劉瑞林， 付 瓊， 王 石， 佘光宇

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

運用計算機三維模擬并采用有限元模態(tài)方法進行設備關鍵部件頻率計算分析是現(xiàn)代流行的實用且簡便準確的手段，針對初步設計機械設備的結構特性、材料屬性、設備的固有頻率及其振動形態(tài)進行模態(tài)分析，驗證初步設計的機械設備運行平穩(wěn)性和安全可靠性，并提供合理的參數(shù)范圍，從而在設計機械圖紙加工前對動力參數(shù)、結構參數(shù)、材料選擇及結構形式進行合理調(diào)整，保障設計的機械設備工作運行穩(wěn)定結構安全可靠。葡萄冬剪機機架在葡萄冬剪機工作運行中承載主要沖擊載荷，對于設備平穩(wěn)運行、結構安全可靠起著決定性的作用，對葡萄冬剪機機架進行模態(tài)分析論證其設計的合理性，得出各個關鍵部件科學合理的結構動力學特征及參數(shù)范圍，以指導進一步改進設計，從而設計出運行平穩(wěn)、安全可靠的葡萄冬剪機械化作業(yè)設備。

1 葡萄冬剪機機架設計

葡萄冬剪機懸臂結構如圖1所示，機架采用門式框架結構，由于橫梁承載著設備整套工作部件的質(zhì)量，所以在保障結構安全可靠的條件下橫梁選用普通鋼(Q235-A)材料，同時為了減輕機架的質(zhì)量，其余部分均選用硬鋁合金(LY)材料，硬鋁整體采用焊接及螺紋緊固形式連接，硬鋁合金部分與橫梁采用連接軸連接并可展開運轉一定角度。設備由2個液壓馬達分別驅(qū)動相對旋轉的2組刀片進行切割當年新生葡萄藤，切割葡萄藤作業(yè)會產(chǎn)生很大沖擊載荷，液壓馬達的旋轉頻率與機架的固有頻率如果接近會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，將影響設備穩(wěn)定運行，對設備產(chǎn)生嚴重破壞。在研究過程中必須對上述兩個頻率進行計算分析對比，避免兩個頻率接近，以保障設備運行穩(wěn)定性及安全性。利用三維模態(tài)分析論證所設計的葡萄冬剪機架的合理性及運行平穩(wěn)性，并提供出最佳參數(shù)范圍，從而在液壓馬達參數(shù)選擇、機架結構設計及機架材料選擇方面可以有效對比分析得出最佳方案。

圖1 葡萄冬剪機懸臂結構

2 驗證分析過程

2.1 應用軟件選擇及三維立體模型建立

應用于機械設計方面的三維建模工具很多，如SolidWorks、UG、Pro/E、CATIA等，各具特點，其中SolidWorks在我國應用較為廣泛，具有較強的三維建模功能，使用方便快捷。

本文運用SolidWorks軟件建立葡萄冬剪機機架三維立體模型，通過軟件的一系列相關操作命令(如拉伸、旋轉、切割等)的執(zhí)行，并輸入選定的各項參數(shù)即完成三維立體模型的建立。為了建立準確的三維立體模型，對模態(tài)分析結果不構成影響，又便于模態(tài)分析，在實際操作中忽略掉一些非重要因素(如圓角和倒角等)，最終建立的葡萄冬剪機機架三維立體裝配體模型如圖2所示。

圖2 葡萄冬剪機機架三維立體裝配體模型

2.2 材料及其參數(shù)選定

將上述建立的葡萄冬剪機機架的三維實體模型導入到軟件simulation中便可自動生成相應的三維裝配體模型圖。

開發(fā)葡萄冬剪設備時應在保證整機剛度的情況下盡量減輕機架的質(zhì)量。圖3中機架上部采用硬鋁(LY)材質(zhì)，材料各項參數(shù)為：質(zhì)量密度2 850 kg/m3，彈性模量74.2 GPa，泊松比 0.36。

圖3 硬鋁材質(zhì)三維裝配體模型

如圖4所示，機架上部采用 Q235-A鋼，材料各項參數(shù)為：質(zhì)量密度7 860 kg/m3，彈性模量212 GPa，泊松比 0.28。

圖4 Q235-A材質(zhì)三維裝配體模型

如圖5所示，機架上部采用45#，各項材料參數(shù)為：質(zhì)量密度7 890 kg/m3，彈性模量209 GPa，泊松比0.269。

圖5 45#材質(zhì)三維裝配體模型

2.3 網(wǎng)格劃分及其展示

本文論述的葡萄冬剪機機架結構比較簡單，應用相應軟件可以進行自動網(wǎng)格劃分，非常簡便，又可以得出準確的結論。在實際操作中將葡萄冬剪機機架相應材料參數(shù)輸入到有限元軟件 simulation，軟件會根據(jù)各個零件的尺寸、位置自動調(diào)整至合理的網(wǎng)格尺寸，利用軟件自動生成網(wǎng)格功能完成葡萄冬剪機機架的網(wǎng)格劃分，完成后的葡萄冬剪機機架網(wǎng)格模型如圖 6 所示。

圖6 葡萄冬剪機機架網(wǎng)格模型

2.4 約束條件與求解

對三維模態(tài)施加約束以最大限度模擬真實工作狀態(tài)。如圖7所示，在交接點加以固定支承約束；操作中考慮到自由模態(tài)分析，所以模態(tài)中不添加外部載荷；設計的葡萄冬剪設備為有支承剪切運動，選用的驅(qū)動馬達轉速較低，所以進行模態(tài)分析過程中只提取其前6階模態(tài)進行分析求解就可以滿足要求。

圖7 葡萄冬剪機機架固定支承約束施加位置

3 計算模態(tài)結果分析

本文只針對影響葡萄冬剪設備實際平穩(wěn)安全運行的主要因素進行分析，利用計算機進行葡萄冬剪實際工作運行在不同階數(shù)下模態(tài)計算，計算結果見表 1。圖8所示為在不同階下的模態(tài)頻率柱狀圖，圖9～14所示為不同模態(tài)固有頻率相對應的機架模態(tài)振型圖即機架的變形狀態(tài)與變形的形態(tài)。

表1 機架各階模態(tài)固有頻率

圖8 葡萄冬剪機機架模態(tài)固有頻率和階數(shù)圖

葡萄冬剪機支架的第1階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖9所示，其最大偏移量為0.285 m。

圖9 第1階模態(tài)振型

葡萄冬剪機支架的第2階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖10所示，其最大偏移量為0.256 m。

圖10 第2階模態(tài)振型

葡萄冬剪機支架的第3階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖11所示，其最大偏移量為0.290 m。

圖11 第3階模態(tài)振型

葡萄冬剪機支架的第4階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖12所示，其最大偏移量為0.343 m。

圖12 第4階模態(tài)振型

葡萄冬剪機支架的第5階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖13所示，其最大偏移量為0.352 m。

圖13 第5階模態(tài)振型

葡萄冬剪機支架的第6階模態(tài)振型圖(位移圖和形變圖)如圖14所示，其最大偏移量為0.219 m。

圖14 第6階模態(tài)振型

設計的葡萄冬剪機轉軸部件的工作轉速為850 r/min，換算為工作頻率為 14.17 Hz，此頻率低于計算出的葡萄冬剪機機架最低價模態(tài)固有頻率16.14 Hz，即選取的驅(qū)動液壓馬達轉速為850 r/min不會導致葡萄冬剪機機架的共振現(xiàn)象發(fā)生，選取轉速低于850 r/min的液壓馬達都是安全可行的。

4 驗證分析總結

經(jīng)過模態(tài)分析驗證了所設計的葡萄冬剪機工作頻率不會引起機架的共振；對于結構不復雜的機械產(chǎn)品，重點驗證其低階振型對產(chǎn)品平穩(wěn)運行的影響；研發(fā)的葡萄冬剪機低階振源在工作時易于實現(xiàn)，必須注意能夠引發(fā)葡萄冬剪機共振的周圍各振源頻率，并與之避開。