電動四輪割草機核心部件預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

李文飛

摘? ?要：電動四輪割草機是園林綠化機械中應(yīng)用最廣泛的一種，本文以我司LM51電動四輪割草機為例進(jìn)行研究，運用計算機模擬仿真技術(shù)對其核心部件切割刀片進(jìn)行模態(tài)分析研究。分析結(jié)果顯示： 切割刀片的振動大多來源于刀片的邊緣，且切割刀片外端邊緣最容易產(chǎn)生振動彎曲破壞，該電動四輪割草機切割刀片最高工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其1 階臨界轉(zhuǎn)速，有效地避免了共振的發(fā)生，驗證了切割刀片設(shè)計的合理性。該分析方法，在電動四輪割草機設(shè)計周期、設(shè)計質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性方面顯現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：LM51電動四輪割草機? 核心部件? 模態(tài)分析

中圖分類號：S817? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0106-03

近些年來，隨著國家對城市綠化工作的重視，草坪綠地業(yè)隨之迅猛發(fā)展起來，我國的園林機械制造業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，而電動割草機作為園林機械的一種，其產(chǎn)業(yè)由小到大，迅速發(fā)展，現(xiàn)已成為一個產(chǎn)品門類齊全、市場需求十分旺盛的產(chǎn)業(yè)。但是，我國電動割草機產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)相對比較薄弱，與很多發(fā)達(dá)的國家相比，還有一定的差距。為了加速提高我國電動割草機產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力、加強電動割草機研發(fā)的產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

1? 電動四輪割草機簡介

電動四輪割草機作為園林綠化機械的一種，主要用于城市街心花園、街道綠化帶以及家庭庭院等綠地的修剪、整理等工作，是園林機械中應(yīng)用最廣泛的一種。本文以我司LM51電動四輪割草機為例進(jìn)行研究，該電動四輪割草機主要由支撐部件、調(diào)高機構(gòu)、割草動力總成、行走總成、控制機構(gòu)及集草箱等六大部分組成。電動四輪割草機外形如圖1所示。

而割草機中的割草動力部件主要由割草電機、支座、傳動軸、帶輪、剎車機構(gòu)和切割刀片等組成。割草電機安裝在機體的上方，切割刀片通過傳動軸安裝在機體內(nèi)，割草裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中，切割刀片為電動四輪割草機核心部件之一。對切割裝置中的關(guān)鍵部件切割刀片的優(yōu)化分析，提高電動四輪割草機結(jié)構(gòu)的可靠性顯得尤為重要。切割刀片一般采用優(yōu)質(zhì)合金工具鋼制造，以保證其具有較高的鋒刃度和耐磨強度，同時，刀片應(yīng)有工作狀態(tài)時合理的動態(tài)特性，以達(dá)到對振動與噪音的控制。割草時馬達(dá)一直將周期變化的力作用在切割刀片上，使其處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而使得刀片振動產(chǎn)生激振力。當(dāng)其變化頻率與刀片固有的自振頻率相等或者成整數(shù)倍時，刀片就會產(chǎn)生共振。當(dāng)共振發(fā)生時，切割刀片的振幅將會急劇增加，從而使得切割刀片最終因疲勞而斷裂、破壞。由于切割刀片在工作時會產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，此時由于離心力而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力的作用下，其自振頻率將會增加。因此需要分析切割刀片在某一轉(zhuǎn)速下的模態(tài)，即預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

2? 電動四輪割草機切割刀片三維模型的建立

在PRO/E 軟件中建立電動四輪割草機切割刀片的實體模型，然后將其另存為stp 格式。將已建好的切割刀片的三維模型導(dǎo)入分析軟件ANSYS Workbench 中。通過建立尺寸驅(qū)動關(guān)系，方便有限元分析模型后續(xù)的改進(jìn)優(yōu)化。建好的切割刀片三維模型如圖3所示。

3? 電動四輪割草機切割刀片有限元模型的建立

電動四輪割草機切割刀片在實際割草過程中不僅起到切割的作用，還具有甩草的功能，同時又起到離心風(fēng)扇的功能，可以給電動四輪割草機機殼內(nèi)的馬達(dá)散熱。本文中的預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析需要在一定的假設(shè)條件下求解，其假設(shè)條件主要有：

（1）切割刀片是線彈性材料;

（2）分析時不考慮溫度影響;

（3）切割刀片滿足小變形理論;

（4）切割刀片處于自由振動。

將已經(jīng)建好的切割刀片三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench分析軟件后，進(jìn)入模態(tài)分析Model 模塊。如圖4所示。

在Toolbox中選擇Pre-stress modal，刀片的材料為40Mn，密度為7.8×10-6kg/mm?，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28;在Model環(huán)境中生成刀片網(wǎng)格。采用自動網(wǎng)格劃分法，劃分過程共產(chǎn)生有110040個節(jié)點，61521個單元。網(wǎng)格劃分后的刀片模型如圖5所示。電動四輪割草機整機的工作轉(zhuǎn)速一般是3600 r/min，因此，以此轉(zhuǎn)速作為分析預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速。施加慣性載荷，輸入角速度276.8 rad/s ，設(shè)定想要的結(jié)果：刀片的等效應(yīng)力（Equivalent Stress）與總體變形（Total Deformation）如圖5。

4? 電動四輪割草機切割刀片有限元模態(tài)結(jié)果分析

模態(tài)分析結(jié)果中顯示切割刀片在工作狀態(tài)下刀片應(yīng)力最大值是92MPa，遠(yuǎn)低于40Mn材質(zhì)的屈服強度，因此切割刀片材質(zhì)的選擇符合該產(chǎn)品的工況要求。

刀片受到軸振動的激勵頻率公式為：

f=n/60? ?式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min;f為頻率，Hz;

刀片激勵頻率f=3600/60; f=60Hz

由上式可得避開了刀片各階自振頻率，有效防止共振的發(fā)生。根據(jù)分析的結(jié)果，前6 階固有頻率和振動特性見圖7所示，相應(yīng)的振型如圖8所示。由振型云圖可以看出，刀片的振動主要發(fā)生在刀片的邊緣附近。割草機工作時，動力通過馬達(dá)軸帶動刀片旋轉(zhuǎn)，振動隨著刀片外部方向逐漸增強，使刀片邊緣容易發(fā)生彎曲破壞。在模態(tài)分析結(jié)果中，1階與2階頻率是刀片振動過程中能量的主要集中處。根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系，可以得出刀片前6階的臨界轉(zhuǎn)速，見表1。

由表1可知，1階模態(tài)頻率所對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為6780.6r /min，即為刀片的1階臨界轉(zhuǎn)速。電動四輪割草機的刀片最高轉(zhuǎn)速為3600r/min，低于其臨界共振旋轉(zhuǎn)速度范圍。由此可知，刀片正常工作狀態(tài)下不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

5? 結(jié)語

本文在對割草機的核心部件切割刀片進(jìn)行分析研究中運用了計算機模擬仿真技術(shù)，經(jīng)過分析可知，切割刀片的振動大多來源于刀片的邊緣，且切割刀片外端邊緣最容易產(chǎn)生振動彎曲破壞，該分析的方法，將在電動四輪割草機設(shè)計質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性方面顯現(xiàn)優(yōu)勢，研究的成果適合目前電動割草機生產(chǎn)企業(yè)的當(dāng)前的技術(shù)需求，對相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提升產(chǎn)生積極的影響。

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