圆盘式果园开沟机刀盘作业模态分析

刘向晖，刘俊峰，李建平，王鹏飞

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071001)



圆盘式果园开沟机刀盘作业模态分析

刘向晖，刘俊峰，李建平，王鹏飞

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定071001)

摘要：以果园开沟机的开沟装置为研究对象，设计了开沟机的传动机构，使用SolidWorks进行各齿轮造型并根据实际传动比进行配合，此齿轮传动为减速传动。利用Inventor对开沟机进行三维造型，并对开沟装置进行模态分析。结果表明：弯曲变形是开沟机发生破坏的主要形式，开沟机工作转速符合模态分析的要求，不会与开沟机主体发生共振破坏；开沟装置设计合理，为进一步对开沟机进行优化设计提供了数据参考。

关键词：果树；开沟机；Solidworks；Inventor；模态分析

0引言

林果业是实现生态效益和经济效益并重的产业。其中，苹果的种植面积更是逐年递增，产量稳步增长。

果树施肥是一项必须的园艺作业工序，开沟作业是果园施肥的一项必备的环节。目前,我国对果园开沟作业几乎都是人工完成,劳动强度大、效率低；且随着劳动力成本的不断提高和青壮年劳力的短缺,对果树施肥开沟的机械化需求越来越强烈[1]。随着近年来园艺技术的发展，“三优园”采用新型果园的标准，即3m×1.5m行株距[2]，行间有1m左右的通道。我国对开沟机的研究开发起步晚，发展较慢，专门用于新型果园的开沟机很少。

开沟装置是开沟机的关键工作部件，其结构参数是否合理直接影响着机具的工作阻力和作业性能。为了获得开沟刀最佳结构参数，利用AIP软件 创建了开沟刀的三维参数化特征模型，并通过内嵌于AIP软件的模态分析应用模块对其进行三维结构振动模态分析，以确定机构的自振频率是否在外在振动频率范围内，避免机构因共振而损坏。

1开沟机的结构及工作原理

1.1基本结构

开沟机由机架、齿轮箱、悬挂装置、主轴及刀盘组成，如图1所示。施肥开沟机的基本参数：两个刀盘之间的距离为1m，刀盘由6组、共12把开沟刀组成，最大开沟深度为0.4m，沟宽为0.25m。

1.机架　2.齿轮箱　3.主轴　4.悬挂装置　5刀盘

1.2传动系统

传动系统的基本功能是通过发动机主轴联接万向节，万向节再联接传动系统，把拖拉机发动机提供的扭矩传递给开沟机构。

一般的机械传动方式包括带传动、链传动及齿轮传动。考虑到发动机传动轴与开沟机主轴相距较近，开沟作业开沟装置需要强大而稳定的扭矩，所以采用齿轮传动。使用Solidworks对各齿轮进行三维造型，并进行装配，如图2所示。

齿轮箱内各齿轮相互啮合，传递拖拉机发动机的扭矩到开沟机刀盘主轴。其传动原理如图3所示。

工作时，发动机输出轴通过万向节与开沟机输入轴联接输入动力，输入轴带动锥齿轮1，锥齿轮1带动锥齿轮2，直齿轮3带动直齿轮4，直齿轮4带动直齿轮5，直齿轮5带动直齿轮6，直齿轮6上的轴就是开沟机主动轴，输出扭矩。

齿轮传动的优点：①使用的圆周速度和功率范围广；②效率较高；③传动比稳定；④寿命长；⑤工作可靠性高；⑥可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间传动。

图2　 传动系统示意图

图3　传动原理示意图

1.3工作原理

开沟机工作时，开沟机的悬挂装置与拖拉机的后悬挂相连，拖拉机的动力由后输出轴经过万向节连接变速箱的输入轴传递；再通过变速箱，经过主轴传到刀盘，带动刀盘旋转。每个刀盘是由5组、共10把刀按顺序环形排列，开沟刀切削土壤，把土壤向刀盘两侧抛出，形成施肥沟。

2开沟装置模态分析

2.1刀盘的参数化特征模型

开沟部件结构简单，由刀盘和开沟刀组成。通过AIP软件建立开沟装置三维模型图。刀盘三维模型通过拉伸、螺纹孔、环形阵列完成。开沟刀三维模型通过拉伸、扫掠、弯折、圆角和螺纹孔完成，再根据装配关系把各部件装配到一起，如图4所示。

图4　开沟装置模型

2.2对刀盘的模态分析

模态分析是有限元分析的一种，有限元分析可利用数值计算的方法求得问题的近似数值解。随着计算机技术的发展，由于该法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速计算机所提供的方便，因此有限元法已被公认为工程分析的有效工具，受到普遍重视[3]。

模态分析是最基本的线性动力学分析，用于分析机构的自振频率特性，包括固有频率和振型及振型参与系数[4]。其中，模态分析基础是由数学模型来搭建完成的。

经典力学理论可知，物体动力学通用方程为

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

其中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵； [k]是刚度矩阵；[x]是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

无阻尼模态分析是经典的特征值问题，动力学问题的方程如下所示，即

[M]{x″}+[K]{x}={0}

结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数，表达式为

χ=χsin(ωτ)

带入上式得

([K]-ω2[M]){x}={0}

AIP提供了强大的分析功能，把三维模型导入Iventor的应力分析模块，进行模态分析。工作截图如图5所示。

图 5　AIP模态分析模块

对开沟装置进行材料设置，把刀盘设置成合金钢，把开沟刀设置成合金钢。对整个机构进行网格划分，使用软件提供的网格命令划分机构网格单元，计算机自动将敏感部位网格单元细化，在不影响计算精度的前提下减小电脑工作量，提高计算效率。软件自动划分网格的结果为30 735个节点及14 334个单元，划分的有限元网格模型如图 6 所示。

图6　有限元网格模型

对机构的振动特性分析，低阶自振频率对结构影响比较大，因此分析设置提取前6阶模态频率。

软件求解得到机构的固有频率之后，选择其前6阶分析模态，则每一个固有频率对应一个相应的振型云图。各阶振型云图如图 7～图 11所示。

图7　第1阶振型

图8　第2阶振型

图9第3阶振型

图10　第4阶振型

图11　第5阶振型

图12　第6阶振型

从分析结果来看：整个机构的自振频率范围为140.91～174.84Hz。随着分析阶次的增加，固有频率值也随着逐渐增大。开沟装置第1阶振型是部分开沟刀沿X轴弯曲变形，变形量很大，刀盘几乎没有变形；机构2阶振型是开沟刀沿Z轴弯曲变形和绕Y轴的扭转合成，部分开沟刀变形量比较大，刀盘几乎没有变形；机构3阶振型主要是开沟刀沿Y轴弯曲变形，下部分开沟刀容易沿Y轴方向弯曲变形，且变形量较大，刀盘几乎没有变形；机构4阶振型为部分开沟刀沿Y轴弯曲变形，刀盘几乎没有变形；机构5阶振型是开沟刀沿Z和Y轴方向产生位移，产生的变形与前4阶相比较不大，刀盘几乎不变形；机构6阶振型是开沟刀延X、Y、Z这3个方向都有位移，机构弯曲扭转变形加大，整个开沟装置将会发生很大的变形，并且机构破坏的几率进一步增加。

根据以上6阶的振型云图及振动理论可知：弯曲变形是开沟装置的主要变形形式。

根据频率与转速的公式

n=60f

其中，f表示频率(Hz)；n表示转速(r/min)。

开沟机刀盘的临界转速如表1所示。

表 1　开沟机临界转速

表1表明：1阶固有频率所对应的转速为8 454.6r/min，即开沟装置的临界转速；而开沟装置的工作转速约为280r/min，1阶临界转速高于工作转速的96.69%。所以，该开沟装置的工作转速是安全的，不会有共振现象发生。

3结 论

通过对开沟机关键结构开沟装置的模态分析，确认了开沟机工作转速符合模态分析的要求，不会与开沟机主体发生共振破坏。同时，通过对开沟机开沟装置的模态分析可知：弯曲变形是开沟机发生破坏的主要形式，为进一步对开沟机进行优化设计提供了数据参考。

参考文献：

[1]康志军,吕建强.果园机械化施肥技术探讨[J].科技创新导报,2013(32):30-31.

[2]马宝焜,徐继忠,孙建设.关于我国苹果矮砧密植的思考[J].果树学报,2010,27(1):105-109.

[3]英维通．Autodesk Inventor 2014快速入门进阶与精通[M]．北京：电子工业出版社，2015．

[4]陈艳霞．ANSYS Workbench工程应用案例精通[M]．北京：电子工业出版社，2012．

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0102-EA

The Modal Analysis of Fruit Tree Ditcher Knife Plate of Disc Type

Liu Xianghui, Liu Junfeng, Li Jianping, Wang Pengfei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

Abstract：I have designed the ditcher transmission mechanism taking orchard ditching machine as the research object. The gear transmission is reduction drive using SolidWorks to make shape of the gear, according to the actual transmission ratio to cooperate. The three dimensional parameterized model of the groove machine is created by using Inventor .The study conclusion show that the main form of damage to the ditcher occurred is the bending deformation; Ditcher work speed is in line with the requirements of the modal analysis; Resonance destruction Will not happen with ditcher subject. This suggests that the struction of ditcher is reasonable in design,it provides certain data support for optimization design of ditcher in future.

Key words：fruit tree; ditcher; solidworks; inventor; modal analysis

文章编号：1003-188X(2016)06-0102-04

中图分类号：S222.5+2

文献标识码：A

作者简介：刘向辉(1989-)，男，河北保定人，硕士研究生，(E-mail)1873126620@163.com。通讯作者：刘俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.cdu.cn。

基金项目：国家苹果产业技术体系项目(CARS-28)；国家公益性行业(农业)科研专项(201203016)

收稿日期：2015-05-08