到方便加工，可以加厚加長(zhǎng)加強(qiáng)筋。

3 連接座模態(tài)分析

棗園修剪機(jī)為田間作業(yè)機(jī)械，工作環(huán)境復(fù)雜，振動(dòng)激勵(lì)較多，為此對(duì)連接座進(jìn)行了模態(tài)分析[15-16]。

本文獲得了連接座6階固有頻率，結(jié)果如表3所示。由表3可知：5、6階固有頻率在600Hz以上。由于5階和6階頻率較高，因此只研究1～4階連接座固有頻率。連接座的1階振模態(tài)振型圖如圖6所示。

表3 連接座的固有頻率和主振型

圖6 1階模態(tài)振型Fig.6 First-order mode of sprayer,s frame

圖6中，最大偏移量為10.314mm，其主要發(fā)生在前連接板下部。2階模態(tài)振型圖為如圖7所示。圖7中，最大偏移量為17.957mm，主要發(fā)生在前連接板的下側(cè)的兩螺孔處。3階模態(tài)振型如圖8所示。圖8中，最大偏移量為13.81mm，主要發(fā)生在內(nèi)筋板中間處和左側(cè)板折彎處。4階模態(tài)振型如圖9所示。圖9中，最大偏移量為10.74mm，主要發(fā)生在前連接板的下側(cè)的兩螺孔處和左側(cè)板折彎處。

通過(guò)表2前6階主振型可以看出：連接座內(nèi)筋板與左右兩側(cè)板在共振時(shí)受影響最大。通過(guò)圖6～圖9可以看出：在連接座發(fā)生共振時(shí)，機(jī)體的振動(dòng)位移要遠(yuǎn)大于靜止時(shí)連接座的連接座的整體形變，因此修剪機(jī)工作時(shí)必須保證連接座不發(fā)生共振。為防止共振發(fā)生，可對(duì)前內(nèi)筋板、左右側(cè)板的折彎處等發(fā)生共振較大位置進(jìn)行加固處理。

圖7 2階模態(tài)振型Fig.7 Second-order mode of sprayer,s frame

圖8 3階模態(tài)振型

圖9 4階模態(tài)振型

為確定連接座是否發(fā)生共振，對(duì)其受到的激勵(lì)進(jìn)行了分析。

1)修剪機(jī)行走時(shí)，地面起伏不平造引起的固與路面激振頻率有著密切的關(guān)系，通過(guò)公式[9]得

(5)

其中，u為修剪機(jī)前進(jìn)速度，工作時(shí)u≈20km/h，運(yùn)輸狀態(tài)下u≤50Km/h；λ為路面不平波長(zhǎng)，工作時(shí)λ≈0.35m，運(yùn)輸狀態(tài)下λ≈0.1m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，工作時(shí)與運(yùn)輸狀態(tài)下路面產(chǎn)生的激振頻率分別為15.87Hz和138Hz。

2)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為1 000～2 400r/min，振動(dòng)頻率為25～40Hz左右；

3)修剪裝置正常工作時(shí)轉(zhuǎn)速約為1 500～2 000r/min，振動(dòng)頻率約為25～34Hz。

同連接座固有頻率對(duì)比分析可知：連接座的一階固有頻率為152.28Hz，高于地面、發(fā)動(dòng)機(jī)、修剪裝置的激振頻率。所以，連接座不會(huì)發(fā)生共振。

4 測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)前面對(duì)連接座的應(yīng)力以及模態(tài)分析結(jié)果可知：修剪機(jī)連接座的設(shè)計(jì)是符合工作要求的。按要求對(duì)連接座進(jìn)行加工并完成修剪機(jī)的安裝，如圖10所示。對(duì)連接座施加4 000N的外力，經(jīng)測(cè)試，連接座的設(shè)計(jì)完全滿足修剪機(jī)的各項(xiàng)要求。

圖10 實(shí)物照片

5 結(jié)論

1)對(duì)修剪機(jī)連接座進(jìn)行了受力分析，并在SolidWorks軟件環(huán)境下建立三維模型，通過(guò)Ansys軟件對(duì)連接座的進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到了整體形變?cè)茍D和應(yīng)力云圖。在最大工作位置時(shí)，連接座的最大應(yīng)力為224.51MPa，最大形變?yōu)?.620 3mm。分析表明，連接座的強(qiáng)度滿足工作要求。

2)對(duì)連接座進(jìn)行模態(tài)分析，獲得連接座的6階固有頻率，并對(duì)前4階固有頻率云圖進(jìn)以及連接座所受到外界激勵(lì)進(jìn)行了分析。由于1階固有頻率為152.28Hz，遠(yuǎn)大于外界激勵(lì),所以連接座不會(huì)發(fā)生共振，其設(shè)計(jì)滿足工作要求。