枣园修剪机连接座的设计及有限元分析

刘玉冬，潘俊兵，陈亚娅，张志元，付 威

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.新疆生产建设兵团农业机械重点实验室，新疆 石河子 832003)

0 引言

红枣作为新疆特色经济作物，对提高当地居民收入、保护生态环境具有有重要意义[1-3]。作为新疆的绿色经济产业，近年新疆红枣种植面积不断增大，枣园多为规模化种植，从施肥、打药到采收已逐步采用机械化作业[4-5]。目前，枣园修剪作业主要以人工为主，劳动强度大，效率低，亟待研制修剪机具替代人工修剪作业。因此，本文设计一种枣园修剪机械，解决人工修剪问题。修剪机连接座是整机关键部件之一，是修剪工作平台与拖拉机的连接部件，承受修剪整机质量和工作时的冲击载荷，连接座设计能否满足工作要求，是该修剪机可靠工作的关键。修剪机连接座的设计需要经过全面的分析，进行再加工使用。有限元设计可以有效提高分析的精度与可靠性，在农业机械设计过程中得到广泛应用[6-13]。

为验证修剪机连接座设计的合理性，在SolidWorks软件环境下建立修剪机连接座的三维模型，并在Ansys Workbench下对连接座进行了应力及模态仿真，分析修剪机连接座设计的合理性。

1 修剪机结构及工作原理

1.1 修剪机工作原理

枣园修剪机由侧部修剪装置、顶部修剪装置、修剪机架、调整机架、连接座、液压油箱及配套拖拉机等组成，如图1所示。工作时，调整机架呈一定倾角，修剪机架采用龙门式，在拖拉机驱动下一次完成整行枣树顶部与侧部的整形修剪作业。连接座作为重要的工作部件，一端同拖拉机前部连接，另一端同机架连接，承载了整个修剪装置的质量。

1.侧部修剪装置 2.顶部修剪装置 3.修剪机架 4.调整机架 5.连接座 6.拖拉机 7.液压油箱图1 修剪机三维结构简图

1.2 连接座主要结构及模型的建立

红枣修剪机连接座主要采用Q235普通钢板，由左右侧板、前连接板、内筋板、机体连接板、左右侧连接板等焊接组成，如图2所示，其相关参数如表1所示。其中，连接座通过机体连接板和左右侧连接板用螺栓与拖拉机前悬挂架部分连接，前连接板与修剪机机架通过螺栓连接。

表1 连接座相关参数

1.前连接板 2.加强筋 3.侧板 4.内筋板 5.机体连接板 6.侧连接板图2 连接座三维模型图

2 连接座结构静力学分析

2.1 修剪机连接座的受力分析

当修剪机在最大修剪工作位置时，修剪机连接座受力最大，故在此状态下对连接座进行受力分析，如图2所示。

由受力平衡可得

Ft——Fm切向分力；

β——Fm与竖直方向的夹角，β=55°；

loe——修剪装置重心到连接座摆动中心最大距离，loe=2.5m；

G——连接座的质量，G=500N；

Fa、Fb、Fc、Fd——Fm在连接座的各螺孔处的竖直方向上的分力，且Fa+Fb+Fc+Fd=Fm；

Ma、Mb、Mc、Md——Fm在前连接座各螺栓孔处产生的扭矩，且Ma+Mb+Mc+Md=Ft·loe；

M——连接座受到的扭矩；

Fg、Fh、Fk——左侧连接板机、机体连接板、右侧连接板在各螺纹孔处受到的合力。

代入数据可得知，枣园修剪机连接座的设计符合理论要求。

2.2 有限元模型建立及网格划分

将SolidWorks中的连接座模型导入Ansys Workbench之中[14-15]，为了便于分析，对模型做以下简化：连接座材料被看作各向同性材料，忽略焊缝对各连接座的影响。左右两侧侧连接板与侧板是通过8个M12的螺栓紧固的，通过机械设计手册[16]得知：M12螺栓的预紧力为12 000N，Q235钢板之间的摩擦因数为0.15。设两个侧板受到的摩擦力为Ff，则

Ff=u×8×FN=14 400N

由此可见，Ff要远大于修剪机身的重量Fm，故将连接座看成一个完整的整体。定义材料属性，连接座是由钢板加工而成，具体材料属性如表2所示。

表2 连接座材料属性参数

图3 连接座受力简图

对修剪机连接座进行网格划分。由于连接座结构较简单，为了提高分析效率，所以利用Workbench中自动网格生成功能进行划分，共划分17 186个网格、30 986个节点。

2.3 施加约束与求解分析

按照连接座的受力分析，对连接座施加载荷，并分别求解连接座的整体形变云图(见图4)、应力云图(见图5)。

图4 整体形变图

图5 应力图

通过图4可以看出：修剪机在最大修剪工作位置时，其最大形变为1.620 3mm，发生在前连接板坐下部的螺孔附近。由于受到机架对螺孔的竖直压力及逆时针方向的扭矩，距离受力位置最远，所以此处发生形变位移最大。

通过图5可以看出：修剪机连接座在侧连接板靠近前连接板折弯处的等效应力最大，最大应力值为224.51MPa。

对连接座进行强度校核，取安全系数为1，则

式中 [σ]——许用应力(MPa)；

σmax——最大应力(MPa)；

σs——材料屈服极限(MPa)。

上式表明：连接座最大应力满足强度要求。考虑到此工作状态为修剪机的最大修剪工作状态，枣园修剪作业时，连接座受到的最大应力远小于此，所以此连接座完全满足安全要求。通过图5可以看出：侧板在折弯处受力较集中且较大。为了安全，可以在此处加加强筋或者修改加强筋；考虑到方便加工，可以加厚加长加强筋。

3 连接座模态分析

枣园修剪机为田间作业机械，工作环境复杂，振动激励较多，为此对连接座进行了模态分析[15-16]。

本文获得了连接座6阶固有频率，结果如表3所示。由表3可知：5、6阶固有频率在600Hz以上。由于5阶和6阶频率较高，因此只研究1～4阶连接座固有频率。连接座的1阶振模态振型图如图6所示。

表3 连接座的固有频率和主振型

图6 1阶模态振型Fig.6 First-order mode of sprayer,s frame

图6中，最大偏移量为10.314mm，其主要发生在前连接板下部。2阶模态振型图为如图7所示。图7中，最大偏移量为17.957mm，主要发生在前连接板的下侧的两螺孔处。3阶模态振型如图8所示。图8中，最大偏移量为13.81mm，主要发生在内筋板中间处和左侧板折弯处。4阶模态振型如图9所示。图9中，最大偏移量为10.74mm，主要发生在前连接板的下侧的两螺孔处和左侧板折弯处。

通过表2前6阶主振型可以看出：连接座内筋板与左右两侧板在共振时受影响最大。通过图6～图9可以看出：在连接座发生共振时，机体的振动位移要远大于静止时连接座的连接座的整体形变，因此修剪机工作时必须保证连接座不发生共振。为防止共振发生，可对前内筋板、左右侧板的折弯处等发生共振较大位置进行加固处理。

图7 2阶模态振型Fig.7 Second-order mode of sprayer,s frame

图8 3阶模态振型

图9 4阶模态振型

为确定连接座是否发生共振，对其受到的激励进行了分析。

1)修剪机行走时，地面起伏不平造引起的固与路面激振频率有着密切的关系，通过公式[9]得

(5)

其中，u为修剪机前进速度，工作时u≈20km/h，运输状态下u≤50Km/h；λ为路面不平波长，工作时λ≈0.35m，运输状态下λ≈0.1m。

经过计算，工作时与运输状态下路面产生的激振频率分别为15.87Hz和138Hz。

2)拖拉机发动机正常工作时的转速为1 000～2 400r/min，振动频率为25～40Hz左右；

3)修剪装置正常工作时转速约为1 500～2 000r/min，振动频率约为25～34Hz。

同连接座固有频率对比分析可知：连接座的一阶固有频率为152.28Hz，高于地面、发动机、修剪装置的激振频率。所以，连接座不会发生共振。

4 测试试验

根据前面对连接座的应力以及模态分析结果可知：修剪机连接座的设计是符合工作要求的。按要求对连接座进行加工并完成修剪机的安装，如图10所示。对连接座施加4 000N的外力，经测试，连接座的设计完全满足修剪机的各项要求。

图10 实物照片

5 结论

1)对修剪机连接座进行了受力分析，并在SolidWorks软件环境下建立三维模型，通过Ansys软件对连接座的进行了静力学分析，得到了整体形变云图和应力云图。在最大工作位置时，连接座的最大应力为224.51MPa，最大形变为1.620 3mm。分析表明，连接座的强度满足工作要求。

2)对连接座进行模态分析，获得连接座的6阶固有频率，并对前4阶固有频率云图进以及连接座所受到外界激励进行了分析。由于1阶固有频率为152.28Hz，远大于外界激励,所以连接座不会发生共振，其设计满足工作要求。