聯合收獲機脫粒滾筒模態分析與結構參數優化

黃云林，李青林，姚成建

(江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

聯合收獲機是一種大型的復雜機械設備，零部件種類繁多，各部件間極易產生振動和噪聲。脫粒滾筒是聯合收獲機中必不可少的部件，主要作用是將輸送進入的水稻植株上的水稻谷粒與莖稈分離[1-2]。因此，在脫粒滾筒的結構設計中，為了滿足減低噪聲污染及避開外部激振頻率的目的，必須要使其結構同時滿足兩個條件：①足夠的強度和剛度；②相對比較合適的動態特征[3-4]。所以,為改善聯合收獲機的脫粒清選性能，避免滾筒工作時產生共振，優化脫粒滾筒的結構參數，對脫粒滾筒進行模態分析與優化就顯得尤為必要[5-6]。

針對聯合收獲機零部件類型繁多、工作條件復雜的特點，借助多軟件協同仿真接口技術，建立脫粒滾筒的CAD參數化模型及優化設計模型。借助于計算機輔助設計和制造技術來進行設計開發的主要目的是為了縮短聯合收割機的設計周期，降低生產制造成本，提高產品的質量，加速產品的更新換代，從而來提高企業對市場的反應[7]。

首先，需要對雷沃RG50稻麥聯合收獲機的脫粒滾筒建立三維模型，再通過有限元軟件對脫粒滾筒進行模態分析，得出脫粒滾筒的固有頻率和相應的振型圖；然后，通過力錘錘擊的方式，驗證有限元模型的可靠性，分析外部環境激振頻率是否與脫粒滾筒的固有頻率相一致，并通過改善其結構的方式來避開可能發生共振的頻率范圍；最后，在滿足脫粒滾筒強度和剛度的前提下，以減輕脫粒滾筒的質量為目的，提出了解決方案，為脫粒裝置結構優化設計提供設計依據。

1 脫粒滾筒有限元模型建立與分析

1.1 脫粒滾筒有限元模型的建立

稻麥聯合收割機縱軸流脫粒滾筒主要由齒桿、幅盤、釘齒、脫粒滾筒喂入頭和滾筒軸等部件組成，如圖1所示。

脫粒滾筒喂入頭主要由兩片螺旋喂入葉片和筒體組成。其中，螺旋葉片的主要功能是把通過輸送裝置傳送過來的稻麥快速推送至軸流滾筒處做螺旋運動[8]。

針對脫粒滾筒的結構特點，采用參數化建模的方式構建其幾何模型。這種方法不但可以縮短聯合收割機的設計周期，提高設計效率，還可以降低重復勞動[9-10]。因此，本文利用SolidWorks三維造型軟件，建立脫粒滾筒三維參數化模型，如圖2所示。

圖2 聯合收獲機脫粒滾筒模型

通過使用Workbench與SolidWorks之間的無縫連接，可以直接將模型快速導入Workbench，從而避免復雜模型數據的缺失。在Workbench的模態分析模塊對脫粒滾筒模型進行材料參數設置、網格劃分及求解。聯合收獲機的脫粒滾筒一般采用的材料為45鋼[11-12]，經查閱資料可知，其彈性模量為209GPa，密度為7 890kg/m3，松比為0.26。在網格劃分時采用自動劃分的方式，單元選擇Solid 20node186單元，將模型網格屬性的Smoothing設置為High。最終生成網格節點328 690個、單元103 534個。網格劃分后脫粒滾筒的有限元模型如圖3所示。

圖3 脫粒滾筒有限元模型

1.2 模態分析

模態分析主要是為了確定機械裝置的固有振動特性，即結構的固有頻率、阻尼比和振型。一般地，對于結構危害比較大的主要為低階頻率，因此不考慮高階振動頻率對滾筒的影響。根據聯合收獲機的實際工作情況，取脫粒滾筒的前6階模態進行剖析。采用有限元分析的方法對處于自由狀態下的脫粒滾筒進行模態分析?？紤]到滾筒在自由狀態下存在剛體模態，只對計算結果中非0的前6階模態振型和頻率進行計算分析[13-14]。模態分析時采用Lanczos的求解方法，獲取滾筒前6階固有頻率及相對應的模態振型，部分振型圖如圖4所示。由圖4可知：1階振型主要為脫粒滾筒的整體扭轉振動；2階振型主要的變形為彎曲變形，變形主要發生在脫粒滾筒尾部幅盤處；3階振型主要變形為彎曲變形，變形主要發生在脫粒滾筒前后端的幅盤處；4階振型主要為脫粒滾筒的后幅盤和軸頭的彎曲和扭轉變形；5階振型主要是彎曲加扭轉變形，變形主要發生在脫粒滾筒的前部幅盤；6階振型主要表現為滾筒整體的彎曲變形。

圖4 有限元分析的模態振型圖Fig.4 Mode shapes by finite element analysis

2 脫粒滾筒模態試驗

2.1 試驗方法

為驗證脫粒滾筒有限元模型建立的準確性，有必要進行脫粒滾筒的模態試驗。試驗主要通過激振器或力錘來敲擊部件，使待測件發生振動，經由數據采集卡同時搜集待測件振動時的輸入信號與輸出信號，并將數據導入計算機的軟件中，再經由計算機軟件對數據進行分析處理，獲得系統的模態參數，進而獲取脫粒滾筒結構振動的固有特性[15-16]。

試驗分析系統由沖擊力錘、數據采集系統和數據分析處理系統組成。其中，數據采集系統包含了加速度傳感器和數據采集卡；數據分析處理系統采用的是由加拿大UBC大學MAL實驗室生產提供的CutPro9.3軟件。模態試驗的基本原理如圖5所示。

圖5 模態試驗基本原理圖

模態試驗所需設備如表1所示。

表1 模態試驗中所需設備/儀器

為了確保滾筒的可辨識性，在使用力錘敲擊時需要避開結構的節點，指模態振型值為零的位置[17-18]。在使用錘擊法進行模態試驗時，需要試驗人員盡可能保留待測件原有的邊界條件，或采用懸掛法(即使用彈性繩將邊界條件在內的待測件懸掛起來)，或將待測件放置于泡沫塑料墊等彈性元件上，這樣可以很好地隔絕環境的影響[19]。采用錘擊法進行試驗的時候，一般有兩種實現方式：一種是在所有響應測點上安裝傳感器，在其中某一點上錘擊；另一種則是只在某一響應測點上安裝傳感器，移動力錘，分別在所有的響應測點位置上沖擊激勵[20]。前者的缺點在于粘貼多個傳感器，有時會引起相當大的質量載荷效應[21]。

試驗采取多點激勵單點測量的方式，共設置5個激振點：激振點1選在齒桿前端，激振點2選在滾筒軸中部，激振點3選在中部的幅盤處，激振點4選在釘齒桿和幅盤相互連接處，激振點5選在脫粒滾筒的尾部幅盤處。通過5次數據采集和參數識別，可以確保數據的可靠性與準確性。

模態試驗方法：首先將脫粒滾筒置于泡沫板上，避免脫粒滾筒與地面產生剛性接觸。在脫粒滾筒上布置相應的測點，用粘接膠將加速度傳感器粘接于所布置的測點處；然后，連接三向加速度傳感器、數據采集卡、沖擊力錘和計算機。用力錘敲擊脫粒滾筒上的激勵點，迫使脫粒滾筒產生振動，激勵信號由力錘上的傳感器傳輸至數據采集卡的同時，布置在脫粒裝置的三向加速度傳感器便可獲得滾筒受到振動時的數據，每個激勵點敲擊5次，取平均值。敲擊時力量要適中，不宜過大或者過小。力量過大會產生連擊，力量過小則無法激勵出激勵信號[22]。通過軟件對數據進行分析比較，從而得到脫粒滾筒的固有頻率等參數。圖6為模態試驗現場。

圖6 脫粒滾筒模態試驗現場

2.2 試驗結果

將試驗測得的數據導入電腦軟件中進行模態參數識別，可得出脫粒滾筒的前6階的振動頻率和阻尼比，如表2所示。為確保識別模態頻率結果的可信度，避免識別結果中出現虛假模態或者是丟失真實模態，需要進行模態振型的相關性驗證。本文采用模態置信準則對分析的模態參數進行校驗，圖7為校驗驗證結果。由圖7可以看出：各階次頻率之間具有較好的正交性，說明分析出的模態參數的可信度較高。

表2 試驗模態的固有頻率及對應阻尼比

圖7 模態判定直方圖

2.3 試驗結果分析

有限元計算結果與試驗結果對比如表3所示。

表3 有限元計算結果與試驗結果對比

由表3可知：試驗結果值與有限元分析的結果值最大相對誤差為6.48%，由脫粒滾筒試驗測得的頻率值與其計算分析所得值的結果非常接近?？梢?，本文所構建的有限元模型是可靠的。

3 外部環境激振頻率分析與結構優化

3.1 外部環境激振分析

模態分析的主要功能除了可以驗證有限元模型的準確性，還可以確保關鍵零部件的固有頻率與外界環境作用的頻率不同，避免共振的發生。因此，必須要了解清楚聯合收獲機外部環境的激振頻率。水田、發動機、割刀、軸流脫粒滾筒及振動篩等是聯合收獲機的外部環境激振的主要來源[23]。聯合收割機實際工作在水田里，其激振頻率一般小于3Hz；發動機正常工作時的轉速為2 400～2 600r/min，激振頻率為40～43.3Hz；割刀主驅動軸的轉速為420～480r/min，激振頻率為7～8Hz；軸流式脫粒滾筒在工作時的轉速為600～900r/min，激振頻率為10～15Hz；曲柄軸轉速為300r/min左右，激振頻率處于5Hz上下。通過與理論計算得出的頻率對比分析得到結論：此類型的脫粒滾筒可以避開共振。

聯合收獲機的實際制造成本高，整機質量大，減輕脫粒滾筒的質量不僅可以節約原材料，降低生產制造成本，而且還能降低能量功耗，減少碳排放，有利于節能環保。所以，必須要對聯合收獲機脫粒滾筒進行結構優化處理。

3.2 脫粒滾筒優化設計

結構優化設計是在給定約束條件下按某種目標，求出最好的設計方案[24]。拓撲優化是結構優化的一種，主要是對現階段設計的產品的質量進行相應的刪減。首先在初步設計好的產品內建立起一個由有限個單元構建而成的基結構，然后按照優化算法對受載荷的產品的體積與布局進行相關的優化，并給出較為準確的預測分析，選擇設計空間內對整體結構的強度沒有影響的單元進行刪除，剩余的單元就構成最終的優化方案。

按照上述闡述，以減輕脫粒滾筒的質量為主要的目標，在給定脫粒滾筒約束條件下，借助ANSYS Workbench平臺，利用其結構優化模塊的功能，分析建立起脫粒滾筒優化設計模型，對脫粒滾筒進行局部結構的優化。通過設置參數，將滾筒的整體質量減少30%，求解即可得到結果，如圖8所示。

圖8 脫粒滾筒拓撲優化云圖

由圖8可以看出，該脫粒滾筒上幅盤、筒體及導入葉片等處存在較大的優化空間。由于導入葉片和筒體的主要功能是將稻麥快速推送至軸流滾筒，磨損會比較嚴重，因此不考慮對葉片的厚度進行縮減。幅盤上大部分質量可以去除，即圖中黑色顯示為可去除部分，因此可以在幅盤上挖孔進行優化。

按照脫粒滾筒實際工作狀況，對脫粒滾筒優化后的模型進行強度校核，約束脫粒滾筒的Y、Z軸的移動和轉動，并限制其X軸的移動。由于脫粒滾筒實際工作時的轉速一般為600～900r/min，所以設置滾筒轉速為810r/min。與此同時，由于滾筒本身自重的存在，需要對其施加重力，分析求解可以獲得脫粒滾筒von-Mises應力云圖，如圖9所示。

圖9 脫粒滾筒von-Mises應力分布云圖

由圖9可以看出: 脫粒滾筒應力主要集中在幅盤與固定板連接處和齒桿與固定桿連接處，最大應力值為16MPa，遠小于材料的屈服極限235MPa，改進后的脫粒滾筒滿足強度剛度的要求。

通過對優化后的脫粒滾筒進行模態分析，獲得了脫粒滾筒的前6階固有頻率和振型，部分結果如圖10所示。由圖10可知：脫粒滾筒在減輕質量的同時,脫粒滾筒的各個低階固有頻率都不在聯合收獲機外部環境的激振頻率范圍之內。因此，滾筒在正常工作過程中可以很好地避免共振的發生。改良后的脫粒滾筒質量由本來的130.7kg降低到108.04kg，減少了17.3%。

圖10 有限元分析的模態振型圖Fig.10 Modle shapes by finite element analysis

4 結論

1)通過采用Solidworks三維軟件，完成了脫粒滾筒的三維參數化模型的構建，采用ANSYS Workbench獲得了脫粒滾筒的前階模態頻率和振型，并通過模態試驗測得脫粒滾筒實際的模態參數，將兩者進行比較分析，最大誤差為6.48%，所以所構建的有限元模型是精準可靠的。

2)闡明了脫粒滾筒的固有頻率，比較其與聯合收獲機外部環境激振頻率的關系。試驗結果表明：脫粒滾筒1階固有頻率為75.93Hz，與聯合收割機外部激勵頻率避開，說明在聯合收獲機正常工作過程時脫粒滾筒可以避開共振。

3)為了降低生產制造成本，對聯合收獲機脫粒滾筒的結構和布局進行優化，采用ANSYS Workbench中結構優化功能，對脫粒滾筒的結構布局進行了優化，改良了幅盤的結構特征，減輕了幅盤的質量。優化先后的脫粒滾筒質量減少了17.3%，且滾筒前6階模態頻率基本保持不變，可以在正常工作過程中較好地避開共振。