三点悬挂尖铲式小麦播种机机架振动特性分析

顾丽春+果霖+李欢

摘要：采用机械均匀播种小麦是解决传统播种方法播种密度不均匀而导致小麦群体过大、易倒伏、穗粒小等问题的重要措施，但是由于种种问题，机械播种的均匀度很难得到保证，其中播种机机架的振动是重要的影响因素之一。使用Solidworks建立机架的参数化模型并将其导入到ANSYS Workbench中进行预应力模态分析和谐响应分析。分析结果表明：机架低阶模态振频的范围是11.535～43.843 Hz；当尖铲受到的简谐载荷作用的频率为13.2～15.1 Hz 和22.9～25.1 Hz时，其变形响应最大，作业过程中可以通过调整作业速度来避开模态的振频和简谐载荷的相应频率来保证机架的稳定。

关键词：尖铲式小麦播种机；预应力模态分析；谐响应分析；ANSYS Workbench

中图分类号：S223.2+2 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2017）01-0214-03

小麦是我国最主要的粮食作物之一，为了提高小麦的产量，传统种植技术多以增加肥料、水分，提高播种密度等措施为主要方法，传统方法使小麦群体过大，进而不能得到充分的光照，导致了小麦易倒伏、穗粒小等问题[1-2]。优化传统种植方法的重要措施就是采用机械完成小麦的播种工作，但是由于种种问题，小麦播种机在实现均匀精密播种上存在一定问题[3]。

小麦播种机一般通过三点悬挂装置安装在拖拉机上，在播种的过程中，播种滚筒的转动会产生一定的振动；开沟尖铲进行破土时，由于土壤的坚实度不同，会对尖铲形成周期作用载荷[4]。

本研究使用ANSYS Workbench对某型号三点悬挂尖铲式小麦播种机机架进行模态分析和谐响应分析，得到其模态特性和在简谐载荷作用下的变形响应，为小麦播种机性能的评价及其优化设计提供一定的依据。

1 小麦播种机机架模型

小麦播种机机架由方钢管焊接而成，本研究的机架主要有支撑架和开沟尖铲组成，支撑架的宽度是460 mm，其长度为1 600 mm。利用Solidworks根据机架的具体尺寸建立支撑架和尖铲的参数化模型，并将它们组装到一起，形成装配体，将装配体导入到ANSYS Workbench中作为后续的分析模型，如图1所示。

支撑架的材料为45号钢，在ANSYS Workbench中提供了这种材料的模型，可以直接调用[5]；尖铲采用的是灰铸铁，将其材料特性按照表1所示的参数进行调整。

2 预应力模态分析

2.1 预应力模态分析

模态分析是一种计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括振频和振型，对结构进行模态分析，能得到其振动特性，避开外界干扰频率，进而避免共振现象的发生[6]。

模态分析又可以分为自由模态分析和预应力模态分析。与预应力模态分析相比，自由模态不考虑结构受到的约束和载荷，而预应力模态分析考虑结构受到的约束和载荷，其分析结果更加准确[7]。

2.2 求解预处理

对几何模型划分网格是有限元分析的必要步骤之一，网格单元的质量将直接影响后续分析过程的速度以及分析结果的准确性。对于立体几何模型来说，单元的形状主要有四面体和六面体，单元的形状越不规则，其求解的误差就会越大[5]。本研究利用ANSYS Workbench提供的自动网格划分的方法对几何模型进行划分，并控制单元小于6 mm，划分完网格的几何模型共含有10 775 96个节点和58 979 4个单元。

小麦播种机工作时，机架是通过三点悬挂式机构安装在拖拉机上的，本研究在机架三点悬挂机构的孔上施加3个圆柱约束，模拟其工作时受到的约束情况。

2.3 结果分析

由于小麦播种机受到外界干扰的频率一般较低，根据实际需求求解机架前六阶模态，前六阶模态的振频在11.535～43.843 Hz之间（表2）。

从机架第一阶模态振型云图（图2）中可以看出，三点式悬挂机构的变形不大，最大的变形出现在机架的尾部和落种滚筒的安装位置上；整体变形关于中心面成对称分布。

从机架的第二阶模态振型云图（图3）中可以看出，支撑架的前部和悬挂机构的变形较小，最大的变形出现在支撑架的后部，尤其出现在种子斗的中间位置，整个机架的变形关于中心面成对称分布。

从机架的第三阶模态振型云图（图4）中可以看出，机架整体的变形成波浪状，最大的变形出现在支撑架的尾部和种子斗的边缘。

從机架的第四阶模态振型云图（图5）中可以看出，机架的两端都出现了上翘，最大的变形位置出现在种子斗的中部。

从机架的第五阶模态振型云图（图6）中可以看出，最大变形出现在了边缘位置的开沟尖铲上，整个机架都发生了较大扭曲。

从机架的第六阶模态振型云图（图7）中可以看出，最大的变形出现在开沟尖铲上，机架其他部分的变形较小。

3 谐响应分析

在模态振型云图中， ANSYS Workbench默认的是关于质量矩阵归一化的模态，图中所示的数值大小并不是真实的位移尺寸，只是个点位移的比值[8-9]。为了得到机架更加准确的振动特性，需要对机架进行谐响应分析，得到机架在一个频率范围中频率与位移的关系。

3.1 谐响应分析预处理

由上一部分的模态分析可知，前六阶模态的振频范围是11.535～43.843 Hz，在开沟的过程中，由于播种机行进的速度较慢，所以其受到的简谐作用载荷的频率一般较小，所以将作用在犁铲上的载荷频率的最大值设置为30 Hz，最小频率设置为0 Hz，大小设置为0.1 MPa，作用在开沟尖铲的上表面上。

3.2 求解与结果分析

通过谐响应分析可以得到多种关于简谐载荷频率的变化曲线，如频率-应力响应曲线、频率-应变响应曲线、频率-加速度响应曲线、频率-变形响应曲线等，本研究主要考察小麦播种机机架的振动变形情况来评价小麦播种机的性能，所以只对机架的频率-变形响应曲线进行研究。

图8是载荷频率与机架在x方向上的变形响应曲线，可以看出当载荷频率范围在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz内时机架在x方向上出现较大变形响应，其相应的最大变形量为43.02 mm。

图9是载荷频率与机架在y方向上的变形响应曲线，可以看出当载荷频率范围在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz内时机架在y方向上出现较大变形响应，其相应的最大变形量为44.21 mm。

图10是载荷频率与机架在z方向上的变形响应曲线，可以看出当载荷频率范围在11.2～18.9Hz内时机架在z方向上出现较大变形响应，其相应的最大变形量为 2.54 mm。

4 结论

从上述的预应力模态分析和谐响应分析中得到如下结论：为了保证小麦播种机的正常工作，外界对其作用的干扰频率要避开其模态振频的频率，如11.535 Hz、43.843 Hz；当作用在尖铲上的简谐载荷的频率在13.2～15.1 Hz和22.9～25.1 Hz范围内时，机架会产生较大的变形响应，在播种过程中应該调整播种机的前进速度，避免出现上述频率的简谐载荷。

参考文献：

[1]吴九林，彭长青，林昌明. 播期和密度对弱筋小麦产量与品质影响的研究[J]. 江苏农业科学，2005（3）：36-38.

[2]李进永，郭 红，张大友，等. 播种方式和播种量对稻茬小麦生长的综合效应[J]. 江苏农业科学，2012，40（1）：78-80.

[3]梁素钰，封 俊，曾爱军. 我国小麦精密播种机的现状与发展趋势[J]. 农业机械学报，1998（增刊1）：85-88.

[4]许剑平，谢宇峰，陈宝昌. 国外气力式精密播种机技术现状及发展趋势[J]. 农机化研究，2008（12）：203-206.

[5]丁欣硕，凌桂龙. 5有限元分析案例详解[M]. 北京：清华大学出版社，2014：87-92.

[6]王 玲，李慧琴，李 燕，等. 自走式谷物联合收割机车架的有限元分析[J]. 江苏农业科学，2012，40（11）：385-387.

[7]李吉成，果 霖，朱景林，等. 基于ANSYSWorkbench小麦脱粒机离心风机叶轮有限元分析[J]. 云南农业大学学报，2015（6）：951-957.

[8]王军锋，陈 峰，陈俊杰. 刮板式花生脱壳机转轴部件的模态分析[J]. 江苏农业科学，2012，40（12）：376-378.

[9]赵运才，黄书烽. 立式粉磨机立柱模态与谐响应分析[J]. 矿业研究与开发，2012（6）：94-97.尹海魁，许 皞，李大伟，等. 中国土地自然类型划分的探讨[J]. 江苏农业科学，2017，45（1）：217-223.