韓余，肖宏儒，宋志禹，丁文芹，梅松，楊光

跨行自走式采茶機(jī)機(jī)架有限元分析

韓余，肖宏儒*，宋志禹，丁文芹，梅松，楊光

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014）

本文針對(duì)自走式采茶機(jī)的設(shè)計(jì)原理與農(nóng)藝需求，設(shè)計(jì)了一種跨行自走式機(jī)架。經(jīng)理論分析，確定該機(jī)架由空心圓鋼焊接而成。同時(shí)運(yùn)用ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)強(qiáng)度分析和振動(dòng)特性分析。靜力學(xué)分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生在機(jī)架左后方上部圓鋼焊接處，分別為27 Mpa和0.2 mm，表明機(jī)架強(qiáng)度滿足要求。約束模態(tài)分析得出了機(jī)架前六階模態(tài)陣型與模態(tài)頻率：第一、二、五階為彎曲模態(tài)，第三、四為扭轉(zhuǎn)模態(tài)，第六階為彎扭組合模態(tài)；前六階主頻率分別為18.021、25.346、31.636、36.209、45.892、51.694 Hz。分析可知，自走式采茶機(jī)激振源主要包括：為發(fā)動(dòng)機(jī)——38.3～41.7 Hz、切割器——20 Hz、路面激勵(lì)低于3 Hz，與機(jī)架前六階主頻率相互錯(cuò)開(kāi)，故而機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。研究表明設(shè)計(jì)的機(jī)架滿足自走式采茶機(jī)的總體工作要求。

自走式采茶機(jī)；機(jī)架；有限元；模態(tài)分析

我國(guó)茶葉生產(chǎn)機(jī)械化水平低下，用于實(shí)際生產(chǎn)的采茶機(jī)均為小型機(jī)，功率小、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；進(jìn)口的大型自走式采茶機(jī)因價(jià)格、采茶技術(shù)要求差異等因素，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)的機(jī)械化采茶作業(yè)。近年來(lái)，在農(nóng)村勞動(dòng)力日趨緊缺的情況下，國(guó)內(nèi)提供給茶農(nóng)的可用機(jī)型常不能滿足采茶期的用工需求，而茶葉時(shí)令性強(qiáng)，鮮葉不及時(shí)采摘，茶園產(chǎn)量降低，影響茶農(nóng)的收益，茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重制約[1]。因此，研究開(kāi)發(fā)大型自動(dòng)化、高效自走式采茶機(jī)，提高茶葉生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化水平，是促進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急，也是擺脫我國(guó)采茶機(jī)械化技術(shù)落后之困境的迫切需求。機(jī)架作為自走式采茶機(jī)的主體承載連接部件，其力學(xué)及振動(dòng)特性的好壞直接影響采茶機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性、可靠性與采茶質(zhì)量。為此，本文運(yùn)用ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)架進(jìn)行力學(xué) 特性與振動(dòng)特性分析，以得到高質(zhì)量的跨行自走式采茶機(jī)機(jī)架。

1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于自驅(qū)型作業(yè)機(jī)械，機(jī)架是連接行走機(jī)構(gòu)與工作裝置的橋梁，起著承載整機(jī)的作用。機(jī)架在滿足剛度和強(qiáng)度要求的情況下，質(zhì)量愈輕愈好。合理選擇界面形狀既能提高機(jī)架的剛度和強(qiáng)度等力學(xué)性能，又能更好的發(fā)揮材料之性能，減輕重量。由力學(xué)知識(shí)可知，圓形空心截面的抗彎剛度與強(qiáng)度好，矩形空心截面雖不及圓形空心界面，但是其抗扭界面剛度與系數(shù)大，并且空心矩形截面材料易于零部件的安裝連接。采茶機(jī)要求具有1 m的最大地隙，故確定機(jī)架為空心圓鋼和空心方鋼焊接而成的“冂”型結(jié)構(gòu)，下端與行走裝置固接，如圖1所示。

圖1 機(jī)架Fig.1 Steel-pipe frame design

2 有限元分析

2.1 機(jī)架有限元模型

機(jī)架由多段圓鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，宜先在三維繪圖軟件中建好模型后，導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行有限元模型建立[2]。本文運(yùn)用Pro/E建立幾何模型，然后導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行有限元建模。用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格化分，材料為鋼，材料屬性為：剪切模量——210Gpa，泊松比——0.03，密度——8.785×10-9kg·m-3。

采茶機(jī)靜止情況下，認(rèn)為護(hù)板固定約束于底盤之上，故認(rèn)為其受固定約束。受力條件為：發(fā)動(dòng)機(jī)座承受發(fā)動(dòng)機(jī)自身重力600 N，駕駛員座位處受力700 N，機(jī)架前方上承載傳動(dòng)系統(tǒng)總成，左右受力近似對(duì)稱，為200 N。這些受力均假設(shè)為集中載荷作用于相應(yīng)承受部件質(zhì)心處[3]，有限元模型如圖2所示。

2.2 靜力學(xué)分析

將機(jī)架受到的靜力載荷施加于有限元模型后如圖3所示。靜力分析得應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D分布如圖4、5所示?？梢钥闯鲎畲髴?yīng)力、應(yīng)變發(fā)生在機(jī)架左后方上部圓鋼焊接處，分別為27 Mpa和0.2 mm，可知結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2.3 模態(tài)分析

振動(dòng)是物體的一種固物理特性，有時(shí)我們需要利用物體的振動(dòng)特性，有的時(shí)候我們又要避免振動(dòng)的發(fā)生[4]。采茶機(jī)振動(dòng)太大，將嚴(yán)重影響采摘質(zhì)量；而機(jī)架是自走式采茶機(jī)的整體框架，承載著其它系統(tǒng)，如果其振動(dòng)特性差，容易引起整機(jī)的振動(dòng)，不僅影響采茶質(zhì)量，還影響機(jī)器的壽命及作業(yè)安全。因此，對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，研究振動(dòng)特性，對(duì)與自走式采茶機(jī)的開(kāi)發(fā)是必要的。

在原有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行約束模態(tài)分析，得出機(jī)架的前六階模態(tài)陣型與模態(tài)頻率，以分析機(jī)架的振動(dòng)特性。主頻率分布如圖6所示，分別為18.021、25.346、31.636、36.209、45.892、51.694Hz。所得前六階陣型如圖7所示，可以看出第一階、第二節(jié)、第五階為彎曲模態(tài)，第三階、第四階、扭轉(zhuǎn)模態(tài)，第六階為彎扭組合模態(tài)。

3 外部激振特點(diǎn)分析

機(jī)架的外部激振源主要為發(fā)動(dòng)機(jī)、切割器、及路面激勵(lì)。切割器的最佳工作轉(zhuǎn)速一般為700 r·min-1，往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率為20 Hz；發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為230～2500 r·min-1之間，即頻率范圍為38.3~41.7Hz；風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為2500 r·min-1，頻率最高可達(dá)41.7 Hz；規(guī)范化的茶園路面較平整，平坦土路地面隨機(jī)激勵(lì)頻率一般低于3 Hz[5]。綜上可見(jiàn)，自走式采茶機(jī)的外部激勵(lì)與機(jī)架前六階主頻率相互錯(cuò)開(kāi)，故而正常作業(yè)作時(shí)，機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。

圖2 機(jī)架有限元模型Fig.2 FEM model of frame

圖3 機(jī)架靜力分析Fig.3 Statistic analysis of frame design

圖4 應(yīng)力Fig.4 Static stress

圖5 靜力應(yīng)變Fig.5 Static strain

圖6 主頻率分布Fig.6 Principle frequency

4 結(jié)論

4.1 本文設(shè)計(jì)了一種跨行自走式采茶機(jī)機(jī)架，具有質(zhì)量輕、地隙高、重心穩(wěn)定等特點(diǎn)。

4.2 運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)采茶機(jī)機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性分析。靜力分析得出最大應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生在機(jī)架左后方上部圓鋼焊接處，分別為27 Mpa和0.2 mm，表明機(jī)架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；約束模態(tài)分析得到機(jī)架前六階模態(tài)分別為18.021、25.346、31.636、36.209、45.892、51.694 Hz，與采茶機(jī)外部激振源的頻率相互錯(cuò)開(kāi)，故采茶機(jī)正常作業(yè)時(shí)，機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。分析表明設(shè)計(jì)的自走式采茶機(jī)機(jī)架滿足采茶機(jī)的工況需求。

4.3 盡管本文在有限元建模時(shí)做了合理的簡(jiǎn)化，且沒(méi)有做機(jī)架實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析；但是，一方面ANSYS的有限元分析結(jié)果的正確性已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)同行的認(rèn)可，另一方面物理樣機(jī)田間試驗(yàn)過(guò)程中力學(xué)特性與振動(dòng)特性的確滿足要求，故本文的分析具有較高的可信度。后續(xù)也可進(jìn)行機(jī)架實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)驗(yàn)證分析結(jié)果，與有限元分析聯(lián)合做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 韓余,肖宏儒,宋志禹,等.茶園機(jī)械發(fā)展新動(dòng)態(tài)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013,34(3):13-16.

[2] A.L. Delitsyn, S. I. Kruglov. Mixed finite elements used to analyze the real and complex modes of cylindrical waveguides [J]. Moscow University Physics Bulletin, 2011,66(6):546-551.

[3] 張洪偉,張以都,王錫平,等.基于 ANSYS 參數(shù)化建模的農(nóng)用車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(3): 35-38.

[4] 陳奎孚.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2011:310-337.

[5] 汪小朋,劉文彬,黃俊杰,等.路面隨機(jī)激勵(lì)下的汽車振動(dòng)仿真分析[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2010,18(3):7-11.

Finite Element Analysis on Steel-frame Designed for Self-propelled Tea Picker

HAN Yu，XIAO Hong-Ru*，SONG Zhi-Yu，DING Wen-Qin，MEI Song，YANG Guang
（Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture，Jiangsu，Nanjing 210014，China）

The design of a steel-pipe frame for the self-propelled tea picker was subjected to a finite element analysis to determine its engineering durability. Statics of the design, as evaluated by ANSYS, showed a maximum stress of 27 Mpa and strain of 0.2 mm could be exerted on the welding at the top-left-rear corner of the frame. And, they were within the design tolerance. The vibration analysis on the design indicated that the 1st, 2ndand 5thwere in a bending mode, the 3rdand 4tha torsional mode, and the 6tha bending-and-torsion mode. The principle frequencies of the modes were 18.021, 25.346, 31.636, 36.209, 45.892 and 51.694 Hz for the 1stthrough the 6thmode, respectively. The analysis also showed the sources of vibrations were 38.3～41.7 Hz coming from the engine, 20 Hz from the cutter, and 3 Hz or lower from the ground-surface friction. Thus, the vibrations would not likely to resonate with the 6 modes listed above to cause a concern for the mechanical integrity of the picker frame. Consequently, the design was considered safe and functional for the engineering requirements.

self-propelled tea picker; frame; FEM; model analysis

圖7 機(jī)架前六階振型Fig.7 First 6 Model of frame design

S233.74

A

2015-03-31 初稿；2015-06-11 修改稿

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)基金（201303132）、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-23），中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程果蔬茶創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

韓余（1987-），男，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備工程技術(shù)。

*通訊作者：肖宏儒（1957-），男，研究員，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程裝備。E-mail: xhr2712@sina.com