高地隙折腰式水田动力底盘机架动态特性分析与试验

白海超 ， 冯召华

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）

高地隙折腰式水田动力底盘是一款能够完成运秧、喷雾、撒肥等多种作业的水田田间管理机械，具有高地隙、转弯半径小和操作灵活的特点，其相关参数见文献[1]。由于同一机型要完成水田不同时期的作业，要求底盘能够适应各种复杂的作业环境及高低起伏的地表，因此对其动态特性要求较高。动力底盘田间作业时，外部激励频率与机架的某阶固有频率相近时会发生共振，从而影响动力底盘乘坐舒适性、作业质量、使用寿命及可靠性[2-3]。为改善动力底盘机架的动态特性，对动力底盘机架的模态试验与分析十分必要。

1 机架有限元模型建立与分析

1.1 机架有限元模型的建立

笔者采用动力底盘机架的参数化有限元模型来对机架总体结构进行设计，考虑到机架的外形结构不应有重大的改变（如机架总体长度、宽度等），在保证机架强度的基础上，合理将矩形钢管的厚度、机架的总体积设为模型中的变量，以保证在外形结构不变的情况下对机架进行设计。在此基础上，进一步运用有限元分析软件ANSYS Workbench对所构建的机架参数化模型进行模态分析。

图1 动力底盘机架模型

由于机架结构较为复杂，在模态分析过程中，为有效提高仿真模拟的运算效率，进一步对所构建机架有限元模型简化：忽略了倒角、焊接及不对机架总体强度和动态特性产生影响的工艺孔等对模型振动特征的影响[4]。简化的动力底盘机架模型如图1所示。

1.2 模态分析

设定机架材料为45号钢，定义模型的参数为：密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ= 0.3。机架主要由矩形钢管材料制造而成，从Creo中导入的实体模型类型为壳[5]。按照机架各实体部件厚度定义了模型中对应部件厚度，并对机架进行自由网格划分，得到机架有限元模型单元数为31719，节点数为11656。应用ANSYS workbench软件对动力底盘机架进行模态分析，结构的动态特性主要靠低阶振型起决定作用，故提取机架前4阶非零模态结果及振型云图，如图2所示。

图2 动力底盘机架模态分析振型云图

2 机架模态试验

2.1 机架的模态测试及测点分布

由于所构建有限元模型的边界条件不同，得到的结果也会有所差异，可通过对高地隙折腰式水田动力底盘机架进行模态试验来检验有限元仿真分析结果的合理性。为保证试验时外界边界条件与仿真分析边界条件的一致性，对机架进行模态试验时，采用弹性支撑的方式使机架近似为自由状态。试验时，通过LC-2D型力锤敲击自由状态下的机架产生激励信号，利用力传感器对作用在机架上的力信号进行采集；采用加速度传感器对待测点处的信号进行采集，采集结果的保存与进一步分析均通过数据采集仪软硬件的协同作用来完成。在此基础上，运用DASP-10模态分析软件对采集到的相关数据进行进一步的参数分析，最终得到机架模态试验的结果。为尽可能避免随机噪声对试验结果产生影响，采样过程中对每个频响函数进行3次平均，以消除信号中的随机噪声。为避免重要模态的丢失，采用多输入多输出的试验方法。模态试验中所建立的模型结构如图3所示，共50个待测点，可较好地反映出底盘机架的轮廓形状[5]。因此，试验中共设置50个激励点、3个参考点，激励点位置及试验现场情况如图4所示。

图3 模态试验中模型结构

图4 模态试验

2.2 试验结果分析

运用模态分析软件对数据采集仪中得到的试验结果进行数据处理，最终得到高地隙折腰式水田动力底盘机架的前4阶试验模态频率和振型，如图5所示。对比有限元分析计算得到的机架前4阶频率和模态试验所得前4阶频率如表1所示。通过对所得结果进行分析可知，计算频率与试验频率最大误差值为6.17%，同时，二者对应的各阶阵型大致相同，从而验证了数值模型建立的准确性。

图5 动力底盘机架模态试验振型云图

表1 模态分析结果试验结果对比

3 外部激振频率特点分析

模态分析的目的是用以确定关键零部件的固有频率，避免外部激励频率与零部件固有频率发生耦合而产生共振，影响底盘的作业质量、使用寿命和乘坐舒适性。因此，必须对外部激励的频率进行分析。动力底盘在田间完成作业时，机架所受到的外部激励主要来自路面、发动机、喷雾泵以及撒肥液压马达等。各激励频率分析如下：

1）路面激励由道路条件决定，道路转移时，其外部激励频率一般低于3 Hz，水田田间地面坑洼不平，激励频率一般低于10 Hz[6]。

2）实测水田动力底盘工作时发动机转速为2000 r/min～2200r/min，则激励频率为33.3 Hz～36.7 Hz。

3）配套喷雾泵的工作转速为800 r/min～1200 r/min，则激励频率为13.3 Hz～20 Hz。

4）撒肥液压马达的额定转速为720 r/min。其激励频率处于12 Hz左右。

根据模态试验结果分析可知，底盘机架各阶频率均避开外部激励频率范围，验证动力底盘机架设计的合理性。

4 结语

笔者建立了高地隙折腰式水田动力底盘机架的有限元模型，求解出机架前4阶非零模态的主要参数，并利用模态试验来检验仿真分析所得结果的合理性。在此基础上，对外部激振频率进行了分析，证实高地隙折腰式水田动力底盘机架设计的合理性。