溫室三七收獲機有限元分析楊 海慧 ， 張兆國 ， 崔振猛 ， 程一啟( 昆明理工大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院 ， 昆明 650500)摘 要 : 根據(jù)三七種植新農(nóng)藝的要求 ， 設計了一款應用于溫室種植模式的三七收獲機 。為提高其工作性能 ， 利用ANSYS 有限元軟件進行有限元分析 ， 獲取在靜載荷作用應力 、變形的大小及分布情況 。結果表明 : 應力集中發(fā)生在電機安裝位置及車架縱梁連接處 ， 最大變形發(fā)生在車尾處 ， 機架強度符合要求 。對機架進行模態(tài)分析 ， 獲得其固有頻率并進行諧響應分析 ， 分析可知 : 在頻率 15Hz 時電機安裝位置處可能發(fā)生共振 ， 此時電機安裝位置處應力和位移達到最大 ， 最大應力為 4 34MPa， 最大位移為 2 03mm， 機架滿足激勵載荷下的強度要求 。對挖掘鏟進行靜力學分析 ， 得到挖掘阻力 5 000N， 挖掘鏟最大變形量為 1 334 4mm， 最大應力為 20 894MPa。本文為后續(xù)溫室三七收獲機的減振以及機架 、挖掘鏟優(yōu)化提供了理論依據(jù) 。關鍵詞 : 溫室三七收獲機 ; 機架 ; 靜力學分析 ; 模態(tài)分析 ; 諧響應分析中圖分類號 : S22599 文獻標識碼 : 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)設施裝備 ， 已經(jīng)實現(xiàn)通過人工干涉 ， 以現(xiàn)代化 、企業(yè)化的模式實現(xiàn)種苗的規(guī)?；a(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)三七收獲機械研究不多 ， 典型代表有昆明理工大學張兆國研制的兩款三七收獲機 5， 一 款懸掛式 3 年生三七挖掘收獲機 ， 能夠有效地實現(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 ， 能夠一次性地完成三七挖掘 、分離 、收集等作業(yè) 6。為了實現(xiàn)溫室種植 三七的機械化收獲 6， 昆 明理工大學張兆國研制了一款溫室三七收獲機 。研究表明 : 溫 室三七收獲機作業(yè)過程中機架承力收 稿日期 : 2017 08 18基金項目 : 云南省科技創(chuàng)新重大專項 ( 2016FZ001)作者簡介 : 楊?；?( 1994 ) ， 男 ， 江 蘇揚中人 ， 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 ， 博士生導師 ， ( E mail) zhaoguozhang 163 com。最 多 ， 因而作用在機架上的激振力極易導致其產(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等部件 ; 同時 ， 收獲機在作業(yè)過程中與地面接觸所產(chǎn)生的隨機振動也會對機架產(chǎn)生影響 8， 當 外部激振頻率接近機架的固有頻率時 ， 會引發(fā)機架劇烈共振 ， 影響作業(yè)效果 。1 機架有限元分析11 建立機架三維模型在 Creo 三維軟件中建立如圖 1 所 示的參數(shù)化模型 。溫室三七收獲機的機架尺寸 : 長 寬 高為 3 330mm 1 460mm 540mm。整機主要由 3 個部分組成 :動力部件為電機 ， 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 架 2 電機 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Fig1 Notoginseng harvester for green house172019 年 1 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 1 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.01.01212 機架有限元模型導入及網(wǎng)格劃分經(jīng)過理論與經(jīng)驗分析 ， 對機架進行改進 ， 添 加 3 條橫梁 、2 條縱梁及 2 套支撐輪 ， 如圖 2 所示 。圖 2 改 進后的機架Fig 2 Improved frame在 有限元前期準備時 ， 簡化機架 ， 忽略車架上的附屬掛接結構 ， 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 ， 假設機架的密度均勻分布等 9。將 模型保存為 STP 文件格式后導入 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) 格劃分時設置單元尺寸為 40mm， 劃分后總結點數(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工作時的實際情況 ， 為模擬其行走工作狀態(tài) ， 設定前 4 個輪軸承處為固定約束 ; 其他各零部件的接觸選擇默認設定 bounded， 此處不考慮預應力 。2 機架結構靜力學分析21 機 架受力分析本文機架靜力學分析中 ， 機架受自身重力載荷與附屬結構重力載荷 ， 同時還承受收獲過程中的挖掘阻力 。本研究取機架重 3 000N， 均布在上下層機架上 ;電機重 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 架強度校核圖 4 為溫室三七收獲機機架的應力分析圖 ， 圖 5為機架靜力學分析的總變形圖 。由圖 4、圖 5 可知 : 最大應力發(fā)生在電機安裝位置及縱梁連接處 ， 最大應力3 527 7MPa， 最大變形發(fā)生在車尾處 ， 最 大 位 移2958 3 10 1mm， 機架的設計滿足強度要求 。圖 4 機 架應力圖Fig4 The stress nephogram of frame圖 5 機 架總變形圖Fig5 The displacement nephogram of frame3 模 態(tài)分析對三七收獲機 進行模態(tài)分析 ， 其結果主要包括前10 階振動頻率圖和其對應的振型云圖 ， 如圖 6 所示 。圖 6 機架模態(tài)固有頻率和階數(shù)圖Fig6 The frequencies and figure of the frame272019 年 1 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 1 期由 圖 7 可知 : 三七收獲機前 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 響應分析電機振動可能 導致溫室三七收獲機發(fā)生共振 ， 電機產(chǎn)生的振動可通過連接件傳遞到機架 ， 導致共振 ，本文對機架進行電機激勵下的諧響應分析 10。將 頻率范圍設置在 0 30Hz， 且施加幅值為 720N 的正弦激372019 年 1 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 1 期勵 載荷 ， 頻率 15Hz 處機架應力頻率響應值和位移頻 率響應值均最大 ， 如圖 8 和圖 9 所示 。圖 8 位 移 頻率響應曲線Fig8 Displacement frequency response curve圖 9 應 力 頻率響應曲線Fig9 Stress frequency response curve當 頻率為 15Hz 時 ， 機架將會產(chǎn)生共振 。將分析參數(shù)列表中的頻率改為 15Hz， 求解相應的等效應力和變形位移 。如圖 10、圖 11 所示 : 頻率 15Hz 時 ， 機架最大應力61 542MPa， 最大位移 2 03mm; 最大應力出現(xiàn)在電機安裝位置處及車架連接部位 ， 尚未超出材料屈服強度 。圖 10 機 架變形云圖 ( 15Hz)Fig 10 Total deformation of the frame圖 11 機 架應力云圖 ( 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 ， 因此本文設計的挖掘鏟鏟長 32cm， 鏟幅 1 35m， 單面鏟寬 10cm， 挖掘鏟傾角設置為 15。挖掘鏟結構如圖 12472019 年 1 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 1 期所 示 。圖 12 挖 掘鏟結構Fig12 Structure of digger blade52 挖掘鏟有限元模型建立挖 掘鏟結構特性會直接影響到收獲機作業(yè)效果 ，因此溫室三七收獲機的挖掘鏟應該具有較好的工作性能 、力學性能可靠且結構設計優(yōu)良 11 12。采 用Creo 軟件建立挖掘鏟的三維實體模型并導入 ANSYSworkbench14 0， 設置單元尺寸 20mm 進行網(wǎng)格劃分 ，劃分后得到的總節(jié)點數(shù)為 41 447， 總單元數(shù)為 18 512。53 挖掘鏟有限元靜力學分析挖掘鏟作業(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 處鉸接與機架固定 ， 此處分析中假設挖掘鏟靜止挖掘 ， 挖掘阻力設定 5 000N。54 ANSYS 有限元分析結果由圖 13、圖 14 可知 : 挖掘鏟最大變形量 1334 4mm， 最大變形發(fā)生在挖掘鏟兩側鏟尖 ; 挖掘鏟最大應力為 20 894MPa， 集中在挖掘鏟與機架連接的連桿上 ， 靠近機架處 ; 挖掘鏟的變形量與應力強度均在材料的極限范圍內(nèi) ， 所以挖掘鏟設計符合結構要求 。圖 13 挖掘鏟總變形圖Fig13 The displacement nephogram of digger blade圖 14 挖 掘鏟應力圖Fig14 The stress nephogram of digger blade6 結 論1) 采 用 ANSYS 軟件對溫室三七收獲機機架進行靜力學分析 ， 靜力作用下機架最大應力值 3527 7MPa，發(fā)生在電機安裝位置及縱梁連接處 ; 最大位移 2 958 310 1mm， 發(fā) 生在車尾處 。機架設計滿足強度和剛度要求 。2) 對溫室三七收獲機機架進行模態(tài)分析 ， 獲得機架的固有頻率 ， 對機架進行頻率范圍為 0 30Hz 的諧響應分析 ， 并且施加幅值為 720N 的正弦激勵載荷 ， 頻率 15Hz 時電機安裝位置處可能發(fā)生共振 ， 此時電機安裝位置處應力和位移達到最大 ， 最大應力為 434MPa， 最大位移為 2 03mm。機架滿足激勵載荷下的強度要求 。3) 對溫室三七收獲機挖掘鏟進行靜力學分析可知 : 挖掘鏟最大變形量 1 334 4mm， 發(fā)生在挖掘鏟兩側鏟尖 ; 挖掘鏟最大應力 20 894MPa， 集中在挖掘鏟與機架連接的連桿上且靠近機架處 。挖掘鏟設計符合強度要求 。參考文獻 : 1 楊 文彩 ， 朱有勇 ， 杜遷 ， 等 云南三七工廠化育苗工程技術體系分析 J 南方農(nóng)業(yè)學報 ， 2012( 12) : 2069 2073 2 王 堯龍 ， 崔秀明 ， 藍磊 ， 等 立體栽培三七的光溫效應及對光合的影響 J 中國中藥雜志 ， 2015( 15) : 2921 2929 3 孫 雪婷 ， 李磊 ， 龍光強 ， 等 三七連作障礙研究進展 J 生態(tài)學雜志 ， 2015( 3) : 885 893 4 李 超群 ， 楊文彩 ， 楊航 ， 等 基于 ANSYS 三七播種機機架的模態(tài)及諧響應分析 J 制造業(yè)自動化 ， 2015( 7) : 77 79 5 于 進川 ， 張兆國 ， 武占東 ， 等 懸掛式三年生三七挖掘收獲機的研制及試驗 J 農(nóng)機化研究 ， 2016， 38( 4) : 130 133， 164 6 張 兆國 ， 王法安 ， 張永成 ， 等 自走式三七收獲機設計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學報 ， 2016， ( S1) : 234 240 7 薛 忠 ， 郭向明 ， 黃正明 ， 等 蘆筍施肥機機架有限元模態(tài)分析 J 農(nóng)機化研究 ， 2014， 36( 6) : 23 26， 32572019 年 1 月 農(nóng) 機 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騎跨式機架的有限元分析 J 農(nóng)機化研究 ， 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機架模態(tài)分析 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學 ， 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 ， 2014 11 王濤 ， 廖宇蘭 ， 楊怡 ， 等 木薯收獲機多階挖掘鏟設計及其力學特性分析 J 農(nóng)機化研究 ， 2015， 37( 10) : 50 54 12 石 超 ， 楊然兵 ， 尚書旗 基于 UG 的花生收獲機挖掘裝置有限元靜力學分析 J 農(nóng)機化研究 ， 2015， 37( 1) : 18 21 13 申 屠留芳 ， 張炎 ， 孫星釗 ， 等 灘涂文蛤收獲機挖掘鏟的設計與分析 J 農(nóng)機化研究 ， 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 J 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報 ， 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 analysis672019 年 1 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 1 期