飼喂車攪龍的有限元分析

季鏵　石榮玲

摘 要：針對(duì)目前人工飼喂方式效率低、混合飼料質(zhì)量低等情況，本文設(shè)計(jì)了一種飼喂車，重點(diǎn)對(duì)攪拌系統(tǒng)中的攪龍進(jìn)行研究：運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，并對(duì)攪龍進(jìn)行模態(tài)分析，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件模塊，對(duì)導(dǎo)入攪龍進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。

關(guān)鍵詞：飼喂車;攪龍;模態(tài)分析;有限元

中圖分類號(hào)：S817.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0055-03

TMR飼喂技術(shù)，一方面有利于提升攪拌飼料的效果質(zhì)量;另一方面，也有利于提升生產(chǎn)效率，同時(shí)釋放勞動(dòng)力，有效解決人力運(yùn)輸飼料和喂料的問題。面對(duì)目前機(jī)械化養(yǎng)殖的趨勢(shì)，加強(qiáng)飼喂裝備的研究顯得尤為迫切。特別是對(duì)攪拌系統(tǒng)的研究?jī)?yōu)化，對(duì)飼喂機(jī)械的發(fā)展至關(guān)重要[1]。

1 系統(tǒng)建模分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)及原理

圖1是自走式精確飼喂車的總體布局，主要由底盤車架和上帶的攪拌系統(tǒng)組成。其中，攪拌系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)依靠動(dòng)力箱。

飼喂車的后車廂即是臥式TMR攪拌系統(tǒng)機(jī)械裝備?；炝舷渖吓溆猩w板，可以預(yù)防雨天或其他情況下對(duì)草料的污染。打開混料箱蓋板，通過輸送裝備，從箱體上部將待攪拌的料草裝入箱體內(nèi)，完成裝料步驟。運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，使主副攪龍按照一定的規(guī)則循環(huán)旋轉(zhuǎn)，對(duì)料草進(jìn)行攪拌。期間攪龍和料草箱內(nèi)壁上所安裝的動(dòng)定鋸齒刀片，也通過相互配合來切割、粉碎料草[2]。料草在被攪拌的同時(shí)，又由于螺旋葉片的擠壓，在料槽箱內(nèi)定向移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到后部時(shí)，原攪龍上的螺旋葉片終止，銜接三塊薄板，變成葉輪狀。該方式方便出料，并且豐富了攪拌的形式[3]。攪拌系統(tǒng)模型如圖2所示。

1.2 攪龍的有限元分析

1.2.1 Simulation模態(tài)分析。選擇SolidWorks中Simulation插件，建立新的算例，選擇頻率模塊。①選擇結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì);②對(duì)攪龍施加夾具;③劃分的網(wǎng)格如圖3所示;④計(jì)算算例。

對(duì)攪龍進(jìn)行低階固有頻率的分析。

由于只關(guān)注臥式攪龍的低階模態(tài)與振型，所以導(dǎo)出前五階的模態(tài)數(shù)據(jù)與振型，數(shù)據(jù)如表1。

分析前五階振型圖（見圖4至圖8）。

①?gòu)臄?shù)據(jù)上看，一階固有頻率（見圖4）發(fā)生的振動(dòng)很弱，幾乎探測(cè)不到，實(shí)際攪龍工作時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不約束此自由度?？梢姡~片的振動(dòng)影響主要出現(xiàn)在邊緣部分，因此發(fā)生的形變也在此處最大[4]。

②二、三兩階的振型圖（見圖5和圖6）情況相似，數(shù)據(jù)也較為接近，螺旋葉片與葉輪都受到振動(dòng)的影響，且集中在葉輪上，葉輪處形變最大。

③三、四兩階的振型圖（見圖7和圖8）情況相似，攪龍螺旋葉片段中部，葉輪后部都有共振，并且形變最大處也在這兩個(gè)部位。

模態(tài)分析后的結(jié)果可知：飼喂車在運(yùn)行過程中，來自各個(gè)激勵(lì)源的激勵(lì)有顛簸路面（小于3Hz）、發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)（31～38Hz）和電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)（50Hz）。因此，飼喂車在低階的共振頻率應(yīng)為3～31Hz或者大于50Hz。所以符合要求。

上述振型圖表明：攪龍的螺旋葉片，各個(gè)位置的剛度并不總是一致的，當(dāng)攪龍的螺旋葉片受到料草的各種力作用時(shí)，容易引發(fā)共振。為盡量避免共振損害，可以從以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化：①適當(dāng)加厚容易發(fā)生振動(dòng)處;②對(duì)螺旋葉片的型面進(jìn)行適當(dāng)修整。

1.2.2 ANSYS靜力學(xué)分析。將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，對(duì)攪龍的力學(xué)特性及變形進(jìn)行分析。其中，適當(dāng)?shù)貙?duì)所建模型進(jìn)行精簡(jiǎn)，忽略定位銷孔、倒角等。導(dǎo)入軟件后，進(jìn)入網(wǎng)格劃分，選用tet10單元四面體的劃分方式，設(shè)定關(guān)聯(lián)度為60，單元尺寸定為3×10-3m，如圖9所示，得到大約28 316個(gè)網(wǎng)格單元。

然后，給模型施加約束和載荷。

①料箱后部處受葉輪作用，飼料出現(xiàn)堆積擠壓，將此處壓力設(shè)置為60N，豎直向下。

②在飼料的攪拌混合過程中，飼料和螺旋葉片之間會(huì)有復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系，在此用摩擦力和壓力簡(jiǎn)化：設(shè)置摩擦為0.4N，表面壓力為50N。

③螺旋軸承受傳動(dòng)扭矩，設(shè)置為9N?m，方向?yàn)槁菪S轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

④對(duì)攪龍螺旋軸內(nèi)表面施加約束（Frictonless Support），以模擬球軸承低摩擦的特性。

⑤對(duì)攪龍的葉片表面添加固液界面特性（Fluid Solid Interface），模擬原料在攪拌時(shí)的流體特性。

應(yīng)力和形變結(jié)果分析如下。

攪龍的材質(zhì)選用普通結(jié)構(gòu)鋼，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，楊氏模量3.1×1011Pa，通過建立有限元求解[5]，得到的總形變和等效應(yīng)力見圖10和圖11。

從圖10可以看出，最大形變出現(xiàn)在攪龍葉片和葉輪的最外圍，并且離軸越遠(yuǎn)，形變?cè)酱蟆＿@符合在攪拌過程中，由于重力作用，飼料總是從下方蠕動(dòng)推進(jìn)，在攪龍葉片和料箱之間形成堆積，此處是對(duì)料草進(jìn)行切割的地方。

從圖10可以得出，攪龍的首尾為兩個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，此處不但承載了軸肩傳遞的轉(zhuǎn)矩，也是飼料被料箱壁和攪龍擠壓的地方，容易形成應(yīng)力集中。

實(shí)際上，攪龍會(huì)安裝有動(dòng)定刀片，從一定方面也減輕了攪龍葉片形變和應(yīng)力的作用。所以，合理布局動(dòng)定刀片，適當(dāng)提升易變形部位的厚度，可以有效優(yōu)化攪龍的受力，減少形變。

2 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)飼喂車攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行說明，并對(duì)關(guān)鍵部件、攪龍進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過求解，得出攪龍的五階固有頻率。通過數(shù)據(jù)比對(duì)可知，此攪龍?jiān)O(shè)計(jì)能避免日常工況下因各種激勵(lì)而產(chǎn)生的共振損害。借助ANSYS Workbench對(duì)攪龍進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出形變與應(yīng)力云圖，找出攪龍首尾部為應(yīng)力集中點(diǎn)并給予優(yōu)化建議，進(jìn)一步確保了設(shè)計(jì)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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