刷辊式采棉机刷棉辊动力学分析

魏　俊，王云霞，石　磊，袁建宁

(1.南京工程学院，南京　211167；2.农业部南京农业机械化研究所，南京　210014)



刷辊式采棉机刷棉辊动力学分析

魏俊1，王云霞1，石磊2，袁建宁1

(1.南京工程学院，南京211167；2.农业部南京农业机械化研究所，南京210014)

摘要：介绍了刷辊式采棉机采摘装置的结构和采摘机理，采用三维建模软件Pro/E建立采摘装置的三维模型，并通过有限元分析软件ANSYS Workbench对刷棉辊进行模态分析，得到其固有频率和振型，为避开共振区和结构优化设计提供理论依据。同时，对纵向刷板进行瞬态动力学分析，计算出应力的大小和分布规律，为采摘部件的改进提供理论参考。

关键词：刷辊式采棉机；刷棉辊；纵向刷板；有限元分析

0引言

我国是一个农业大国，棉花产量位居世界第一。棉花的种植环节已基本实现机械化，但棉花的采收机械化率却并不高，已成为制约棉花生产全程机械化的瓶颈。实现采棉机械化对提高劳动生产率、降低生产成本及提高棉农收入等方面有着重要意义。目前，国内外的采棉机大致分为4类：分别是摘锭式采棉机、梳刷式采棉机、气力式采棉机和振动式采棉机。市场上的采棉机主要以水平摘锭式的应用最为广泛，主要集中在西北新疆地区[1]。但近年来，采棉机也在向经济型和小型化的方向发展，主要包含有复指杆式、软摘锭式、刷辊式和刮板毛刷式等几种机型的采棉机。采棉机中最重要的部件是采摘装置，其结构参数、运动参数及材料选用等因素对采棉机的作业效率有很大的影响[2]。

4MSG-3型刷辊式采棉机是由农业部南京农业机械化研究所研制的一种轻型采棉机。该机型具有结构简单、制造工艺简单、性价比高、采净率较高及适用范围广等特点，目前正处于试验和改进阶段。本文通过三维软件Pro/E对刷辊式采棉机的采摘部件进行三维建模，并导入到ANSYS Workbench 有限元分析软件中，对其关键部件进行动力学仿真分析，旨在通过对刷辊体工作部件结构的动力学参数的研究，为后续采棉机的改进工作提供理论依据。

1采摘装置的结构和采摘机理

1.1采摘装置的结构

刷辊式采棉机采摘装置由刷棉辊、防拔辊、输棉绞龙、传动装置和收获台等部件组成，结构如图1所示。刷棉辊、绞龙、防拔辊与地面之间的角度为30°。刷棉辊由刷板、轴管、刷板加强筋组成，刷棉辊轴管上均布有6条纵向刷板，结构如图2所示[3]。

1.机架　2.传动系统　3.刷棉辊　4.输棉绞龙　5.防拔辊

1.2采摘部件的采摘机理

随着机器的前进，棉株在扶导器的引导下进入采摘区域，刷棉辊快速旋转与绽开的棉铃接触，依靠刷板的挤压和击打，使籽棉从棉株上分离；利用刷板的惯性和摩擦力，将脱落的棉花甩到绞龙中，通过气力输送部件将棉花送入到籽棉预清理装置中，从而完成整个的采摘过程。

1.轴管　2.纵向刷板　3.加强筋

2刷棉辊的模态分析

模态分析主要用于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型。在产品设计之前可以预先避免可能引起的共振。同时，也有助于在其它动力学分析中估算求解控制参数等[4]。因为结构的振动特性决定了对各种动力载荷的响应情况，所以在进行其它动力学分析之前都要先进行模态分析。

2.1模型的导入与材料属性的定义

将Pro/E建立的刷棉辊模型导入到ANSYS Workbench 软件中，设置模型的单位为mm。

为了便于计算分析，需要对有限元的模型进行适当的简化。本模型主要对带方行座外球面轴承座的约束用圆柱面约束进行了替代。刷棉辊各部件的材料属性如下表1所示。

表1　刷棉辊各部件的材料属性

2.2网格划分

网格划分是有限元分析中至关重要的一步，网格划分的质量直接影响到后续计算结果的准确性。这里采用的是四面体网格划分，程序默认的单元是10节点的四面体单元，且使用patch conforming 算法。网格划分完成后共有41 124个节点和18 016个单元，如图3所示。

2.3边界条件与接触的设置

由于刷棉辊是一个装配体，ANSYS Workbench 在导入装配体时，会自动在两个接触的实体之间产生接触对。在ANSYS Workbench中一共提供了5种类型的接触，分别是绑定、不分离、无摩擦、粗糙和有摩擦接触。其中，绑定和不分离接触是线性的，其余3种属于非线性接触。绑定接触不允许接触面或线之间有相对滑动或分离，而不分离接触允许接触面之间无摩擦的滑动[4]。模态分析是一个纯粹的线性分析，根据刷棉辊的实际的工作状态，采用绑定接触。位移边界条件是在轴承安装面上施加圆柱面约束，约束轴向和径向的自由度，放开切向自由度。

图3　刷棉辊网格划分

2.4求解

由振动理论知识可知，共振主要由较低的固有频率所引起的，所以只需提取前6阶的模态。ANSYS Workbench 中模态分析的求解方法有Subspace法、Block Lanczos 法、Power Dynamic法、Reduced法、Unsymmetric法和Damped法[4]。Block Lanczos 法是ANSYS Workbench默认的求解方法，这种方法适用于矩阵特征值的求解，具有收敛速度快、精确度高的优点，所以本文采用这种求解方法,得到刷棉辊的前6阶固有频率和振型。图4为刷棉辊的前6阶模态振型图，表2列出了前6阶模态的频率值。

图4　刷棉辊前6阶模态振型图

阶数频率/Hz阶数频率/Hz1224.464536.582251.865622.243253.496623.39

2.5模态结果分析

从表2中可以得出：刷棉辊的第2阶和第3阶、第5阶和第6阶的频率值比较接近，其两两的振型图也比较相似。

从振型图中可以看出：刷棉辊的主要变形是轴管的弯曲、纵向刷板的左右扭转变形及离心力的作用。纵向刷板的末端位移偏大，因而对刷板的焊接工艺要具有更高的要求。工程中认为：外在激励达到一阶固有频率的75%时，就易引起共振[5]。本文中刷棉辊的转速一般在200r/min,这个数值远低于刷棉辊的极限转速，所以刷棉辊不会发生共振。

3纵向刷板的瞬态动力学分析

采棉机在工作时，纵向刷板与棉株直接接触，所以需要对刷棉辊上的纵向刷板进行瞬态动力学分析。瞬态动力学分析中包含静力分析及刚体动力分析的内容[4]。分析纵向刷板在工作时实际的受力情况，从而完成纵向刷板的瞬态动力学分析。

3.1材料属性的定义

将纵向刷板的三维模型导入到ANSYS Workbench 中，设置模型的单位为mm。纵向刷板的材料为Q235A，材料属性如表1所示。

3.2网格划分

这里采用的是扫略网格划分，将Relevance Center 设置为Fine,网格划分完成后共有2 354个节点，283个单元。网格划分图如图5所示。

图5　纵向刷板网格划分

3.3边界条件与载荷的设置

根据实际的工作条件和经验，纵向刷板在挤压和击打棉株时主要受到棉株的约束反力和摩擦力，大小分别约为3.4N和0.62N[2]；但纵向刷板在工作过程中并不是时刻都受到棉株的反作用力，只有刷板在进入采摘区域到将脱落棉花甩到绞龙里的这段时间是受力的，所以刷板的受力是一个周期性的过程。已知刷棉辊的周期T=0.3s，以纵向刷板受到的约束反力为例，其函数表达式为

在Analysis Setting 中设置两个时间步：第1步设置终止时间为0.15s，打开自动时间步长，通过载荷步来定义载荷子步，初始子步10步，最小子步为5步，最多子步为20步；第2步设置终止时间为0.3s，其余设置参照第1步。由于纵向刷板的一端是焊接在轴管上，所以采用Fixed support 方法对其一端进行固定约束。在纵向刷棉板上施加压力载荷，首先定义第1个载荷步内的载荷为3.4N，需要抑制在0.15～0.3s的载荷，第2个载荷步内的载荷为0。摩擦力的施加同理可得。

3.4求解

求解完成后，在后处理中可以得到不同的结果。输出的结果包含位移云图、等效应力和等效应变云图，分别如图6～图8所示。

图6　位移云图

图7　等效应力云图

图8　等效应变云图

从图6～图8可以看出：纵向刷棉板所受的最大应力为1.95×10-5MPa，应力主要集中在根部，远远小于材料的许用应力，结构强度肯定满足要求；最大位移为1.023×10-7mm，几乎可以忽略不计。

4结论

1) 根据模态分析的结果可知：固有频率可以有效地避免共振，同时也是其他动力学分析的基础； 从振型图中可以看出：刷棉辊变形较大的区域，为进一步的结构优化设计提供依据。

2) 纵向刷板承受随时间变化的载荷作用，瞬态动力学分析的结果表明：结构强度能够满足实际的使用要求；最大应力集中在根部，可以适当增加根部尺寸以减小应力的集中。

3) 通过对刷棉辊的有限元分析，为采棉机结构设计的改进提供一定的理论依据。

参考文献：

[1]樊建荣.采棉机的研究现状和发展趋势 [J]. 机械研究与应用,2011(1):1-4.

[2]刘向新,周亚立,杨怀君. 刮板毛刷式采棉机采摘部件的有限元分析-基于Pro/E [J]. 农机化研究,2011,33(4):25-32.

[3]潘金坤,袁建宁,石磊,等. 刷辊式采棉机运动学仿真分析[J]. 农机化研究,2015,37(12):63-65.

[4]浦广益. ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M]. 北京:中国水利水电出版社,2010:117-120.

[5]郑磊,尹健,纪斌,等.基于ANSYS的脱粒滚筒模态分析[J].农机化研究,2013,35(4):48-51.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0106-EA

The Finite Element Analysis for Cotton-beated Roller of the Roller Stripping-type Cotton Harvester

Wei Jun1, Wang Yunxia1, Shi Lei2, Yuan Jianning1

(1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China; 2.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization，Nanjing 210014，China)

Abstract：This paper introduces the structure and picking principle of picking device on the roller stripping-type cotton harvester, the 3D model of cotton-beated roller was established, using the 3D modeling software Pro/E. The modal analysis for cotton-beated roller was carried out by using the finite element analysis software ANSYS Workbench and acquire the natural frequencies and modes of vibration. These results provide a theoretical basis to avoid the resonance region and structural optimization design; transient dynamic analysis was made on the longitudinal cotton bat in order to calculate the rule of stress field, find out the regularities of distribution, it can provide theoretical reference for the improvement of picking part.

Key words：roller stripping-type cotton harvester; cotton-beated roller; vertical cotton bat; finite element analysis

文章编号：1003-188X(2016)06-0106-04

中图分类号：S225.91+1

文献标识码：A

作者简介：魏俊(1990-),男，江苏泰州人，硕士研究生，(E-mail) weijun_njit@163.com。通讯作者：王云霞(1976-)，女，南京人，副教授，硕士生导师，(E-mail) Wang-yunxia@njit.edu.cn。

基金项目：农业部现代农业装备重点实验室开放课题(201303001); 南京工程学院大学生科技创新项目(N20151729)

收稿日期：2015-05-25