蔡明青 阮建雯 朱景林
摘要:水稻工廠化機械育秧具有成本低、秧苗生長整齊等特點,由于水稻種子具有體積小、質(zhì)量小等特點,育秧播種機的振動會對落種的密度和均勻度造成較大的影響。針對該問題,以某型號水稻秧盤育秧流水線機架為研究對象,建立機架的參數(shù)化模型,并對其進行模態(tài)及諧響應分析,得到機架前6階模態(tài)振動特性以及播種機構(gòu)所在節(jié)點在各個方向上的位移與頻率的關系等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:當外界的激勵頻率在50~70.5、92~105 Hz范圍內(nèi)時,播種機構(gòu)所在的節(jié)點會產(chǎn)生較大的位移,對落種質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴重的影響。研究結(jié)果可為水稻秧盤育秧流水線的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
關鍵詞:水稻秧盤育秧流水線;模態(tài)分析;諧響應分析;精密播種
中圖分類號: S223.1+3 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2016)07-0369-03
水稻是中國主要的糧食作物,種植面積高達3 000萬hm2,隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和農(nóng)業(yè) 摘要:水稻工廠化機械育秧具有成本低、秧苗生長整齊等特點,由于水稻種子具有體積小、質(zhì)量小等特點,育秧播種機的振動會對落種的密度和均勻度造成較大的影響。針對該問題,以某型號水稻秧盤育秧流水線機架為研究對象,建立機架的參數(shù)化模型,并對其進行模態(tài)及諧響應分析,得到機架前6階模態(tài)振動特性以及播種機構(gòu)所在節(jié)點在各個方向上的位移與頻率的關系等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:當外界的激勵頻率在50~70.5、92~105 Hz范圍內(nèi)時,播種機構(gòu)所在的節(jié)點會產(chǎn)生較大的位移,對落種質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴重的影響。研究結(jié)果可為水稻秧盤育秧流水線的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
關鍵詞:水稻秧盤育秧流水線;模態(tài)分析;諧響應分析;精密播種
中圖分類號: S223.1+3 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2016)07-0369-03
機械化的不斷推進,水稻工廠化機械育秧得到了廣泛推廣,具有成本低、秧苗生長整齊等特點[1]。育秧盤上種子密度、均勻度等因素對育秧質(zhì)量有著重要的影響,由于水稻種子具有體積小、形狀結(jié)構(gòu)差別大、質(zhì)量小等特點,給工廠化育秧機械的落種精度提出了更高的要求。水稻工廠化育秧多采用流水線式的水稻秧盤育秧流水線進行育秧,該育秧機的落種部分一般由落種機構(gòu)、驅(qū)動電機、覆土機構(gòu)、灑水機構(gòu)等組成,驅(qū)動電機工作時伴隨著振動,若其振動頻率和機架的固有頻率相接近,會發(fā)生共振,將嚴重影響落種質(zhì)量[2]。
以某型號的水稻秧盤育秧流水線的機架為研究對象,利用ANSYS Workbench對機架進行模態(tài)及諧響應分析,得到機架的振動特性,以期為育秧播種機的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
1 機架模型
水稻秧盤育秧流水線機架采用槽鋼焊接而成,主要由支架、工作臺、橫梁組成,其中工作臺長度為2 400 mm,工作臺寬度為545 mm,支架高度為390 mm。落種機構(gòu)、驅(qū)動電機、覆土機構(gòu)、灑水機構(gòu)通過螺栓安裝固定在工作平臺上。利用Creo建立機架的三維模型(圖1)。由于ANSYS Workbench無法直接使用Creo默認的模型文件格式,本研究將建立的三維模型轉(zhuǎn)化為“*.igs”格式的模型文件,并導入到ANSYS Workbench中。
2 模態(tài)分析
2.1 分析原理
結(jié)構(gòu)的振動特性包括固有振型i和其對應的振動頻率ωi,模態(tài)分析是一種計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術。振型i和振動頻率ωi有公式1所示的關系[3]:
2.2 定義材料與網(wǎng)格劃分
機架的材料為Q235,其密度為7 850 kg/m3,泊松比為03,彈性模量為2E11Pa,在ANSYS Workbench材料庫中建立一種名稱為Q235的材料,并設置相應的參數(shù),再將該材料應用到機架上。
網(wǎng)格質(zhì)量對仿真分析結(jié)果的影響非常大,通常用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度來衡量網(wǎng)格的質(zhì)量,網(wǎng)格密度的增加能在一定范圍內(nèi)提高網(wǎng)格質(zhì)量,但是網(wǎng)格密度增加會增加計算機儲存空間和計算速度,較為理想的情況為分析結(jié)果不再隨網(wǎng)格密度的改變而改變[4]。在ANSYS Workbench提供了多種不同的網(wǎng)格劃分方法,如自動網(wǎng)格劃分、六面體主導網(wǎng)格劃分、四面體網(wǎng)格劃分、掃掠法等[5]。本研究采用六面體主導的網(wǎng)格劃分方法,并將最大網(wǎng)格尺寸設置為5 mm。劃分完成的模型共有43 766個單元、255 088個節(jié)點。
2.3 約束與求解設置
在水稻秧盤育秧流水線工作過程中,機架是支架底部是固定在地面上的,在支架底面上施加由ANSYS Workbench提供的固定約束來模擬機架工作時所受到的約束。
在結(jié)構(gòu)的振動過程中,低階模態(tài)起著主要作用,相比低階模態(tài),高階模態(tài)對結(jié)構(gòu)振動的貢獻較小,且衰減很快,本研究根據(jù)機架的實際工作情況,采用Block Lanczos法計算機架的前6階模態(tài)[6]。
2.4 模態(tài)分析結(jié)果
經(jīng)過求解計算和后處理,得到機架前6階模態(tài)的振頻和對應的振型,振頻情況見表1,前6階的振頻范圍為21.668~94.249 Hz。
機架的第1階模態(tài)振型云見圖2-a,可見工作平臺的中間部分向下塌陷,最大位移出現(xiàn)在平臺的中間位置,支架的變形較小。機架的第2階模態(tài)振型云見圖2-b,可見工作平臺中間部分向上突起并扭曲,工作平臺同時向內(nèi)彎曲,最大位移出現(xiàn)在平臺的中間位置,支架的變形較小。機架的第3階模態(tài)振型云見圖2-c,可見工作平臺中間部分向上突起并扭曲,最大位移出現(xiàn)在平臺的中間位置,支架的變形較小。機架的第4階模態(tài)振型云見圖2-d,可見工作平臺呈一個“S”形,最大位移出現(xiàn)在工作平臺靠近支架的位置。機架的第5階模態(tài)振型云見圖2-e,可見工作平臺中間部分的變形量較小,最大變形出現(xiàn)在工作平臺的兩端,工作平臺的兩端均向下偏移。機架的第6階模態(tài)振型云見圖2-f,可見工作平臺中間部分的變形量較小,最大變形出現(xiàn)在工作平臺的兩端,工作平臺的一端向上偏移,另一端向下偏移,支架的變形較小。
3 諧響應分析
在模態(tài)振型云圖中,ANSYS Workbench默認的是關于質(zhì)
量矩陣歸一化的模態(tài),圖中所示數(shù)值,并不是真實的位移尺寸,只是點位移的比值[7]。為了得到機架更加準確的振動特性,需要對機架進行諧響應分析,得到機架在1個頻率范圍中頻率與位移的關系。
3.1 諧響應分析原理
諧響應分析通過對頻域的掃描,進而分析結(jié)構(gòu)在不同頻率和幅值載荷作用下的響應,從而探測共振。物體的通用力學方程為[4,8]:
3.2 諧響應分析設置
由機架的模態(tài)分析可知,前6階模態(tài)的振頻范圍為21668~94.249 Hz,由于高階頻率對結(jié)構(gòu)共振的貢獻較小,所以在該范圍內(nèi),機架發(fā)生嚴重振動可能性較大[9]。在諧響應分析中,根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果將諧響應分析的求解頻率段設置為20~120 Hz,為了得到較為準確的頻率與位移之間的關系曲線,頻率掃描間隔選擇為0.5 Hz,即在求解頻率范圍內(nèi)進行200步計算。
3.3 求解與后處理
通過求解之后可以得到整個模型任意節(jié)點的頻率與位移之間的關系,但是育秧播種機的排種工作主要由排種機構(gòu)完成,為了準確分析排種機構(gòu)受機架振動的影響,選取排種機構(gòu)所在的節(jié)點進行后處理,分別得出排種機構(gòu)所在節(jié)點的頻率與節(jié)點沿x軸方向的位移關系曲線、頻率與節(jié)點沿y軸方向的位移關系曲線、頻率與節(jié)點沿z軸方向的位移關系曲線。
節(jié)點在x軸方向的位移主要影響種子在x軸方向的相對距離,頻率與機架沿x軸方向的位移關系曲線見圖3,該曲線由多個極值,其中在20.0~65.5、90.0~91.0、93.0~94.5 Hz 范圍內(nèi)會出現(xiàn)相對較大位移,但是位移的最大值只有0.017 8 mm。
節(jié)點在y軸方向的位移主要影響種子的落種距離,頻率與機架沿y軸方向的位移關系曲線見圖4,該曲線有3個極值,其中在52.5~70.5 Hz范圍內(nèi)會出現(xiàn)相對較大位移,最大的位移值為36.6 mm。
節(jié)點在z軸方向的位移主要影響種子在z軸方向的相對距離,頻率與機架沿z軸方向的位移關系曲線見圖5,該曲線有3個極值,其中在50.0~70.5、92.0~105.0 Hz范圍內(nèi)會出現(xiàn)相對較大位移,位移的最大值為2.16 mm。
從上述分析可以看出,排種機構(gòu)所在的節(jié)點沿x軸方向的位移較小,不會對播種密度和均勻度造成太大的影響;當頻率在50.0~70.5、92.0~105.0 Hz范圍時,排種機構(gòu)所在節(jié)點沿y軸和z軸方向位移較大,會對落種質(zhì)量產(chǎn)生較大影響;雖然在排種機構(gòu)所在的節(jié)點沿y軸方向的位移不會直接影響種子密度和均勻度而造成直接的影響,但是過大位移還是會間接影響播種的質(zhì)量,同時過大位移同時可能對育秧播種機其他機構(gòu)造成一定的影響。
4 結(jié)論
通過對某型號水稻秧盤育秧流水線機架的振動特性進行分析,得到如下結(jié)論:(1)為了保證育秧播種機的正常工作運行,應當避免使用振動頻率在50.0~70.5、92.0~105.0 Hz范圍內(nèi)的驅(qū)動電機。(2)機架工作平臺的中間部分一般是變形的最大區(qū)域,可以在平臺與支架之間增加橫梁構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu),或者增加支架的數(shù)量,來增強平臺的穩(wěn)定性。
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