基于ANSYS的葡萄冬剪机架验证

刘瑞林， 付 琼， 王 石， 佘光宇

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

运用计算机三维模拟并采用有限元模态方法进行设备关键部件频率计算分析是现代流行的实用且简便准确的手段，针对初步设计机械设备的结构特性、材料属性、设备的固有频率及其振动形态进行模态分析，验证初步设计的机械设备运行平稳性和安全可靠性，并提供合理的参数范围，从而在设计机械图纸加工前对动力参数、结构参数、材料选择及结构形式进行合理调整，保障设计的机械设备工作运行稳定结构安全可靠。葡萄冬剪机机架在葡萄冬剪机工作运行中承载主要冲击载荷，对于设备平稳运行、结构安全可靠起着决定性的作用，对葡萄冬剪机机架进行模态分析论证其设计的合理性，得出各个关键部件科学合理的结构动力学特征及参数范围，以指导进一步改进设计，从而设计出运行平稳、安全可靠的葡萄冬剪机械化作业设备。

1 葡萄冬剪机机架设计

葡萄冬剪机悬臂结构如图1所示，机架采用门式框架结构，由于横梁承载着设备整套工作部件的质量，所以在保障结构安全可靠的条件下横梁选用普通钢(Q235-A)材料，同时为了减轻机架的质量，其余部分均选用硬铝合金(LY)材料，硬铝整体采用焊接及螺纹紧固形式连接，硬铝合金部分与横梁采用连接轴连接并可展开运转一定角度。设备由2个液压马达分别驱动相对旋转的2组刀片进行切割当年新生葡萄藤，切割葡萄藤作业会产生很大冲击载荷，液压马达的旋转频率与机架的固有频率如果接近会产生共振现象，将影响设备稳定运行，对设备产生严重破坏。在研究过程中必须对上述两个频率进行计算分析对比，避免两个频率接近，以保障设备运行稳定性及安全性。利用三维模态分析论证所设计的葡萄冬剪机架的合理性及运行平稳性，并提供出最佳参数范围，从而在液压马达参数选择、机架结构设计及机架材料选择方面可以有效对比分析得出最佳方案。

图1 葡萄冬剪机悬臂结构

2 验证分析过程

2.1 应用软件选择及三维立体模型建立

应用于机械设计方面的三维建模工具很多，如SolidWorks、UG、Pro/E、CATIA等，各具特点，其中SolidWorks在我国应用较为广泛，具有较强的三维建模功能，使用方便快捷。

本文运用SolidWorks软件建立葡萄冬剪机机架三维立体模型，通过软件的一系列相关操作命令(如拉伸、旋转、切割等)的执行，并输入选定的各项参数即完成三维立体模型的建立。为了建立准确的三维立体模型，对模态分析结果不构成影响，又便于模态分析，在实际操作中忽略掉一些非重要因素(如圆角和倒角等)，最终建立的葡萄冬剪机机架三维立体装配体模型如图2所示。

图2 葡萄冬剪机机架三维立体装配体模型

2.2 材料及其参数选定

将上述建立的葡萄冬剪机机架的三维实体模型导入到软件simulation中便可自动生成相应的三维装配体模型图。

开发葡萄冬剪设备时应在保证整机刚度的情况下尽量减轻机架的质量。图3中机架上部采用硬铝(LY)材质，材料各项参数为：质量密度2 850 kg/m3，弹性模量74.2 GPa，泊松比 0.36。

图3 硬铝材质三维装配体模型

如图4所示，机架上部采用 Q235-A钢，材料各项参数为：质量密度7 860 kg/m3，弹性模量212 GPa，泊松比 0.28。

图4 Q235-A材质三维装配体模型

如图5所示，机架上部采用45#，各项材料参数为：质量密度7 890 kg/m3，弹性模量209 GPa，泊松比0.269。

图5 45#材质三维装配体模型

2.3 网格划分及其展示

本文论述的葡萄冬剪机机架结构比较简单，应用相应软件可以进行自动网格划分，非常简便，又可以得出准确的结论。在实际操作中将葡萄冬剪机机架相应材料参数输入到有限元软件 simulation，软件会根据各个零件的尺寸、位置自动调整至合理的网格尺寸，利用软件自动生成网格功能完成葡萄冬剪机机架的网格划分，完成后的葡萄冬剪机机架网格模型如图 6 所示。

图6 葡萄冬剪机机架网格模型

2.4 约束条件与求解

对三维模态施加约束以最大限度模拟真实工作状态。如图7所示，在交接点加以固定支承约束；操作中考虑到自由模态分析，所以模态中不添加外部载荷；设计的葡萄冬剪设备为有支承剪切运动，选用的驱动马达转速较低，所以进行模态分析过程中只提取其前6阶模态进行分析求解就可以满足要求。

图7 葡萄冬剪机机架固定支承约束施加位置

3 计算模态结果分析

本文只针对影响葡萄冬剪设备实际平稳安全运行的主要因素进行分析，利用计算机进行葡萄冬剪实际工作运行在不同阶数下模态计算，计算结果见表 1。图8所示为在不同阶下的模态频率柱状图，图9～14所示为不同模态固有频率相对应的机架模态振型图即机架的变形状态与变形的形态。

表1 机架各阶模态固有频率

图8 葡萄冬剪机机架模态固有频率和阶数图

葡萄冬剪机支架的第1阶模态振型图(位移图和形变图)如图9所示，其最大偏移量为0.285 m。

图9 第1阶模态振型

葡萄冬剪机支架的第2阶模态振型图(位移图和形变图)如图10所示，其最大偏移量为0.256 m。

图10 第2阶模态振型

葡萄冬剪机支架的第3阶模态振型图(位移图和形变图)如图11所示，其最大偏移量为0.290 m。

图11 第3阶模态振型

葡萄冬剪机支架的第4阶模态振型图(位移图和形变图)如图12所示，其最大偏移量为0.343 m。

图12 第4阶模态振型

葡萄冬剪机支架的第5阶模态振型图(位移图和形变图)如图13所示，其最大偏移量为0.352 m。

图13 第5阶模态振型

葡萄冬剪机支架的第6阶模态振型图(位移图和形变图)如图14所示，其最大偏移量为0.219 m。

图14 第6阶模态振型

设计的葡萄冬剪机转轴部件的工作转速为850 r/min，换算为工作频率为 14.17 Hz，此频率低于计算出的葡萄冬剪机机架最低价模态固有频率16.14 Hz，即选取的驱动液压马达转速为850 r/min不会导致葡萄冬剪机机架的共振现象发生，选取转速低于850 r/min的液压马达都是安全可行的。

4 验证分析总结

经过模态分析验证了所设计的葡萄冬剪机工作频率不会引起机架的共振；对于结构不复杂的机械产品，重点验证其低阶振型对产品平稳运行的影响；研发的葡萄冬剪机低阶振源在工作时易于实现，必须注意能够引发葡萄冬剪机共振的周围各振源频率，并与之避开。