<p>溫室三七收獲機(jī)有限元分析楊 ?；?， 張兆國 ， 崔振猛 ， 程一啟( 昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 ， 昆明 650500)摘 要 : 根據(jù)三七種植新農(nóng)藝的要求 ， 設(shè)計了一款應(yīng)用于溫室種植模式的三七收獲機(jī) 。為提高其工作性能 ， 利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行有限元分析 ， 獲取在靜載荷作用應(yīng)力 、變形的大小及分布情況 。結(jié)果表明 : 應(yīng)力集中發(fā)生在電機(jī)安裝位置及車架縱梁連接處 ， 最大變形發(fā)生在車尾處 ， 機(jī)架強(qiáng)度符合要求 。對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析 ， 獲得其固有頻率并進(jìn)行諧響應(yīng)分析 ， 分析可知 : 在頻率 15Hz 時電機(jī)安裝位置處可能發(fā)生共振 ， 此時電機(jī)安裝位置處應(yīng)力和位移達(dá)到最大 ， 最大應(yīng)力為 4 34MPa， 最大位移為 2 03mm， 機(jī)架滿足激勵載荷下的強(qiáng)度要求 。對挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析 ， 得到挖掘阻力 5 000N， 挖掘鏟最大變形量為 1 334 4mm， 最大應(yīng)力為 20 894MPa。本文為后續(xù)溫室三七收獲機(jī)的減振以及機(jī)架 、挖掘鏟優(yōu)化提供了理論依據(jù) 。關(guān)鍵詞 : 溫室三七收獲機(jī) ; 機(jī)架 ; 靜力學(xué)分析 ; 模態(tài)分析 ; 諧響應(yīng)分析中圖分類號 : S22599 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 文章編號 : 1003 188X( 2019) 01 0071 060 引 言三七是我國云 南地區(qū)一種名貴中藥材 ， 具有很高的醫(yī)藥與營養(yǎng)價值 ， 其屬喜陰植物 ， 對生長環(huán)境要求苛刻 1。目 前 ， 三七藥材市場需求逐年增加 ， 種植面積也隨之不斷擴(kuò)大 ， 造成了適宜種植土地短缺 ， 輪作周期縮短 2。同 時 ， 由于三七存在連作障礙問題 ， 我們認(rèn)為栽種過三七的地塊需先連續(xù)栽種其他作物 10年以上才能再次種植三七 3， 三七的規(guī)?；N 植與土地資源合理利用的矛盾越來越明顯 4。目 前 ， 工廠化種植模式采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備 ， 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過人工干涉 ， 以現(xiàn)代化 、企業(yè)化的模式實(shí)現(xiàn)種苗的規(guī)模化生產(chǎn)和經(jīng)營 。工廠化三七種植模式必將取代傳統(tǒng)田地生產(chǎn)模式 1。目 前 ， 世界范圍內(nèi)三七收獲機(jī)械研究不多 ， 典型代表有昆明理工大學(xué)張兆國研制的兩款三七收獲機(jī) 5， 一 款懸掛式 3 年生三七挖掘收獲機(jī) ， 能夠有效地實(shí)現(xiàn)三七的采挖 、分離以及鋪放作業(yè) 5; 一 款自走式三七收獲機(jī) ， 能夠一次性地完成三七挖掘 、分離 、收集等作業(yè) 6。為了實(shí)現(xiàn)溫室種植 三七的機(jī)械化收獲 6， 昆 明理工大學(xué)張兆國研制了一款溫室三七收獲機(jī) 。研究表明 : 溫 室三七收獲機(jī)作業(yè)過程中機(jī)架承力收 稿日期 : 2017 08 18基金項(xiàng)目 : 云南省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng) ( 2016FZ001)作者簡介 : 楊?；?( 1994 ) ， 男 ， 江 蘇揚(yáng)中人 ， 碩士研究生 ， ( E mail)934330683 qq com。通 訊作者 : 張兆國 ( 1966 ) ， 男 ， 山 東單縣人 ， 教授 ， 博士生導(dǎo)師 ， ( E mail) zhaoguozhang 163 com。最 多 ， 因而作用在機(jī)架上的激振力極易導(dǎo)致其產(chǎn)生變形 7， 激 振力的主要來源有振動挖掘鏟 、振動抖土裝置及電機(jī)等部件 ; 同時 ， 收獲機(jī)在作業(yè)過程中與地面接觸所產(chǎn)生的隨機(jī)振動也會對機(jī)架產(chǎn)生影響 8， 當(dāng) 外部激振頻率接近機(jī)架的固有頻率時 ， 會引發(fā)機(jī)架劇烈共振 ， 影響作業(yè)效果 。1 機(jī)架有限元分析11 建立機(jī)架三維模型在 Creo 三維軟件中建立如圖 1 所 示的參數(shù)化模型 。溫室三七收獲機(jī)的機(jī)架尺寸 : 長 × 寬 × 高為 3 330mm ×1 460mm ×540mm。整機(jī)主要由 3 個部分組成 :動力部件為電機(jī) ， 型號為 Y132S2 2， 額定功率為75kW， 轉(zhuǎn)速為 2 900r/min; 振動挖掘鏟工作幅寬為1 350mm， 振動頻率為 5Hz; 振動去土篩尺寸 : 長 × 寬為 800mm ×1 380mm， 振動頻率為 10Hz。1 機(jī) 架 2 電機(jī) 3 升降車輪 4 前車輪 5 液壓系統(tǒng)6 挖掘鏟 7 去土篩 8 后車輪圖 1 溫室三七收獲機(jī)Fig1 Notoginseng harvester for green house·17·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.01.01212 機(jī)架有限元模型導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分經(jīng)過理論與經(jīng)驗(yàn)分析 ， 對機(jī)架進(jìn)行改進(jìn) ， 添 加 3 條橫梁 、2 條縱梁及 2 套支撐輪 ， 如圖 2 所示 。圖 2 改 進(jìn)后的機(jī)架Fig 2 Improved frame在 有限元前期準(zhǔn)備時 ， 簡化機(jī)架 ， 忽略車架上的附屬掛接結(jié)構(gòu) ， 略去一些對分析影響不大的輪廓線 ，同時將各段梁的圓角和倒角簡化為直角 ， 假設(shè)機(jī)架的密度均勻分布等 9。將 模型保存為 STP 文件格式后導(dǎo)入 ANSYS work-bench14 0， 定義材料 Q235: 彈性模量 E = 210GPa， 泊松比為 =0 3， 材料密度 = 7 850kg/m3。網(wǎng) 格劃分時設(shè)置單元尺寸為 40mm， 劃分后總結(jié)點(diǎn)數(shù)為 106885， 總單元數(shù)為 52 543。網(wǎng)格劃分如圖 3 所示 。圖 3 有限元網(wǎng)格劃分Fig3 Finite element meshing13 施 加約束考慮到溫室三七收獲機(jī)工作時的實(shí)際情況 ， 為模擬其行走工作狀態(tài) ， 設(shè)定前 4 個輪軸承處為固定約束 ; 其他各零部件的接觸選擇默認(rèn)設(shè)定 bounded， 此處不考慮預(yù)應(yīng)力 。2 機(jī)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析21 機(jī) 架受力分析本文機(jī)架靜力學(xué)分析中 ， 機(jī)架受自身重力載荷與附屬結(jié)構(gòu)重力載荷 ， 同時還承受收獲過程中的挖掘阻力 。本研究取機(jī)架重 3 000N， 均布在上下層機(jī)架上 ;電機(jī)重 720N， 分布在前板處 ; 挖掘阻力取 5 000N 6，分布在橫梁與挖掘振動軸承座 。22 機(jī) 架強(qiáng)度校核圖 4 為溫室三七收獲機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析圖 ， 圖 5為機(jī)架靜力學(xué)分析的總變形圖 。由圖 4、圖 5 可知 : 最大應(yīng)力發(fā)生在電機(jī)安裝位置及縱梁連接處 ， 最大應(yīng)力3 527 7MPa， 最大變形發(fā)生在車尾處 ， 最 大 位 移2958 3 ×10 1mm， 機(jī)架的設(shè)計滿足強(qiáng)度要求 。圖 4 機(jī) 架應(yīng)力圖Fig4 The stress nephogram of frame圖 5 機(jī) 架總變形圖Fig5 The displacement nephogram of frame3 模 態(tài)分析對三七收獲機(jī) 進(jìn)行模態(tài)分析 ， 其結(jié)果主要包括前10 階振動頻率圖和其對應(yīng)的振型云圖 ， 如圖 6 所示 。圖 6 機(jī)架模態(tài)固有頻率和階數(shù)圖Fig6 The frequencies and figure of the frame·27·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期由 圖 7 可知 : 三七收獲機(jī)前 10 階的模態(tài)固有頻率分別為 5 965 4、6 624 8、7 158 5、8 897 7、14 626、15076、19 317、20 267、21 534、21 708Hz， 并能觀察出車架的振型 。( a) 1 階 ， 59654Hz， 車尾部左右擺動 ( b) 2 階 ， 66248Hz， 車尾部上下擺動( c) 3 階 ， 71585Hz， 車 尾部左右相對互擺 ( d) 4 階 ， 88977Hz， 變形為車尾部相對動 ， 擺動幅度比 3 階大( e) 5 階 ， 14626Hz， 車架中后部扭動 ( f) 6 階 ， 15076Hz， 前 部上下擺動( g) 7 階 ， 19317Hz， 前 部上下擺動 ( h) 8 階 ， 20267Hz， 前部上下擺動 ， 尾部左右擺動( i) 9 階 ， 21534Hz， 前 部上下擺動 ， 尾部 ( j) 10 階 ， 21708Hz， 車架整體扭動圖 7 前 10 階模態(tài)振型Fig7 The first ten modal shapes of the frame4 諧 響應(yīng)分析電機(jī)振動可能 導(dǎo)致溫室三七收獲機(jī)發(fā)生共振 ， 電機(jī)產(chǎn)生的振動可通過連接件傳遞到機(jī)架 ， 導(dǎo)致共振 ，本文對機(jī)架進(jìn)行電機(jī)激勵下的諧響應(yīng)分析 10。將 頻率范圍設(shè)置在 0 30Hz， 且施加幅值為 720N 的正弦激·37·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期勵 載荷 ， 頻率 15Hz 處機(jī)架應(yīng)力頻率響應(yīng)值和位移頻 率響應(yīng)值均最大 ， 如圖 8 和圖 9 所示 。圖 8 位 移 頻率響應(yīng)曲線Fig8 Displacement frequency response curve圖 9 應(yīng) 力 頻率響應(yīng)曲線Fig9 Stress frequency response curve當(dāng) 頻率為 15Hz 時 ， 機(jī)架將會產(chǎn)生共振 。將分析參數(shù)列表中的頻率改為 15Hz， 求解相應(yīng)的等效應(yīng)力和變形位移 。如圖 10、圖 11 所示 : 頻率 15Hz 時 ， 機(jī)架最大應(yīng)力61 542MPa， 最大位移 2 03mm; 最大應(yīng)力出現(xiàn)在電機(jī)安裝位置處及車架連接部位 ， 尚未超出材料屈服強(qiáng)度 。圖 10 機(jī) 架變形云圖 ( 15Hz)Fig 10 Total deformation of the frame圖 11 機(jī) 架應(yīng)力云圖 ( 15Hz)Fig11 Stress distribution of the frame5 挖掘鏟的有限元分析51 挖掘鏟的設(shè)計參數(shù)挖 掘鏟在溫室內(nèi)挖掘三七時 ， 因土壤沉降等原因 ， 三七塊根埋藏較淺 ， 測得需挖掘深度 8cm 左右 ， 因此本文設(shè)計的挖掘鏟鏟長 32cm， 鏟幅 1 35m， 單面鏟寬 10cm， 挖掘鏟傾角設(shè)置為 15°。挖掘鏟結(jié)構(gòu)如圖 12·47·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期所 示 。圖 12 挖 掘鏟結(jié)構(gòu)Fig12 Structure of digger blade52 挖掘鏟有限元模型建立挖 掘鏟結(jié)構(gòu)特性會直接影響到收獲機(jī)作業(yè)效果 ，因此溫室三七收獲機(jī)的挖掘鏟應(yīng)該具有較好的工作性能 、力學(xué)性能可靠且結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)良 11 12。采 用Creo 軟件建立挖掘鏟的三維實(shí)體模型并導(dǎo)入 ANSYSworkbench14 0， 設(shè)置單元尺寸 20mm 進(jìn)行網(wǎng)格劃分 ，劃分后得到的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為 41 447， 總單元數(shù)為 18 512。53 挖掘鏟有限元靜力學(xué)分析挖掘鏟作業(yè)過程中受土壤多向載荷及相互作用摩擦力等 ， 但對作業(yè)效果有主要影響的是與挖掘鏟鏟面直接 接 觸 的 載 荷 ， 因此本文分析時只考慮法向力 13 14。挖掘鏟通過三 處鉸接與機(jī)架固定 ， 此處分析中假設(shè)挖掘鏟靜止挖掘 ， 挖掘阻力設(shè)定 5 000N。54 ANSYS 有限元分析結(jié)果由圖 13、圖 14 可知 : 挖掘鏟最大變形量 1334 4mm， 最大變形發(fā)生在挖掘鏟兩側(cè)鏟尖 ; 挖掘鏟最大應(yīng)力為 20 894MPa， 集中在挖掘鏟與機(jī)架連接的連桿上 ， 靠近機(jī)架處 ; 挖掘鏟的變形量與應(yīng)力強(qiáng)度均在材料的極限范圍內(nèi) ， 所以挖掘鏟設(shè)計符合結(jié)構(gòu)要求 。圖 13 挖掘鏟總變形圖Fig13 The displacement nephogram of digger blade圖 14 挖 掘鏟應(yīng)力圖Fig14 The stress nephogram of digger blade6 結(jié) 論1) 采 用 ANSYS 軟件對溫室三七收獲機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析 ， 靜力作用下機(jī)架最大應(yīng)力值 3527 7MPa，發(fā)生在電機(jī)安裝位置及縱梁連接處 ; 最大位移 2 958 3×10 1mm， 發(fā) 生在車尾處 。機(jī)架設(shè)計滿足強(qiáng)度和剛度要求 。2) 對溫室三七收獲機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析 ， 獲得機(jī)架的固有頻率 ， 對機(jī)架進(jìn)行頻率范圍為 0 30Hz 的諧響應(yīng)分析 ， 并且施加幅值為 720N 的正弦激勵載荷 ， 頻率 15Hz 時電機(jī)安裝位置處可能發(fā)生共振 ， 此時電機(jī)安裝位置處應(yīng)力和位移達(dá)到最大 ， 最大應(yīng)力為 434MPa， 最大位移為 2 03mm。機(jī)架滿足激勵載荷下的強(qiáng)度要求 。3) 對溫室三七收獲機(jī)挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析可知 : 挖掘鏟最大變形量 1 334 4mm， 發(fā)生在挖掘鏟兩側(cè)鏟尖 ; 挖掘鏟最大應(yīng)力 20 894MPa， 集中在挖掘鏟與機(jī)架連接的連桿上且靠近機(jī)架處 。挖掘鏟設(shè)計符合強(qiáng)度要求 。參考文獻(xiàn) : 1 楊 文彩 ， 朱有勇 ， 杜遷 ， 等 云南三七工廠化育苗工程技術(shù)體系分析 J 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報 ， 2012( 12) : 2069 2073 2 王 堯龍 ， 崔秀明 ， 藍(lán)磊 ， 等 立體栽培三七的光溫效應(yīng)及對光合的影響 J 中國中藥雜志 ， 2015( 15) : 2921 2929 3 孫 雪婷 ， 李磊 ， 龍光強(qiáng) ， 等 三七連作障礙研究進(jìn)展 J 生態(tài)學(xué)雜志 ， 2015( 3) : 885 893 4 李 超群 ， 楊文彩 ， 楊航 ， 等 基于 ANSYS 三七播種機(jī)機(jī)架的模態(tài)及諧響應(yīng)分析 J 制造業(yè)自動化 ， 2015( 7) : 77 79 5 于 進(jìn)川 ， 張兆國 ， 武占東 ， 等 懸掛式三年生三七挖掘收獲機(jī)的研制及試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2016， 38( 4) : 130 133， 164 6 張 兆國 ， 王法安 ， 張永成 ， 等 自走式三七收獲機(jī)設(shè)計與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 ， 2016， ( S1) : 234 240 7 薛 忠 ， 郭向明 ， 黃正明 ， 等 蘆筍施肥機(jī)機(jī)架有限元模態(tài)分析 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2014， 36( 6) : 23 26， 32·57·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期 8 李 琳琳 ， 王麗紅 ， 坎雜 ， 等 矮化密植紅棗收獲機(jī)騎跨式機(jī)架的有限元分析 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2017， 39( 1) : 25 31 9 柴 康杰 ， 胡志超 ， 游兆延 ， 等 基于 ANSYS 的半喂入花生摘果機(jī)機(jī)架模態(tài)分析 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2016( 8) : 407409 10 趙 宇楠 基于 ANSYS Workbench 的自卸車副車架動態(tài)分析 D 呼和浩特 : 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) ， 2014 11 王濤 ， 廖宇蘭 ， 楊怡 ， 等 木薯收獲機(jī)多階挖掘鏟設(shè)計及其力學(xué)特性分析 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2015， 37( 10) : 50 54 12 石 超 ， 楊然兵 ， 尚書旗 基于 UG 的花生收獲機(jī)挖掘裝置有限元靜力學(xué)分析 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2015， 37( 1) : 18 21 13 申 屠留芳 ， 張炎 ， 孫星釗 ， 等 灘涂文蛤收獲機(jī)挖掘鏟的設(shè)計與分析 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2016， 38 ( 11) : 113 117 14 張 華 ， 吳建民 ， 孫偉 翼鏟式馬鈴薯挖掘鏟有限元分析與試驗(yàn) J 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 ， 2012， 47( 4) : 127 129， 135Finite Element Analysis of Greenhouse Notoginseng HarvesterYang Haihui， Zhang Zhaoguo， Cui Zhenmeng， Cheng Yiqi( College of Modern Agriculture Engineering， Kunming University of Technology， Kunming 650500， China)Abstract: According to the requirements of new agronomic design in the greenhouse， we design a new notoginseng har-vester In order to improve its performance， we use ANSYS for the finite element analysis， to obtain the stress and de-formation under static loading and distribution The results show that the stress concentration occurs at the position of mo-tor installation， the connection of the frame longitudinal beam， the maximum deformation occurs at the end of the car，and the frame strength meets the requirements Modal analysis was carried out on the Frame， and natural frequencies andharmonic response analysis is carried out， on the frequency of 15Hz， resonance may occur at the placa motor installed，the machine installation location of maximum stress and displacement， maximum stress is 4 34MPa， the maximal dis-placement of 2 03mm The frame satisfies the strength requirement under the excitation load The static analysis of theexcavating shovel was carried out， and the maximum deformation of the excavated shovel was 1 3344mm and the maxi-mum stress was 20 894MPa This paper provides a theoretical basis for the vibration reduction and the optimization of theframe and excavating shovelKey words: greenhouse notoginseng harvester; frame; static analysis; modal analysis; harmonic response analysis·67·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期</p>