饲喂车搅龙的有限元分析

季铧　石荣玲

摘 要：针对目前人工饲喂方式效率低、混合饲料质量低等情况，本文设计了一种饲喂车，重点对搅拌系统中的搅龙进行研究：运用SolidWorks软件进行三维建模，并对搅龙进行模态分析，运用ANSYS Workbench软件模块，对导入搅龙进行结构有限元分析。

关键词：饲喂车;搅龙;模态分析;有限元

中图分类号：S817.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）26-0055-03

TMR饲喂技术，一方面有利于提升搅拌饲料的效果质量;另一方面，也有利于提升生产效率，同时释放劳动力，有效解决人力运输饲料和喂料的问题。面对目前机械化养殖的趋势，加强饲喂装备的研究显得尤为迫切。特别是对搅拌系统的研究优化，对饲喂机械的发展至关重要[1]。

1 系统建模分析

1.1 总体结构及原理

图1是自走式精确饲喂车的总体布局，主要由底盘车架和上带的搅拌系统组成。其中，搅拌系统的驱动依靠动力箱。

饲喂车的后车厢即是卧式TMR搅拌系统机械装备。混料箱上配有盖板，可以预防雨天或其他情况下对草料的污染。打开混料箱盖板，通过输送装备，从箱体上部将待搅拌的料草装入箱体内，完成装料步骤。运转设备，使主副搅龙按照一定的规则循环旋转，对料草进行搅拌。期间搅龙和料草箱内壁上所安装的动定锯齿刀片，也通过相互配合来切割、粉碎料草[2]。料草在被搅拌的同时，又由于螺旋叶片的挤压，在料槽箱内定向移动，当移动到后部时，原搅龙上的螺旋叶片终止，衔接三块薄板，变成叶轮状。该方式方便出料，并且丰富了搅拌的形式[3]。搅拌系统模型如图2所示。

1.2 搅龙的有限元分析

1.2.1 Simulation模态分析。选择SolidWorks中Simulation插件，建立新的算例，选择频率模块。①选择结构钢材质;②对搅龙施加夹具;③划分的网格如图3所示;④计算算例。

对搅龙进行低阶固有频率的分析。

由于只关注卧式搅龙的低阶模态与振型，所以导出前五阶的模态数据与振型，数据如表1。

分析前五阶振型图（见图4至图8）。

①从数据上看，一阶固有频率（见图4）发生的振动很弱，几乎探测不到，实际搅龙工作时做旋转运动，不约束此自由度。可见，叶片的振动影响主要出现在边缘部分，因此发生的形变也在此处最大[4]。

②二、三两阶的振型图（见图5和图6）情况相似，数据也较为接近，螺旋叶片与叶轮都受到振动的影响，且集中在叶轮上，叶轮处形变最大。

③三、四两阶的振型图（见图7和图8）情况相似，搅龙螺旋叶片段中部，叶轮后部都有共振，并且形变最大处也在这两个部位。

模态分析后的结果可知：饲喂车在运行过程中，来自各个激励源的激励有颠簸路面（小于3Hz）、发动机的振动（31～38Hz）和电动机的振动（50Hz）。因此，饲喂车在低阶的共振频率应为3～31Hz或者大于50Hz。所以符合要求。

上述振型图表明：搅龙的螺旋叶片，各个位置的刚度并不总是一致的，当搅龙的螺旋叶片受到料草的各种力作用时，容易引发共振。为尽量避免共振损害，可以从以下两方面进行优化：①适当加厚容易发生振动处;②对螺旋叶片的型面进行适当修整。

1.2.2 ANSYS静力学分析。将模型导入ANSYS Workbench，对搅龙的力学特性及变形进行分析。其中，适当地对所建模型进行精简，忽略定位销孔、倒角等。导入软件后，进入网格划分，选用tet10单元四面体的划分方式，设定关联度为60，单元尺寸定为3×10-3m，如图9所示，得到大约28 316个网格单元。

然后，给模型施加约束和载荷。

①料箱后部处受叶轮作用，饲料出现堆积挤压，将此处压力设置为60N，竖直向下。

②在饲料的搅拌混合过程中，饲料和螺旋叶片之间会有复杂的力学关系，在此用摩擦力和压力简化：设置摩擦为0.4N，表面压力为50N。

③螺旋轴承受传动扭矩，设置为9N?m，方向为螺旋轴转动方向。

④对搅龙螺旋轴内表面施加约束（Frictonless Support），以模拟球轴承低摩擦的特性。

⑤对搅龙的叶片表面添加固液界面特性（Fluid Solid Interface），模拟原料在搅拌时的流体特性。

应力和形变结果分析如下。

搅龙的材质选用普通结构钢，密度为7.85×103kg/m3，泊松比为0.3，杨氏模量3.1×1011Pa，通过建立有限元求解[5]，得到的总形变和等效应力见图10和图11。

从图10可以看出，最大形变出现在搅龙叶片和叶輪的最外围，并且离轴越远，形变越大。这符合在搅拌过程中，由于重力作用，饲料总是从下方蠕动推进，在搅龙叶片和料箱之间形成堆积，此处是对料草进行切割的地方。

从图10可以得出，搅龙的首尾为两个应力集中点，此处不但承载了轴肩传递的转矩，也是饲料被料箱壁和搅龙挤压的地方，容易形成应力集中。

实际上，搅龙会安装有动定刀片，从一定方面也减轻了搅龙叶片形变和应力的作用。所以，合理布局动定刀片，适当提升易变形部位的厚度，可以有效优化搅龙的受力，减少形变。

2 结语

本文对饲喂车搅拌系统的结构和工作原理进行说明，并对关键部件、搅龙进行有限元分析，经过求解，得出搅龙的五阶固有频率。通过数据比对可知，此搅龙设计能避免日常工况下因各种激励而产生的共振损害。借助ANSYS Workbench对搅龙进行静力学分析，得出形变与应力云图，找出搅龙首尾部为应力集中点并给予优化建议，进一步确保了设计的可行性。

参考文献：

[1]谢凡.肉羊饲喂混合搅拌机混料系统结构设计与研究[D].石河子：石河子大学，2014.

[2]周斌，陈彤.全混日粮饲料搅拌车的磨损和使用[J].中国奶牛，2008（8）：53-56.

[3]苏龙嘎，关萨茹拉.全混合日粮（TMR）技术在内蒙古锡盟地区的应用研究[J].农村牧区机械化，2016（2）：23-25.

[4]冯静安.饲料搅拌机搅龙参数优化研究[D].石河子：石河子大学，2009.

[5]张钊，江国和，魏景松.ANSYS Workbench计算复杂机械手臂简化方法[J].机电设备，2017（5）：20-25，31.