宽幅喷杆模态分析及试验

高 翔 ，马 俊 ，温浩军

（1.石河子工程职业技术学院，新疆 石河子 832000；2.石河子大学机械电气工程学院；3.农业部西北农业装备重点实验室）

0 引言

全球水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、棉花、咖啡等8种农作物每年因病虫害造成的产量损失率达42.1%，直接经济损失5 000亿美元。目前在植物保护工作中，主要有化学防治、物理防治、生物防治和综合防治等防治手段[1]。其中化学防治具有功效高、防治及时等特点，对于突发性大面积爆发的病虫害，能够及时的控制与防治[2]。

喷杆式喷雾机具有病虫害防治效率高、效果好、作业损害率低等优点，已逐渐成为大田作业中应用最广泛的植保机型。喷杆是喷杆喷雾机的主要部件,其性能好坏影响喷雾效果。喷雾机在田间作业时，喷杆受到动载荷作用的时候，喷杆发生振动，而振动会导致结构产生共振或者材料疲劳，从而造成喷杆的损坏，所以需要了解结构自身的固有特性来防止共振的产生。本文通过有限元分析对喷杆进行模态计算及模态试验获取喷杆的固有频率，然后与激振源的频率对比，避免喷杆共振发生断裂。

1 宽幅喷杆模态分析

1.1 喷杆有限元模型建立

本文借助CAD软件Solidworks建立喷雾机喷杆的几何模型（图1），根据设计要求喷杆幅宽为23 m，采用五段分节式对称结构。由于喷杆为对称结构，只对喷杆的一侧进行有限元分析，喷杆由大臂、小臂2段组成，共计长9 m，其中大臂长5.5 m。

图1 喷杆三维模型

图2 喷杆有限元模型

通过soildworks软件将喷杆模型导出x_t文件，将x_t导入有限元分析软件Ansys17.0中（图2）进行分析。

1.2 材料属性及网格划分

在对喷杆划分网格之前，先定义喷杆的材料属性，喷杆材料为Q235结构钢，质量密度ρ=7.85×103 kg/m3，弹性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.3。在workbench模块对喷杆进行自由网格划分时忽略倒角、装饰件等不影响仿真结果的因素，有限元划分元素为21 962，节点数99 719。

表1 材料属性表

表2 前六阶固有频率

对喷杆进行模态仿真，提取喷杆前六阶固有频率如表2所示，其中一阶模态固有频率计算值为10.32Hz，振型特点为一阶弯曲；二阶模态固有频率计算值为12.037Hz，振型特点为二阶弯曲；三阶模态固有频率为16.138 Hz，振型特点为一阶弯曲；四阶模态固有频率为22.573 Hz，振型特点为三阶弯曲；五阶模态固有频率为23.091 Hz，振型特点为三阶弯曲；六阶模态固有频率为33.459 Hz，振型特点为一阶弯曲、一阶扭转。

图3 一阶模态

由于轮胎具有低通滤波性，喷雾机在田间作业时受到的激励一般小于10 Hz。该喷杆的一阶模态频率为10.32 Hz，大于10 Hz，故该喷杆结构在田间作业时相对稳定，不易产生变形。

图4 二阶模态

图5 三阶模态

图6 四阶模态

图7 五阶模态

图8 六阶模态

2 喷杆试验模态分析

2.1 试验目的

为了验证有限元模型准确性，需要通过模态试验测出喷杆各阶模态的频率与计算模态的频率进行对比分析。

2.2 试验仪器

图9 数据采集仪

图10 力锤及传感器

试验所用仪器包括：M+P动态测试仪1台、PCB力锤1个、ICP三向加速度传感器2个、PC机1台、数据线若干。PCB力锤灵敏度为2.354 mv/EV、1号传感器X通道102.21 mV/EV，Y通道101.85 mV/EV，Z通道101.31 mV/EV；2号传感器X通道102.52 mV/EV，Y通道102.07 mV/EV，Z通道102.69 mV/EV。

图11 喷杆Analyzer几何模型

2.3 试验过程

（1）首先在m+p international SO Analyzer软件中建立喷杆几何模型并定义X、Y、Z坐标正方向。定义水平向右为X轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，垂直向里为Y轴正方向。在喷杆端点、连接点及节点处布置拾振点，本喷杆共布点33个拾振点，编辑好各点的X、Y、Z坐标值，并连接相应的点。按照编号用记号笔在喷杆上进行标记编号，加速器传感器通过胶水粘贴在7号与15号位置。

图12 频响曲线和时域曲线

表3 固有频率计算值与试验值对比

（2）为了模拟喷杆自由状态，用行车通过弹簧将喷杆悬吊，并且喷杆保持水平状态。后用力锤依次敲击各编号的的节点，每个节点敲击3次，每次敲击3下，共计297次。最后得到宽幅喷杆的频响特性曲线和时域特性曲线，并得到试验固有频率值表。

表3列出了前六阶的固有频率计算值与试验值的频率误差，误差值在10%以内，对比验证了有限元模型是合理的，能够反映喷杆各阶振型。

3 结论

（1）本文通过在soildworks软件中建立喷杆三维模型，导入Ansys软件进行模态计算分析，得出喷雾机喷杆前六阶的固有频率计算值。

（2）为了验证有限元模型的正确性，用模态试验方法求出喷杆前六阶固有频率与计算模态固有频率计算值进行对比，并求出各阶频率误差，各阶频率误差值小于10%，验证有限元模型正确可靠。该喷雾机喷杆一阶固有频率为10.32 Hz，在田间工作时大于激振源的频率，不会发生共振造成喷杆断裂，满足田间作业激励要求，验证了喷杆设计合理性，满足工作需求。