基于Hyperworks的手扶式白菜中耕机模态分析

王满满，王 丹※，夏兰兰，王传印，杨 鑫

（1.新疆交通职业技术学院，新疆乌鲁木齐 831401；2.新疆轻工职业技术学院）

0 引言

中耕可以有效改善土壤通气状况，增加土壤氧气含量，铲除杂草，减少水肥流失，保墒保温，改善作物生长环境，提高产量[1]。

土壤环境、所在地域和土地条件等因素会导致土壤密度、成分、含水量等发生变化，常年耕种以及过度使用化肥导致土壤板结[2]，因此机械作业时受到的外部载荷也会根据土壤条件发生变化[3]。自身固有模态是机械产品的重要特性，当机械工作频率达到自身固有频率的75%时，就要引起足够重视，避免因共振现象产生结构性破坏[4]。

本文针对一款手扶式田间白菜中耕机，利用Hyperworks对关键部件中耕轮在松土作业中的力学特性进行分析，并对其进行了模态分析，利用分析结果对中耕除草轮结构稳定性进行验证优化，以期为大田白菜或者矮径植物中耕除草机构的结构设计及功能优化提供参考。

1 装置结构分析及工作原理

1.1 装置结构

手扶式白菜中耕机主要由动力部分、变速箱部分、中耕轮部分、扶手部分和控制部分五部分组成，如图1。主要工作部件为中耕轮部分，由轴套、轮毂、刀片、肋板四部分组成。

1.2 工作原理

手扶式田间白菜中耕机由汽油发动机提供动力，通过压合离合把手将动力由变速箱及传动齿轮将传递给转动轴，转动轴带动安装在轴上的中耕轮轴套同步转动从而带动安装在中耕轮上的刀具以一定切应力翻耕表层土壤并切割杂草。根据操作人员的前进速度，可以调节档位旋钮，选择合适的中耕轮转速及发动机输出功率。工作人员通过扶手控制前进方向。

2 模态分析

中耕轮是手扶式中耕机上重要的工作部件，中耕除草过程中，土块、杂草等作业环境变化导致负载多变，从而影响中耕机工作频率，工作频率与机械固有频率相近时产生共振现象，共振对机械结构影响很大，因此使用Hyperworks对中耕轮进行模态分析，进一步验证中耕轮结构是否安全可靠。

2.1 利用UG建立三维模型并进行预处理

使用UG11.0对整机进行三维建模。为节省计算资源，降低系统配置，对三维模型进行简化处理，删除倒圆、倒角，并且将齿轮传动部分简化成一根单体轴。模型另存为IGS格式并导入Hyperworks软件中对中耕轮进行模态分析。

2.2 网格划分

Hyperworks向用户提供强大的材料数据库，为简化分析过程，中耕轮及连接轴均选择Steel，材料类型选择MAT1。材料属性如表1。利用网格划分将中耕轮及连接轴模型离散化，计算网格的节点和单元。

表1 材质属性

将整个中耕机构按照长度2mm划分成四边形网格，中耕轮机连接轴共划分为1259386个节点和795118个单元，其中连接轴共划分为52038个节点和34076个单元，中耕轮1共划分出607292个节点和382968个单元，中耕轮2共划分出600056个节点和378074个单元。考虑到中耕轮实际工作环境，研究中耕轮的固有频率和振型是十分重要的，对轮毂及刀片施加约束进行模态分析，使研究结果更接近刀轮的实际情况，因此本次模态分析把连接轴中间齿轮部分简化为刚性约束。

2.3 中耕轮模态分析

中耕轮在工作过程中会遇到石头、土块、植物残根等情况，当功率过大时刀轮及连接轴可能发生横弯、垂弯、错位和扭转等变形。所以有必要对中耕刀轮进行模态分析，本文对中耕刀轮及轴开展了12阶模态分析，考虑到低阶分析结果对机械结构影响较大。故取前6阶模态时复合变形的固有频率及最大位移结果，图2至图7为中耕刀轮六阶模态振型。

2.4 结果分析

由图2至图7可以看出，该机械在前六阶模态下固有频率和变形情况不同，但总体变形量不大。前六阶固有频率集中在2.013×10-2～2.758×10-2Hz范围内，总体变形量在8.166～16.26 mm。中耕轮模态分析显示没有发生刚性位移。

一阶模态的固有频率为2.013×10-2Hz，最大振型为8.17mm，最大振型位于中耕轮一侧及连接轴上。从一侧装置横截面向另一侧横截面移动，振型越来越大。二阶模态固有频率为2.017×10-2Hz，最大振型为8.32mm，最大振型同样发生在一侧中耕轮及连接轴上。从一侧装置横截面向另一侧横截面移动，振型越来越大。三阶模态固有频率为2.023×10-2Hz，最大振型为8.019mm，最大振型发生在工作时刻下部刀片、相连轮毂和肋板上，刀片变形较为均匀，越靠近刀片的轮毂及肋板振型越大。四阶模态固有频率为2.333×10-2Hz，最大振型为13.43mm，变形呈轴对称分布。最大振型发生在两个中耕轮外侧轮毂、肋板和刀片上，刀片越靠近外侧轮毂的部分变形越大。五阶模态固有频率为2.338×10-2Hz，最大振型为13.29mm，振型呈轴对称分布。与四阶模态相似，最大振型发生在两个中耕轮外侧轮毂、肋板和刀片上，刀片越靠近外侧轮毂的部分振型越大。六阶模态固有频率为2.758×10-2Hz，最大振型为16.26 mm，最大振型发生在6个刀片、整个轮毂和部分肋板上，刀片越靠近刀刃的部分变形越大，轮毂变形均匀分布，肋柱部分越靠近轮毂振型越大，但总体振型较为稳定。

手扶式中耕机需要人为手扶控制方向，成年人的正常步行速度V1=60~100m/min，由于人在机械作业时会加快脚步，拟设定步行修正系数N=1.2，得到机械前进速度V2=V1×N=72~120 m/min，由公式n=V2/πd（设计中耕轮毂直径d=250 mm）得到本次设计的中耕刀轮工作转速n=91.72～152.87r/min，由工作频率计算公式f=n/60得出中耕刀轮工作频率f1=1.52~2.26Hz。

中耕刀轮模态六阶固有频率为f2=2.013×10-2～2.758×10-2Hz，其引起重视点频率Hz。而机械的工作频率f1=1.52~2.26 Hz，两者相差较大，因此本次设计完全可以避免共振的发生，无结构缺陷。

3 结论

针对一款手扶式田间白菜中耕机，利用UG11.0建立整机三维模型，基于Hyperworks对关键部件中耕轮进行模态分析。分析其各阶次固有频率及振型情况，中耕轮的前六阶固有频率为2.013×10-2～2.758×10-2Hz。需引起重视的最大频率为2.068×10-2Hz。而中耕刀轮的工作频率为1.52~2.26 Hz，两者相差较大，从而避免在手扶式中耕机工作过程中出现共振现象，确保设备工作安全。