腐熟剂喷施机械架部分轻量化设计方案

1、114 EN Ag 腐熟剂喷施机械机架部分轻量化设计-农学论文 腐熟剂喷施机械机架部分轻量化设计 季轩，黄世明，施诗，冯天玉，王焱清 (湖北工业大学农机工程研究设计院，武汉4 3 0 0 6 8 ) 摘要：为了解决腐熟剂喷施机械质量过重以及避免机架工作时发生共振的问 题，以喷施机械的机架部分作为研究对象，建立其有限元模型，并同时对拖拉 机系统振动的频率进行了分析。在有限元软件中对机架系统进行了静态分析和 模态分析，计算了机架系统在工作情况下的应力分布、变形以及固有频率。以 有限元分析结果和应避免拖拉机系统中的振动频率为约束对机架进行轻量化设 计，结合现实条件得出优化结果。结果显示，经过尺寸优化

2、，轻量化后机架系 统刚度、强度和模态均在可接受的范围内，机架系统总质量减少了6 5.0 6%，实现了轻量化目标。 关键词：腐熟剂喷施机械；机架；轻量化；有限元分析 中图分类号：S 4 9 2文献标识码：A 文章编号：0439 -8 (2 0 15) 19 4829-04 DOI:10.14088/j.c nki.iss n0439-8114.2015.19.045 Lightweight Design of Frame for De mposition Agent Spraying Machine JI Xuan，HUANG Shiming， SHI Shi， F G Tian yu， WAN

3、G Yan qing (Research and Design Institute of r icultural Mechanical Engineering， ub ei UniversityofTechnology,Wuhan4 3 0 068,China) Abstract:To solve the overweight pr ob lem of the decompositionagent spray in g machine and avoid frame resonance oc curring,finite element model(FEA) ac cording to the

4、 rack section was esta bl ished in Hypermesh and the vibration fr equenciesof the tractors were analy ze d. Moreover static analysis and norm al analysis were performed by FEA anal ys is softwareto calculatethe stress di stribution,deformationand natura 1 frequency of the frame under working co ndit

5、ion.With the vibrationfrequen cy of tractor as constraint,combining th e results of finite element analysis an d actual conditions,lightweightde si gn was carried out on the frame. The r es ults showed that through size optimi za tion,the weight of frame decreased by 65.0 6 %, and the stiffness,stre

6、ngth chieved. Key words:decomposition spraying ma chine; frame; light weight structure s; finite element analysis 收稿日期：2015 03 14 基金工程：国家“十二五”农村领域国家科技计划工程（2013BAD0 8B00） 作者简介：季 轩（1 9 8 9 ），男，湖北武汉人，在读硕士研究生，研 究方向为农业机械装备，（电话）1 5 9 0 7 1 8 3 9 0 6 （电子信箱）34 9642442 ;通信作者，黄世明（1 9 6 4），男，高 级工程师，主要从事农业机械装备研

7、究，（电子信箱）1 7 5 3 1 1 3 4 7 1 。 造成中国雾霾天气的主要原因之一就是焚烧稻田秸秆，施用腐熟剂能够有效 地加速秸秆在田间腐蚀速度，使秸秆中所含的有机质及磷、钾等元素成为植物 生长所需的营养，实现农业的可持续发展1 -3。腐熟剂喷施机械置于拖 拉机前部，由拖拉机带动在田间作业，但在原有设计中，整体过重是使得此机 械难以架构在拖拉机上的重要原因，机架的轻量化是整个机械轻量化的重点。 同时此机械采用两种颗粒粉末混合喷施方式，但外部振荡容易造成分层，发生 巴西果效应。为防止腐熟剂喷施机械与拖拉机工作时的振动频率相近而产生共振，实现机架部分的轻量化必须以满足模态、强度和刚度为前提

8、。 OptiStruct是一款功能强大的结构优化设计软件，本研究采取的 是其中的尺寸优化方法。尺寸优化是最经典的优化技术，可以对有限元模型的 板件厚度、杆梁截面尺寸、材料特性、弹性元件刚度进行优化4,5。 1有限元模型的建立 1.1机架模型的建立 在Catia中建立了机架部分的三维模型，包括机架和料斗。机架使用的 等边角钢（密度为7.8X103 kg/m3，弹性模量为2.1X105 Pa，泊松比为0.3，规格为63 mmX63 mmX6mm）焊接而成。 斗材质与角钢相同，截面厚度为5 mm。图1为建立的三维模型。 1机無卵井三维機舉 I 将机架三维模型导入有限元前处理软件H ypermesh后

9、，角钢部分转 化为1D的bar2单元，横截面如图2所示；料斗部分转化为shel 1单 元，壳体厚度为5 mm。 11粕諏様敲直 网格划分时，略去了部分小的倒角、装饰件和非承载件等对分析结果影响很 小的因素6。以网格尺寸为10 mm分别对机架和料斗两部分进行划分, 机架与料斗之间采用cweld单元的焊接方式进行连接。整个模型总结点数 为1 36 7 8个，bar2单元为9 0 7个，三角形单元为170个，四边形 单元为1 27 7 1个，机架有限元模型如图3所示。 00 3机架部分有限元桂甲 1.2拖拉机的振动频率分析 拖拉机在行驶过程中，车身结构在各种振源的激励下会产生振动。如果这些 振源的激

10、励接近机架的固有频率便会发生共振现象，使得料箱中的物料分层现 象加剧。在轻量化设计中，必须避开这些频率。经过分析得出，机械要避开的 振动频率主要有3种，分别是拖拉机系统的固有频率、路面不平时的振动频率 以及发动机的激励。国内已有国产拖拉机振动系统固有频率的研究结果表明， 国产拖拉机振动系统的垂直、俯仰和侧倾振动固有频率分别集中在34H z、2.83.8 Hz和2.93.9 Hz,3个方向的固有频率都呈现 随标定功率增大而逐渐减小的趋势7,8。路面不平时的振动频率主要是 车轮的转动角频率9。 发动机的激励是由于工作时曲轴、连杆及活塞运动的不平衡质量而引起的一 阶、二阶往复惯性力通过发动机与支架施

11、加在车架上。一阶往复惯性力频率fl 的计算公式为： f InZ 式中，Z为发动机缸数；t为发动机的冲程数；n为发动机的转速。 发动机二阶惯性力频率f2和一阶惯性力频率fl之间是2倍关系1 0。本研究选用的是东方红MF 5 5 0型轮式拖拉机，搭载一台四缸四冲程 发动机，怠速转速为7 5 0r/mi n,额定转速为22 0 0 r/min。 具体振动参数如表1所示。 1褂越开的振动類单 11.02-4407 U谨时育机一阶存里甫柱鬥药# 25 速盯-林叮机二阶住:址理打破f so 强足耗iW空汕机一站4M 性h ff -f-: 73 v二托逹时吐讪匚M X辻一血十 (46 1.3约束及载荷处理

12、本机械主要载荷是机架的自重以及料斗中物料的重量。机架的自重通过设置 垂直向下的重力加速度(9.8 m/s2 )施加，料斗中物料的重量为84k g,转换为2 0个集中载荷均匀施加在料斗底部。边界约束设置在机架的4个 脚处，约束条件为约束机架4个脚处的全部自由度。 2载荷工况下应力及模态分析 考虑到机械的工作状况，先对机架部分进行静态力学分析，查看系统的最大 形变以及最大应力，然后进行模态分析，查看系统的固有频率。 2.1机架结构模型静态力学分析 对机架部分进行静态力学分析，图4、图5分别是机架整体位移分布云图及 机架应力分布云图。该工况下最大位移为0 .16 6mm，最大位移发生在机 架与料斗连

13、接位置。最大Von Mises平均等效应力为17.6 MPa, 主要集中在料斗上与机架连接部分 图机擁僅舉云图 n .RV幅g ZD .卫”, ifi A pall Bk -JJ?-4E4J03 TiWE+OJ -母 毗屋应力云图 2.2机架结构模态分析 对机架施加约束进行模态分析，计算频率范围确定在015 0 Hz。得到 机架模型前110阶的模态频率和振型，如表2所示。不难得出机架的二阶 固有频率(4 8.13 Hz)与怠速时发动机二阶往复惯性力频率(50H z)相接近，机架的三阶固有频率(7 5.61Hz)与额定转速时发动机一 阶往复惯性力频率(73 Hz)相近，在这两阶模态时机架系统容易

14、与发动机 激励产生共振。 裘2机疑華羁根恋羸率和撮那 一附 机紧亠附ffl转 二齢 4JLIJ 机坚-韵弯曲 15.M 机無二附扭舛 1303 8 T71.47 3机架轻量化设计 3.1优化方程的建立 为了减轻机架系统的重量，并且结构形式已经确定，故对机架系统进行尺寸 优化设计。优化数学模型可表述为 Minimize ):寸丫山，:. 严) Aj A ) 0n?h 其中，X=(x1,x2,，xn )是设计变量，Xi表示的是产品的结 构尺寸；f (X)是目标函数，上角标L为下限，上角标U为上限；g(X)和 h(X)是需要进行约束的设计响应，对产品国祚时的变形和应力水平进行约 束4,6。 3.2设

15、计变量确定 优化设计有3个要素，即设计变量、目标函数和约束条件，其中设计变量是 发生改变从而提高性能的一组参数4。本机架主要结构是以架构在拖拉机 上而设计，结构不能随意改动。优化主要针对角钢的截面厚度以及料斗的厚度 进行优化，分别选择角钢截面（DIM1、DIM2、DIM3、DIM4） 4个尺寸以及料斗的厚度尺寸等一共5个参数作为设计变量。角钢的规格用边 长和边厚的尺寸表示。目前国产角钢规格为22 0号，以边长的厘M数为号 数，同一号角钢常有27种不同的边厚。根据实际情况，将角钢4个边的尺 寸与料斗厚度约束在实际需求规格范围内，即：30mmXi70 mm， 3 mmYi7 mm，2 mmZIMi

16、 63 30 70 1IV2 63 初 70 6 3 7 6 3 7 度 5 2 6 3.3约束条件 约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求4。本机械 在工作时要避免机架系统与拖拉机振动频率相近产生共振，现设置约束条件避 免机架系统前两阶固有频率与拖拉机外部激励频率相近。定义约束条件为：1 5 HzF120 Hz;30HzF245 Hz。其中F1、F2分别 为机架系统的一阶和二阶固有频率。 机架在工作时主要承受料斗及料斗中物料的重量，因此机架产生最大的垂向 位移。为保证机架的整体刚度，要求在工作条件下机架的垂向位移不能超过规 定值，本研究定义的最大垂直位移dmax=1.5 mm。

17、机架工作时还 需保证机架有足够强度，根据第四强度理论约束整个机架的Von Mises 平均等效应力。本研究中角钢的材料为Q 2 3 5，故最大许用应力刃=2 3 5 MPa。 3.4目标函数 目标函数要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数4。本机架的优 化目标是在避免机架发生共振并且满足强度与刚度等条件下，寻求质量最小的 尺寸分布方案，因此选择机架系统的质量作为尺寸优化目标函数。 3.5优化结果及分析 设置完成各种参数，经过Optistruct优化之后，首先得到了各变 量初步优化结果，再根据实际市场情况，选择最终尺寸优化结果，结果见表 4。最终选择的角钢规格为30 mmX30 mmX2 mm

18、，密度为7.8X1 0 3 kg/m3，弹性模量为2.1X105 MPa，泊松比为0 .3。 *4优前后对比 50 2 17.66 30 6 3 4 6 4 H 4 5 51 (h.l 料斗舐如 34 K5 297 图6、图7分别是优化后机架整体位移分布云图和机架应力分布云图。改进 后机架工作中最大位移为1.2mmdmax=1.5 mm，最大Vo n Mises平均等效应力为46.7MPa = 235 MPa，仍然都集中在料斗与机架连接的部分。 对改进后的机架进行模态分析，提取固有频率范围确定在015 0 Hz, 得到机架模型前115阶的模态频率和振型，如表5所示。由表5可以看 出，改进后的机

19、架系统固有频率成功避开发动机的外部激励频率，发生共振的 可能性较小。 -10IIMO I ex知 “n 2D 1PK 改进后班架应力云ag 表坟进后机変卒构怏抚频全 一阶 2030 肌帳-时讯軒 21.45 他架fg曲 机舉二讯转 Z KI Afifr 24 七阶 氐舉一篩弯阳 *5.71 十四矿： J 20-70 口架t斷弯柬1 十五能 151.94 PL衆翰扭牯 4结论 kg减少到 从上述分析计算结果可以看出，优化后的机架系统总质量从8 5 2 9.7 kg,减少了 6 5.06%。在极限工况下，最大垂直位从0 .16 6 mm提高到1.2 mm，最大Von Mises平均等效应力从16.7 MPa提高到4 6.7 MPa，均满足刚度和强度要求 优化后的机架系统固有频率更加合理，成功避开拖拉机系统固有频率、路面 的外部激励以及发动机的激励，减小了因机架系统发生共振导致料斗中物料分 层的可能性。 基于有限元的腐熟剂喷施机械机架部分轻量化设计方法，在农业机械设计领 域中有利于指导设计人员对机械尺寸进行精确的