联合收获机脱粒滚筒模态分析与结构参数优化

黄云林，李青林，姚成建

(江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

联合收获机是一种大型的复杂机械设备，零部件种类繁多，各部件间极易产生振动和噪声。脱粒滚筒是联合收获机中必不可少的部件，主要作用是将输送进入的水稻植株上的水稻谷粒与茎秆分离[1-2]。因此，在脱粒滚筒的结构设计中，为了满足减低噪声污染及避开外部激振频率的目的，必须要使其结构同时满足两个条件：①足够的强度和刚度；②相对比较合适的动态特征[3-4]。所以,为改善联合收获机的脱粒清选性能，避免滚筒工作时产生共振，优化脱粒滚筒的结构参数，对脱粒滚筒进行模态分析与优化就显得尤为必要[5-6]。

针对联合收获机零部件类型繁多、工作条件复杂的特点，借助多软件协同仿真接口技术，建立脱粒滚筒的CAD参数化模型及优化设计模型。借助于计算机辅助设计和制造技术来进行设计开发的主要目的是为了缩短联合收割机的设计周期，降低生产制造成本，提高产品的质量，加速产品的更新换代，从而来提高企业对市场的反应[7]。

首先，需要对雷沃RG50稻麦联合收获机的脱粒滚筒建立三维模型，再通过有限元软件对脱粒滚筒进行模态分析，得出脱粒滚筒的固有频率和相应的振型图；然后，通过力锤锤击的方式，验证有限元模型的可靠性，分析外部环境激振频率是否与脱粒滚筒的固有频率相一致，并通过改善其结构的方式来避开可能发生共振的频率范围；最后，在满足脱粒滚筒强度和刚度的前提下，以减轻脱粒滚筒的质量为目的，提出了解决方案，为脱粒装置结构优化设计提供设计依据。

1 脱粒滚筒有限元模型建立与分析

1.1 脱粒滚筒有限元模型的建立

稻麦联合收割机纵轴流脱粒滚筒主要由齿杆、幅盘、钉齿、脱粒滚筒喂入头和滚筒轴等部件组成，如图1所示。

脱粒滚筒喂入头主要由两片螺旋喂入叶片和筒体组成。其中，螺旋叶片的主要功能是把通过输送装置传送过来的稻麦快速推送至轴流滚筒处做螺旋运动[8]。

针对脱粒滚筒的结构特点，采用参数化建模的方式构建其几何模型。这种方法不但可以缩短联合收割机的设计周期，提高设计效率，还可以降低重复劳动[9-10]。因此，本文利用SolidWorks三维造型软件，建立脱粒滚筒三维参数化模型，如图2所示。

图2 联合收获机脱粒滚筒模型

通过使用Workbench与SolidWorks之间的无缝连接，可以直接将模型快速导入Workbench，从而避免复杂模型数据的缺失。在Workbench的模态分析模块对脱粒滚筒模型进行材料参数设置、网格划分及求解。联合收获机的脱粒滚筒一般采用的材料为45钢[11-12]，经查阅资料可知，其弹性模量为209GPa，密度为7 890kg/m3，松比为0.26。在网格划分时采用自动划分的方式，单元选择Solid 20node186单元，将模型网格属性的Smoothing设置为High。最终生成网格节点328 690个、单元103 534个。网格划分后脱粒滚筒的有限元模型如图3所示。

图3 脱粒滚筒有限元模型

1.2 模态分析

模态分析主要是为了确定机械装置的固有振动特性，即结构的固有频率、阻尼比和振型。一般地，对于结构危害比较大的主要为低阶频率，因此不考虑高阶振动频率对滚筒的影响。根据联合收获机的实际工作情况，取脱粒滚筒的前6阶模态进行剖析。采用有限元分析的方法对处于自由状态下的脱粒滚筒进行模态分析。考虑到滚筒在自由状态下存在刚体模态，只对计算结果中非0的前6阶模态振型和频率进行计算分析[13-14]。模态分析时采用Lanczos的求解方法，获取滚筒前6阶固有频率及相对应的模态振型，部分振型图如图4所示。由图4可知：1阶振型主要为脱粒滚筒的整体扭转振动；2阶振型主要的变形为弯曲变形，变形主要发生在脱粒滚筒尾部幅盘处；3阶振型主要变形为弯曲变形，变形主要发生在脱粒滚筒前后端的幅盘处；4阶振型主要为脱粒滚筒的后幅盘和轴头的弯曲和扭转变形；5阶振型主要是弯曲加扭转变形，变形主要发生在脱粒滚筒的前部幅盘；6阶振型主要表现为滚筒整体的弯曲变形。

图4 有限元分析的模态振型图Fig.4 Mode shapes by finite element analysis

2 脱粒滚筒模态试验

2.1 试验方法

为验证脱粒滚筒有限元模型建立的准确性，有必要进行脱粒滚筒的模态试验。试验主要通过激振器或力锤来敲击部件，使待测件发生振动，经由数据采集卡同时搜集待测件振动时的输入信号与输出信号，并将数据导入计算机的软件中，再经由计算机软件对数据进行分析处理，获得系统的模态参数，进而获取脱粒滚筒结构振动的固有特性[15-16]。

试验分析系统由冲击力锤、数据采集系统和数据分析处理系统组成。其中，数据采集系统包含了加速度传感器和数据采集卡；数据分析处理系统采用的是由加拿大UBC大学MAL实验室生产提供的CutPro9.3软件。模态试验的基本原理如图5所示。

图5 模态试验基本原理图

模态试验所需设备如表1所示。

表1 模态试验中所需设备/仪器

为了确保滚筒的可辨识性，在使用力锤敲击时需要避开结构的节点，指模态振型值为零的位置[17-18]。在使用锤击法进行模态试验时，需要试验人员尽可能保留待测件原有的边界条件，或采用悬挂法(即使用弹性绳将边界条件在内的待测件悬挂起来)，或将待测件放置于泡沫塑料垫等弹性元件上，这样可以很好地隔绝环境的影响[19]。采用锤击法进行试验的时候，一般有两种实现方式：一种是在所有响应测点上安装传感器，在其中某一点上锤击；另一种则是只在某一响应测点上安装传感器，移动力锤，分别在所有的响应测点位置上冲击激励[20]。前者的缺点在于粘贴多个传感器，有时会引起相当大的质量载荷效应[21]。

试验采取多点激励单点测量的方式，共设置5个激振点：激振点1选在齿杆前端，激振点2选在滚筒轴中部，激振点3选在中部的幅盘处，激振点4选在钉齿杆和幅盘相互连接处，激振点5选在脱粒滚筒的尾部幅盘处。通过5次数据采集和参数识别，可以确保数据的可靠性与准确性。

模态试验方法：首先将脱粒滚筒置于泡沫板上，避免脱粒滚筒与地面产生刚性接触。在脱粒滚筒上布置相应的测点，用粘接胶将加速度传感器粘接于所布置的测点处；然后，连接三向加速度传感器、数据采集卡、冲击力锤和计算机。用力锤敲击脱粒滚筒上的激励点，迫使脱粒滚筒产生振动，激励信号由力锤上的传感器传输至数据采集卡的同时，布置在脱粒装置的三向加速度传感器便可获得滚筒受到振动时的数据，每个激励点敲击5次，取平均值。敲击时力量要适中，不宜过大或者过小。力量过大会产生连击，力量过小则无法激励出激励信号[22]。通过软件对数据进行分析比较，从而得到脱粒滚筒的固有频率等参数。图6为模态试验现场。

图6 脱粒滚筒模态试验现场

2.2 试验结果

将试验测得的数据导入电脑软件中进行模态参数识别，可得出脱粒滚筒的前6阶的振动频率和阻尼比，如表2所示。为确保识别模态频率结果的可信度，避免识别结果中出现虚假模态或者是丢失真实模态，需要进行模态振型的相关性验证。本文采用模态置信准则对分析的模态参数进行校验，图7为校验验证结果。由图7可以看出：各阶次频率之间具有较好的正交性，说明分析出的模态参数的可信度较高。

表2 试验模态的固有频率及对应阻尼比

图7 模态判定直方图

2.3 试验结果分析

有限元计算结果与试验结果对比如表3所示。

表3 有限元计算结果与试验结果对比

由表3可知：试验结果值与有限元分析的结果值最大相对误差为6.48%，由脱粒滚筒试验测得的频率值与其计算分析所得值的结果非常接近。可见，本文所构建的有限元模型是可靠的。

3 外部环境激振频率分析与结构优化

3.1 外部环境激振分析

模态分析的主要功能除了可以验证有限元模型的准确性，还可以确保关键零部件的固有频率与外界环境作用的频率不同，避免共振的发生。因此，必须要了解清楚联合收获机外部环境的激振频率。水田、发动机、割刀、轴流脱粒滚筒及振动筛等是联合收获机的外部环境激振的主要来源[23]。联合收割机实际工作在水田里，其激振频率一般小于3Hz；发动机正常工作时的转速为2 400～2 600r/min，激振频率为40～43.3Hz；割刀主驱动轴的转速为420～480r/min，激振频率为7～8Hz；轴流式脱粒滚筒在工作时的转速为600～900r/min，激振频率为10～15Hz；曲柄轴转速为300r/min左右，激振频率处于5Hz上下。通过与理论计算得出的频率对比分析得到结论：此类型的脱粒滚筒可以避开共振。

联合收获机的实际制造成本高，整机质量大，减轻脱粒滚筒的质量不仅可以节约原材料，降低生产制造成本，而且还能降低能量功耗，减少碳排放，有利于节能环保。所以，必须要对联合收获机脱粒滚筒进行结构优化处理。

3.2 脱粒滚筒优化设计

结构优化设计是在给定约束条件下按某种目标，求出最好的设计方案[24]。拓扑优化是结构优化的一种，主要是对现阶段设计的产品的质量进行相应的删减。首先在初步设计好的产品内建立起一个由有限个单元构建而成的基结构，然后按照优化算法对受载荷的产品的体积与布局进行相关的优化，并给出较为准确的预测分析，选择设计空间内对整体结构的强度没有影响的单元进行删除，剩余的单元就构成最终的优化方案。

按照上述阐述，以减轻脱粒滚筒的质量为主要的目标，在给定脱粒滚筒约束条件下，借助ANSYS Workbench平台，利用其结构优化模块的功能，分析建立起脱粒滚筒优化设计模型，对脱粒滚筒进行局部结构的优化。通过设置参数，将滚筒的整体质量减少30%，求解即可得到结果，如图8所示。

图8 脱粒滚筒拓扑优化云图

由图8可以看出，该脱粒滚筒上幅盘、筒体及导入叶片等处存在较大的优化空间。由于导入叶片和筒体的主要功能是将稻麦快速推送至轴流滚筒，磨损会比较严重，因此不考虑对叶片的厚度进行缩减。幅盘上大部分质量可以去除，即图中黑色显示为可去除部分，因此可以在幅盘上挖孔进行优化。

按照脱粒滚筒实际工作状况，对脱粒滚筒优化后的模型进行强度校核，约束脱粒滚筒的Y、Z轴的移动和转动，并限制其X轴的移动。由于脱粒滚筒实际工作时的转速一般为600～900r/min，所以设置滚筒转速为810r/min。与此同时，由于滚筒本身自重的存在，需要对其施加重力，分析求解可以获得脱粒滚筒von-Mises应力云图，如图9所示。

图9 脱粒滚筒von-Mises应力分布云图

由图9可以看出: 脱粒滚筒应力主要集中在幅盘与固定板连接处和齿杆与固定杆连接处，最大应力值为16MPa，远小于材料的屈服极限235MPa，改进后的脱粒滚筒满足强度刚度的要求。

通过对优化后的脱粒滚筒进行模态分析，获得了脱粒滚筒的前6阶固有频率和振型，部分结果如图10所示。由图10可知：脱粒滚筒在减轻质量的同时,脱粒滚筒的各个低阶固有频率都不在联合收获机外部环境的激振频率范围之内。因此，滚筒在正常工作过程中可以很好地避免共振的发生。改良后的脱粒滚筒质量由本来的130.7kg降低到108.04kg，减少了17.3%。

图10 有限元分析的模态振型图Fig.10 Modle shapes by finite element analysis

4 结论

1)通过采用Solidworks三维软件，完成了脱粒滚筒的三维参数化模型的构建，采用ANSYS Workbench获得了脱粒滚筒的前阶模态频率和振型，并通过模态试验测得脱粒滚筒实际的模态参数，将两者进行比较分析，最大误差为6.48%，所以所构建的有限元模型是精准可靠的。

2)阐明了脱粒滚筒的固有频率，比较其与联合收获机外部环境激振频率的关系。试验结果表明：脱粒滚筒1阶固有频率为75.93Hz，与联合收割机外部激励频率避开，说明在联合收获机正常工作过程时脱粒滚筒可以避开共振。

3)为了降低生产制造成本，对联合收获机脱粒滚筒的结构和布局进行优化，采用ANSYS Workbench中结构优化功能，对脱粒滚筒的结构布局进行了优化，改良了幅盘的结构特征，减轻了幅盘的质量。优化先后的脱粒滚筒质量减少了17.3%，且滚筒前6阶模态频率基本保持不变，可以在正常工作过程中较好地避开共振。