杜宗霖,張兆國(guó),劉偉健,潘 睿

(昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引言

三七是我國(guó)特有中藥材,主要產(chǎn)區(qū)在云南,傳統(tǒng)的三七種植于田間,由于三七具有連作障礙[1],三七可種植土地的減少與需求面積增加之間的矛盾日益凸顯。工廠化種植三七能解決連作障礙問題,已成為三七產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新模式[1-2]。

目前,國(guó)內(nèi)外三七收獲主要由昆明理工大學(xué)張兆國(guó)團(tuán)隊(duì)研究,田間種植的三七收獲機(jī)研究較為成熟[3-4]。對(duì)于工廠化種植條件,張兆國(guó)團(tuán)隊(duì)研究出一套溫室三七收獲機(jī),進(jìn)行了有限元分析[5],并針對(duì)此樣機(jī)的不足,設(shè)計(jì)了新型工廠化種植三七收獲機(jī)。新樣機(jī)采用了振動(dòng)收獲方式,因此其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與疲勞壽命更加需要關(guān)注。機(jī)架和振動(dòng)桿是收獲機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu):機(jī)架承載三七收獲機(jī)上各個(gè)機(jī)構(gòu),機(jī)架的性能關(guān)乎整機(jī)的安全可靠;振動(dòng)桿是三七收獲機(jī)上收獲部件相連的傳動(dòng)結(jié)構(gòu),持續(xù)受到交變載荷作用,振動(dòng)桿是否會(huì)發(fā)生疲勞失效,也是需要研究的問題。

1 整機(jī)與機(jī)架結(jié)構(gòu)

工廠化種植三七收獲機(jī)由振動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)及遙控系統(tǒng)等組成,如圖1所示。振動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)用來(lái)完成三七的挖掘與根土分離;履帶行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)在仿生種植工廠內(nèi)的行走作業(yè);動(dòng)力系統(tǒng)為履帶行走機(jī)構(gòu)和挖掘去土機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,動(dòng)力來(lái)自交流電,通過80m線輥接入;遙控系統(tǒng)控制該設(shè)備收獲與行走。

1.行走機(jī)構(gòu) 2.線輥 3.動(dòng)力機(jī)構(gòu) 4.升降機(jī)構(gòu) 5.振動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)

圖2為三七收獲機(jī)機(jī)架與振動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型。機(jī)架主體由40mm×40mm×4mm的方管焊接而成,振動(dòng)桿是振動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件。

圖2 機(jī)架與振動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)模型

2 機(jī)架模態(tài)分析計(jì)

2.1 模型前處理

在SolidWorks中完成建模,簡(jiǎn)化機(jī)架模型,忽略孔、螺紋、圓角等輪廓線,將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元仿真軟件;定義材料,選用Q235鋼,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用六面體和四面體的組合網(wǎng)格,單元尺寸設(shè)置為20mm;劃分完成得到節(jié)點(diǎn)數(shù)477 658,網(wǎng)格數(shù)98 842。

2.2 模態(tài)分析

由于在模態(tài)分析中,只有低階模態(tài)才對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析具有實(shí)際的參考價(jià)值[6],所以在ANSYS Workbench有限元軟件中求取機(jī)架的前6階(模態(tài)擴(kuò)展設(shè)置n=6)模態(tài),各階固有頻率與振型如圖3所示。

圖3 前6階模態(tài)振型

機(jī)架模態(tài)分析的固有頻率和振型圖結(jié)果表明:機(jī)架主要產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,在振動(dòng)過程中發(fā)生較大變形的位置主要集中在自由端處。

由于振動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速范圍為150～340r/min[7](即頻率為2.5～5.67Hz),路面激勵(lì)5～15Hz。由模態(tài)固有頻率可知機(jī)架的最低固有頻率為25.1Hz,因此避開了工作激振頻率,無(wú)論是低階振型還是高階振型,機(jī)架工作時(shí)均不會(huì)發(fā)生共振,設(shè)計(jì)安全可靠。

3 振動(dòng)桿的疲勞分析

3.1 疲勞分析原理

疲勞失效通常稱為高周疲勞,即結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間小于屈服極限的交變載荷的循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)就會(huì)突然斷裂。結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時(shí),壽命長(zhǎng)短與零自身材料性質(zhì)和所受工作載荷相關(guān)[8]。

目前,疲勞壽命的研究方法很多。本文研究振動(dòng)桿的疲勞壽命,主要討論疲勞裂紋形成壽命,分析方法主要有名義應(yīng)力法(S-N方法)、局部應(yīng)力應(yīng)變法(E-N法)、能量法等[9]。由于振動(dòng)桿運(yùn)轉(zhuǎn)工況為低應(yīng)力高周疲勞狀態(tài),因此采用S-N方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析,流程如圖4所示。

要計(jì)算振動(dòng)桿的疲勞壽命,必須有精確的振動(dòng)桿工作載荷譜、材料的S-N疲勞特性曲線及合適的累積損傷計(jì)算理論等。

圖4 疲勞壽命分析流程

3.2 累計(jì)損傷法則與材料S-N特性

疲勞累積損傷法是分析結(jié)構(gòu)在變應(yīng)力作用下疲勞壽命的基礎(chǔ)理論,本文采用Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論[10]計(jì)算疲勞損傷。

計(jì)算振動(dòng)桿疲勞壽命時(shí),還需材料的S-N疲勞壽命特性曲線,一般是基于材料試件在理想狀況下通過長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)獲得。選擇振動(dòng)桿材料為鑄鐵,其材料S-N曲線如圖5所示。

圖5 S-N疲勞特性曲線

3.3 載荷譜與疲勞雨流計(jì)數(shù)

載荷譜是疲勞分析的前提,需要分析振動(dòng)桿的受力情況與受力的運(yùn)動(dòng)周期,本文基于Recurdyn多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行疲勞分析。采用Mesh網(wǎng)格劃分模塊生成柔性體,定義剛性連接區(qū)域,定義振動(dòng)桿衡量幾何中心為主節(jié)點(diǎn)Node,再通過主節(jié)點(diǎn)Node生成FDR剛性連接區(qū)域,如圖6所示。

圖6 柔性體振動(dòng)桿

進(jìn)行剛?cè)狁詈线B接,建立振動(dòng)桿與機(jī)架的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型;添加運(yùn)動(dòng)副,設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副,添加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為340r/min,在鏟面添加1 000N水平的阻力與400N垂直阻力,篩面添加500N的水平阻力與200N垂直阻力。建立的仿真模型如圖7所示。

圖7 剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型

進(jìn)行仿真分析,設(shè)置仿真時(shí)間為1個(gè)工作周期0.176 5s,仿真步數(shù)為100步。Post模塊可查看動(dòng)力學(xué)特性與動(dòng)態(tài)應(yīng)力圖。振動(dòng)桿在不同時(shí)刻受到的力不同,以t=0.091 8為例,振動(dòng)桿的受力云圖如圖8所示,最大應(yīng)力為105.7MPa。

圖8 振動(dòng)桿受力云圖

同時(shí),可得到收獲機(jī)振動(dòng)桿上某單元節(jié)點(diǎn)的時(shí)間歷程載荷,如圖9所示。該曲線為某一節(jié)點(diǎn)上應(yīng)力的變化曲線。

圖9 振動(dòng)桿時(shí)間歷程載荷譜

確定歷程載荷譜后,需要統(tǒng)計(jì)載荷波形中的循環(huán)次數(shù),確定時(shí)間歷程中應(yīng)力應(yīng)變幅值,用于疲勞損傷計(jì)算。目前廣泛采用載荷雨流法[11],根據(jù)雨流計(jì)數(shù)原理可對(duì)振動(dòng)桿上各個(gè)節(jié)點(diǎn)或單元的時(shí)間歷程載荷譜中的應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)作用次數(shù)進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì),將結(jié)果輸出為三維載荷譜統(tǒng)計(jì)圖。圖10為振動(dòng)桿上同一節(jié)點(diǎn)的載荷雨流統(tǒng)計(jì)矩陣。

圖10 振動(dòng)桿載荷雨流統(tǒng)計(jì)矩陣

3.4 振動(dòng)桿疲勞壽命預(yù)測(cè)

利用Recurdyn中Durability模塊的Fatigue功能進(jìn)行疲勞壽命分析,選擇S-N曲線及加載振動(dòng)桿的時(shí)間歷程載荷譜,結(jié)合Palmgren-Miner線性累積損傷理論,對(duì)振動(dòng)桿進(jìn)行仿真計(jì)算。疲勞壽命分布云圖如圖11所示。

圖11 疲勞壽命分布云圖

由圖11可知:振動(dòng)桿的疲勞薄弱部位主要位于兩端支撐結(jié)構(gòu)的彎曲部位,最小疲勞壽命為1.05e11。按車架連桿最大轉(zhuǎn)速340r/min計(jì)算,等效于4.63e5h。

若按每天工作24h,每年工作365天的極限壽命計(jì)算,得車架連桿的使用壽命為52.7年。因此,連桿疲勞強(qiáng)度薄弱部位最小壽命滿足使用要求。

4 結(jié)論

1)對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析,在ANSYS Workbench中計(jì)算了前6階模態(tài),固有頻率為分別為25.1Hz、32.3、35.1、41.7、41.9、46.2Hz,避開了工作激振頻率,作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振,樣機(jī)設(shè)計(jì)安全。

2)對(duì)振動(dòng)桿進(jìn)行了疲勞壽命分析,在Recurdyn中建立振動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?仿真得到振動(dòng)桿的時(shí)間歷程載荷譜。結(jié)合Palmgren-Miner線性累積損傷理論,對(duì)振動(dòng)桿進(jìn)行仿真計(jì)算,得車架連桿的使用壽命約為52.7年,滿足設(shè)計(jì)要求。