宽幅播种机折叠机架的模态分析

李海亮，汪 春，胡 军，孙海天，严晓丽，梁 琦

(黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319)



宽幅播种机折叠机架的模态分析

李海亮，汪 春，胡 军，孙海天，严晓丽，梁 琦

(黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319)

为了得到宽幅播种机折叠机架的振动特性，验证机架的设计是否合理，以自主研发的2BMZ-13型气吸式免耕精量播种机折叠机架为研究对象，进行了模态振动分析。采用三维建模软件Pro/E和有限元仿真分析软件ANSYS Workbench建立机架的有限元模型，通过模态分析模块得出机架前6阶振型的固有频率、振动方向和极值等振动特性，输出各阶的振形图，并将仿真分析结果与外激频率进行对比。研究结果表明：折叠机架结构设计合理，机架固有频率没有发生重叠且避开了外激频率，避免了共振现象的发生。本研究对提高播种机的播种精度、延长播种机的使用寿命具有重要意义。

播种机；宽幅折叠机架；模态分析；有限元

0 引言

播种机作业环境复杂，在工作和运输的过程中常伴有不规则的振动和摆动，如果外部激励频率与播种机机架某阶固有频率重合，则会引起机架发生共振，导致整机使用寿命缩短、工作稳定性降低及工作精度下降等不良现象[1-2]。黑龙江八一农垦大学自主研制的2BMZ-13型精密播种机可以挂接13个播种单体，其较大的幅宽在提高工作效率的同时也增加了共振现象发生的可能。因此，为了验证机架设计的合理性，保证该型号播种机具有较强的动态特性和适应性，需要对播种机折叠机架进行模态分析。

有限元分析法进行模态分析可以有效提高分析的精度和可靠性，在农用机架模态分析的过程中得到了广泛的应用。李耀明对联合收获机割台机架进行了模态分析和优化设计，为降低联合收获机割台振动提供了设计依据[3]。徐良和王艳晓对玉米播种机机架进行了模态分析，研究结果为进一步的减振设计提供了参考[4]。陈树人通过ANSYS软件对喷雾机机架进行了模态分析，从而得出避免机架发生共振的方案[5]。王艳晓对山地小型玉米播种机机架进行了模态分析，分析结果对提高播种机工作的稳定性和播种均匀性具有重要意义[6]。刘选伟对深松机机架进行了模态分析，分析结果为机架的改进提供了依据[7]。以上研究在机架模态分析方向上取得了一定的进展，但都是针对固定式机架，没有对折叠机架的模态分析进行过研究。

本研究以2BMZ-13型气吸式免耕精量播种机折叠机架为研究对象，采用三维建模软件Pro/E对其进行参数化建模，通过ANSYS Workbench进行模态分析，将分析结果与工作激振和路面激振进行对比，验证机架设计的合理性。分析机架的动态特性对避免共振现象的发生、提高播种机的工作精度、延长设备的使用寿命具有重要的意义。

1 建立机架有限元模型

1.1 三维模型的建立

折叠机架沿播种机前进方向长为2 509mm，宽为8 800mm，主要由主机架、副机架、液压固定支架、四杆固定支架、液压油缸和其他辅助构件组成，如图1所示。折叠机架由矩形方管钢材、圆管钢材进行焊接和铰接而成。

本文采用三维建模软件Pro/E对机架进行参数化建模和装配仿真。设定折叠机架的材料为 Q235 结构钢(密度为7.81×103kg/m3，泊松比为0.30，弹性模量为2.1×105MPa)。建模过程中，为了提高模态分析的运行速度和计算精度，在不影响整体结构和最终分析结果的前提下，忽略焊接对机架特性的影响及部分小的倒角、装饰件、工艺孔[8-9]，最终建立的折叠机架三维模型如图2所示。

1.副机架 2.平行四杆机构 3.液压油缸 4.油缸固定架 5.四杆固定架 6.主机架图1 折叠机架总体结构图Fig.1 The overall structure of folding frame

1.液压固定支架 2.四杆固定架 3.主机架 4.液压油缸 5.四杆 6.副机架图2 折叠机架总体装配图Fig.2 General assembly drawing of folding frame

1.2 有限元模型的建立

有限元法的基础是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体[10]，因此在进行模态分析前应将有限元模型划分为有限个单元组成的离散体，通过划分网格可以实现这一目的。本文采用shell63单元划分模型的网格，网格形状为四边形。定义机架网格尺寸为50mm，为了提高有限元分析结果的精度，设定销钉等应力集中位置的网格尺寸为10mm。经网格划分，将模型划分为390 935个单元和614 641个节点。机架

的有限元模型如图3所示。

合理的定义装配和约束关系直接关系着有限元分析结果的准确性。按照实物中各部件间的装配关系，对机架模型添加约束。为了固定折叠机架，约束主机架的全部自由度且防止油缸在X轴方向上产生位移，通过Displacement工具约束油缸UX方向上的平动自由度[11]。

播种机机架采用三点悬挂式挂接方式，主体为承载式矩形框架结构，机架承受的载荷主要包括机架自重MJ、播种单体自重MD和播种机满载情况下种肥的质量MZ。通过在软件中对机架添加质量和重力加速度，可以得到机架自重和播种单体自重之和MJ+MD=6 126.9N。通过对三维模型的测量可知：播种机种箱和肥箱的容积分别为0.017m3和0.320m3；查阅文献可知[12]：化肥的堆密度为900kg/m3，玉米种子的容重为663kg/m3。通过质量密度公式计算可得：播种机满载情况下种肥的质量MZ=3 153.7N。

由此可知：副机架所受载荷M=MJ+MD+MZ=9 280.6N，作用在副机架的重心上，在ANSYS Workbench中得到重心坐标为(-1.1,0.33,-3.19)。为了增强仿真分析的可靠性，在机架上施加大小为10 000N、方向竖直向下的远端载荷，如图4所示。

图3 折叠机架的网格划分Fig.3 The dividing mesh of folding frame

图4 对折叠机架添加远程载荷Fig.4 Add remote load for folding form

2 模态分析

2.1 模态计算分析

模态分析用于确定系统的振动特性，结构的振动可表示为阶固有振型的线性组合，低阶振型对结构的动力影响程度比高阶振型大[13]，因此在Modal模块下采用Lanczons方法只对机架前6阶固有频率进行分析，得出折叠机架前6阶频率变化相对应的振型图，如图5所示。通过对振型图的分析，得出折叠机架各阶模态的固有频率、方向、极值和振型等振动特性，如表1所示。

图5 机架数值模态分析振型图Fig.5 Mode shapes from numerical modal analysis表1 机架前6阶模态分析结果 Tab1le The front 6 order analysis results of the frame

模态频率/Hz模态主方向最小值位置最大值位置主阵型特征15.4426X轴平动模态主机架副机架副机架在Y轴方向弯曲28.0822Z轴平动模态主机架副机架副机架在X轴方向弯曲316.8660Y轴平动模态主机架副机架副机架在Y轴方向扭转422.4850X轴转角模态主机架四杆折叠机构副机架在X轴方向扭转530.2330Y轴转角模态主机架四杆折叠机构副机架在Z轴方向扭转641.9460Z轴转角模态主机架四杆固定支架四杆固定支架在Y轴方向

2.2 结果分析

由机架模态分析的结果可知：机架前6阶模态频率范围分布在5.4～41.9Hz之间，随阶数的增加呈现递增的趋势，并且各模态频率之间存在较大差距，避免了共振叠加的可能。

播种机机架主要承受的外部激励分为工作激振和路面激振两种，通过查阅相关的参考文献可知，播种机工作激振频率一般在6～7Hz[14]。对比机架前6阶模态分析结果，机架工作的激振频率与机架的固有频率没有重叠，因此并不会引起共振。

播种机在行驶的过程中的路面激振主要由路面不平度引起，在田间相对较好的路面上行驶时，激振频率一般低于3Hz[15-16]。在路面情况负载的状态下行驶时，路面激振频率与路面不平度及车速密切相关，可以通过时间频率公式(1)进行计算，计算结果为F=26.4Hz，避开了机架的固有频率。

F=V/(3.6λ)

(1)

式中v—车速，v=30km/h；

λ—路面不平波长，λ=0.32m。

由此可知：在有外界干扰的情况下，机架的固有频率避开了播种机工作激振频率和路面最高激励频率，避免了播种机在工作和运输的过程中发生共振叠加。

3 结论

在分析2BMZ-13型气吸式免耕精量播种机机架结构和特点的基础上，采用三维建模软件Pro/E建立机架的三维模型。在ANSYS Workbench中进行模态分析，确定了机架前6阶模态的固有频率和振型特征，并与机架所受的外激频率进行对比。分析结果显示：前6阶固有模态范围为5.9～41.9Hz，各频率间没有发生重叠，且避开了工作激振频率6～7Hz和路面最高激励频率F=26.4Hz，证明了该型号播种机的折叠机架设计合理，具有良好的动态特性。

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Abstract： In order to get the vibration performance of the broad width planter's folding frame, verify the rationality of the design, the mode analysis of the innovative designed 2BMZ-13 type planter's folding frame was carried out. The 3D modeling software Pro/E and the finite element simulation analysis software ANSYS Workbench was applied to established the finite element model of frame, the vibration performance such as inherent frequency, vibration direction and extremum.etc were obtained by modal analysis module, and the comparison between simulation analysis and external excitation frequency was conducted. The results prove that the structure design of folding frame is reasonable, frame frequencies without overlap and avoids the external excitation frequency,avoiding the resonance.This study can help improve the seeding precision, prolonging the service life of the seeder.

ID:1003-188X(2017)06-0060-EA

Modal Analysis of Folding Frame for Broad Width Planter

Li Hailiang, Wang Chun, Hu Jun, Sun Haitian, Yan Xiaoli, Liang Qi

(Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

planter; broad width; modal analysis; finite element

2016-05-17

黑龙江省农垦总局项目(HNKXIV-10-04a)；"十二五"国家科技支撑计划项目(2014BAD06B00)

李海亮(1987-)，男，黑龙江大庆人，博士，(E-mail)1017677002@qq.com。

胡 军(1972-)，男，黑龙江大庆人，副教授，博士。

S223.3；S220.3

A

1003-188X(2017)06-0060-04