一種微耕機結(jié)構(gòu)改進設(shè)計與三維仿真

1、一種微耕機結(jié)構(gòu)改進設(shè)計與仿真分析劉瑜1，彭吉剛 2，楊真亮 3（1、2、3重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶，400054；）摘要：本文對微耕機進行了扶手架高度可調(diào)、發(fā)動機減振、扶手架減振、車輪軸減振四種結(jié)構(gòu)改進，然后建立了微耕機的三維模型圖、進行了整機的仿真分析與扶手架、發(fā)動機、減振元件等頻率和靜力學(xué)分析，得到了改進前后扶手架與三中常用材料發(fā)動機的集中固有頻率范圍分278-1680Hz、2812-3300Hz、1638-1891Hz、27003530Hz模態(tài)振型圖，說明扶手架的固有頻率與發(fā)動機的固有頻率不同，不會出現(xiàn)共振，對減振元件進行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明其設(shè)計的可靠性與科學(xué)性。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)改

2、進，頻率分析，靜力學(xué)分析，仿真分析A micro-farming machine structure improved design and smulation analysisLiu Yu 1, Peng Jigang 2, Yangzhenlaing3(1,2,3 Vehicle Engineering Institute of Technology Chongqing University, Chongqing,400054;) Abstract:The tillers

3、 were four structural improvements, including armrest height adjustment, the engine damping, armrest frame damping, car axle damping, Then, we established a three-dimensional model of the structure of FIG tillers, the simulation analysis of the machine, on the armrest frame, engines, frequency dampi

4、ng element analysis simulation module and static mechanical analysis. We got to focus the scope of the natural frequency of the armrest frame and three materials commonly used in the engine are 278 1680hz, 2812 3300hz, 1638 1891hz, 2700 3530hz and 10th order modal shape diagram, This fully shows tha

5、t the natural frequency of the natural frequency of the engine handrail frame is different, resonance does not occur; we damping element static analysis, but also that our tiller machine design and shock absorption design is reliable and science. Keywords: structural improvements, frequency analysis

6、,static analysis, simulation analysis 1劉瑜：（1993-），女，河南人，研究方向：汽車測試技術(shù)2彭吉剛：(1990-)，男，重慶人，研究方向：汽車測試技術(shù)3楊真亮：（1990-），男，山東人，研究方向：車輛測試技術(shù)理論與方法0前言微耕機憑借其機型小巧，操作方便，功能多樣等優(yōu)點被廣大山區(qū)農(nóng)民應(yīng)用，但是查閱相關(guān)文獻可知，要想達到理想的機型，微耕機還必須解決振動，安全，配套耕具多樣化的問題。微耕機的振動有兩個主要來源：一發(fā)動機自身的振動，通過機架傳遞到扶手，而且經(jīng)過驗證這種振動在傳遞過程中被逐漸放大。二微耕機工作時，土壤、作物等對刀具的碰撞引發(fā)的振動。鑒于此,

7、對微耕機的改進設(shè)計具有很大的必要。1微耕機的工作原理和整體設(shè)計方案1.1微耕機的工作原理微耕機以柴油發(fā)動機機為動力源，通過皮帶，將力矩傳送給變速箱，用張緊皮帶的方式來實現(xiàn)動力的離合，再通過變速箱變速，將力矩傳送到旋耕刀軸，由旋耕刀軸帶動刀具對土壤進行自上而下的切割。隨著微耕機整體機器的前進，旋耕刀片不斷切近土壤，并且使切得土壤向后翻與擋泥板相撞而打碎落入土地，進一步達到碎土的目的。1.2微耕機的整體設(shè)計方案微耕機一般由動力機構(gòu)、 傳動機構(gòu)、 工作機構(gòu)、 輔助零件和車架五部分組成。傳動機構(gòu)是用來傳遞發(fā)動機或者電動機提供的動力，它是微耕機的動力來源。傳動機構(gòu)有齒輪傳動、鏈傳動、皮帶傳動、軸傳動等，

8、他們每種傳動方式有不同的優(yōu)缺點，要根據(jù)所設(shè)計的機型大小、種類、整臺微耕機所要求的性價比、和傳動比這些確定。工作部分主要指微耕機配套的刀具。微耕機的傳動方案除滿足工作裝置的功能外，還需具有操作簡單、結(jié)構(gòu)輕巧、舒適性、安全性高、適應(yīng)性廣，價格便宜等特點。微耕機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下圖圖 1 微耕機設(shè)計的而為機構(gòu)示意圖2微耕機的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計和三維模型的建立2.1微耕機扶手高度可調(diào)節(jié)的改進設(shè)計人的身高有差異，所以對微耕機的扶手高度會有不同的要求，而現(xiàn)在市場上微耕機的扶手高度都是不可調(diào)節(jié)的。所以針對這一現(xiàn)狀，設(shè)置了一可手動調(diào)節(jié)高度的扶手桿，便于農(nóng)戶根據(jù)自身需要調(diào)整到合適的高度。該裝置由桿1和桿2組合構(gòu)成。

9、桿1的內(nèi)徑略小于桿2的外徑，從而便于桿1的插入，兩根桿采用定位銷固定的方式。操作簡便。桿1下部每隔20設(shè)置一10mm的小孔，在桿1的合適位置一孔作為定位孔。兩個桿上的孔通過螺栓作為定位銷連接固定兩根桿，從而實現(xiàn)高度的調(diào)節(jié)。 圖2 扶把伸縮裝置 圖3 扶把伸縮裝置三維模型圖2.2 扶把減振裝置的改進設(shè)計微耕機的扶手架是細而長的薄壁殼體，扶手架直接安裝在微耕機車架上，相當于一端固定一端為自由端的懸臂梁。懸臂梁的固定端受到發(fā)動機、變速箱等的振動激勵，那么在扶手的自由端就會得到一個響應(yīng)振動，從而導(dǎo)致微耕機只用過程中人手操作的部位振動強烈。查閱資料可知，扶手架的振動不僅嚴重影響到了人體的健康，降低工作效

10、率，而且對微耕機結(jié)構(gòu)自身造成嚴重的損害，降低了微耕機的使用壽命。相關(guān)研究表明微耕機減振主要從以下幾個方面入手。第一，可以在振動從發(fā)動機經(jīng)過車架到扶手的傳動路線上采用相關(guān)減振措施，如在發(fā)動機和機架之間增加減振墊、工字梁等；第二，對扶把架的結(jié)構(gòu)、材料等進行減振設(shè)計，如增加手把的剛度、厚度，在扶手架上安裝減振裝置，使扶手架的固有頻率避開發(fā)動機的固有頻率范圍，以免發(fā)生共振。第三、在扶手加上增加質(zhì)量塊改變扶把的固有頻率減振。基于此，本文設(shè)計了一種橡膠減振器安裝在扶手架上，對扶手進行減振。圖4 扶把減振裝置該裝置在1扶把支撐架和2扶把伸縮裝置之間、4扶把手柄架和3扶把中間支撐架之間加入型號不同的橡膠減振器

11、。圖5 橡膠減振裝置上圖橡膠減振器有1法蘭盤、2套筒、3中心軸、4減振材料四大部分組成。主要利用橡膠的既有高彈態(tài)又有高黏態(tài)的特性 進行吸收有車架傳遞過來的振動。橡膠部件廣泛用于隔離振動和吸收擊，就是因為其具有滯后、阻尼及能進行可逆大變形的特點。除此外，橡膠還具有滯后和內(nèi)摩擦特性，他們通常用損耗因子表示，損耗因子越大，橡膠的阻尼和生熱就越明顯，減振效果越明顯。綜上所述，用橡膠制成的橡膠減振器也具有良好的減振效果。2.3 發(fā)動機車架減振裝置的改進設(shè)計圖6 發(fā)動機減振機構(gòu)示意圖2.3.1橡膠減振墊減振本文設(shè)計了一種橡膠減振墊，將其置于發(fā)動機支撐架2和車架3之間，用于控制發(fā)動機的振動和噪聲及改善其操縱

12、穩(wěn)定性，來隔絕振源的振動。發(fā)動機的彈性支撐一般由液力支撐和橡膠支撐，橡膠支撐因成本低、可靠性好得到廣泛應(yīng)用。圖7 橡膠減振墊橡膠由于它特有的綜合力學(xué)性能，即低的可調(diào)正的模量和較高的本征阻尼，大應(yīng)變下不被破壞和在一定變形方式下承載高負荷的能力等。本文就設(shè)計這如圖7橡膠減振墊來降低發(fā)動機產(chǎn)生的振動。3.3.2工字梁發(fā)動機支架減振工字梁可以減振，本文設(shè)計了一種工字梁減振型發(fā)動機支撐架，連接發(fā)動機1和車架3，起到阻斷發(fā)動機振動源的作用。2.4微耕機車輪軸減振彈簧減振器微耕機工作時振動通過車輪軸何和 傳動箱傳遞到微耕機車架，最后傳給扶手架，是微耕機外部振動的主要來源之一。鑒于此，本文設(shè)計了一種在微耕機車

13、輪軸和傳動箱齒輪軸之間添加一個彈簧減振器的減振裝置，示意圖如下圖。圖8 彈簧減振器安裝示意圖該彈簧減振器主要起著支持車身以及吸收不平路面和其它外力對輪胎和旋耕刀具所造成的沖擊力的作用，這里外力主要包括加速、減速、剎車、轉(zhuǎn)彎等操作對彈簧減振器的彈簧造成外部沖擊力。當受到外界各種振動表現(xiàn)為彈簧減振器的彈簧在受壓縮時，微耕機車輪軸接近車架，在伸張時，微耕機車輪軸遠離車架，最終振動會被彈簧減振器給吸收掉。通常情況下這些振動的消除過程中還要要保持車輪的輪胎與地面以及刀輥與土壤的持續(xù)接觸，從而保證微耕機可以按照人的要求前進，因此我們應(yīng)從改善輪胎和地面以及刀輥與土壤的接觸條件考慮來降低微耕機的振動情況，提高

14、微耕機的操作的平順性、舒適性。而在微耕機車輪軸和傳動箱齒輪軸之間添加一個彈簧減振器的減振裝置就可以起到這樣的作用。彈簧減振器的結(jié)構(gòu)如圖9。其中，1-工作腔、2-活塞桿、3-DNM引腳12X6X40、4- DNM引腳12X6X285- DNM引腳12X6X40間隔、6- DNM引腳12X6X28間隔、7-螺旋彈簧、8-彈簧圈。該彈簧減振器主要通過彈簧吸振后的反彈出的振蕩作用來吸收來自地面和土壤的沖擊力。在遇到凹凸不平的路面時，雖然吸振彈簧可以過濾路面的振動，但彈簧自身還會有往復(fù)運動，但彈簧減震器最終可以把這種振動消去。圖9彈簧減振器2.5微耕機三維模型建立基于SolidWorks2014軟件建立

15、微耕機的車輪裝配體、改進前后的扶手架裝配體、機架、發(fā)動機裝配體、橡膠減振器、橡膠減振墊、減振器和微耕機的整機等三維模型圖如下。圖10微耕機三維模型圖3微耕機的相關(guān)部件頻率和靜力學(xué)分析以及整機仿真分析3.1扶把架裝配體頻率分析扶手架是由扶手支撐架，橡膠減振裝配體1、橡膠減振裝配體2、中間扶把支撐架、扶把縮短裝置、扶手架組成的裝配體，因此進行頻率分析時，裝配體的材料有所改變，比如橡膠減振器中的減振材料是由硅橡膠做成的，而非鑄造合金鋼，再者，連結(jié)出，增加了扶把伸縮裝置與中間支撐架出的插銷連結(jié)、扶手架與減振裝配體連接處的剛性接頭等等，總之裝配體分析要比前者的頻率分析要復(fù)雜許多。劃分網(wǎng)格,節(jié)點數(shù)為165

16、93，單元數(shù)為2473，自由度數(shù)為51474。圖11 改進后的扶手架網(wǎng)格圖得到10階合成振幅-模式形狀比較結(jié)果圖，由于篇幅限制，僅展示出 前4階對比圖：圖12 10階前4階變形結(jié)果比較圖觀察10階振型圖以及振型圖動畫可知，振動幅度最小的是模式4，其共振頻率為57.069Hz。模式6、8、9、10振動幅度較大。列舉共振頻率，表1所示。表1 裝配體共振頻率表模式號 頻率(rad/s) 頻率(Hz) 總振幅周期(s)1 74.14711.8010.45830.08474277.43312.3240.44170.0811443278.4744.320.94360.0225634358.5757.069

17、0.73550.0175235438.4569.7821.3160.014336810.521290.79700.00775271294.5206.020.92170.00485481410.3224.451.1520.00445591559.9248.261.30.004028101680.8267.510.78930.003738結(jié)果分析：由表1知，扶把裝配體的共有頻率范圍為11.8267.5Hz,其中57Hz左右的扶把的振幅最小。頻率206267.5Hz時扶把總振幅較大。3.2發(fā)動機裝配體頻率分析發(fā)動機的主要材料為合金鋼、鑄鐵、鋁合金等，這些材料的主要性能參數(shù)見下表2表2發(fā)動機常用材料主

18、要性能表材料屬性合金鋼鑄鐵鋁合金彈性模量E（GPa）21066.1873泊松比0.280.270.33質(zhì)量密度p（kg/m3）770072002800屈服強度（MPa）620.420165.445熱膨脹系數(shù)（/K）1.3xe-0051.2e-0052.3e-005比熱(J/Kg.k)460510960熱導(dǎo)率（W/m.k）5045160建立有限元單元模型，對發(fā)動機圓角、倒角、螺紋孔部分進行網(wǎng)格控制，劃分網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)為85157，單元數(shù)為468979，自由度數(shù)為260793。圖13發(fā)動機網(wǎng)格運行求解,分別得到三中材料發(fā)動機10階振型圖和他們的共振頻率。并展示其中一種材料的前4階對比圖:圖14 發(fā)動

19、機前4階振型對比圖扶手架與合金鋼、鑄鐵、鋁合金三種常用材料的發(fā)動機的固有頻率如下表表3發(fā)動機與扶手架固有頻率表固有頻率（Hz）集中的固有頻率(Hz)合金鋼發(fā)動機177.56-4090.32812-3300鑄鐵發(fā)動機103.06hz-2376.131638-1891鋁合金發(fā)動機174.12hz-4039.62700-3530改進后扶手架11.8-267.5278-1680可知，改進后的扶手架與常用三中材料發(fā)動機的固有頻率值不在同一個范圍內(nèi)，其有效地避開了發(fā)動機的激振范圍，即不會發(fā)生共振現(xiàn)象，有有效地降低了扶手架的振動。證明了本文設(shè)計的微耕機模型的準確性和結(jié)構(gòu)改進的可靠性。3.3微耕機車架的靜力學(xué)

20、分析車架是微耕機支撐部件，主要負責承受微耕機的發(fā)動機，本文將微耕機的車架與傳動箱連接在一起，將其材料配置為普通碳鋼彈性模量E為210Gpa,泊松比為0.28，質(zhì)量密度為7.9x103kgm3，屈服強度為2.21x108Nm2。圖 15車架的綜合位移結(jié)果分析：由上圖可知微耕機車架的最大綜合位移發(fā)生在發(fā)動機與車架連接處的螺栓孔處，大小為1.495mm,最小位移發(fā)生在傳動箱外側(cè)大小為0.01065mm幾乎沒有發(fā)生變形，是發(fā)動機支撐部分發(fā)生位移最小的位置。位移最大的地方之所以不對稱，是因為裝配時，配合有些問題，在之后需要進一步修改裝配圖配合。圖16 車架的綜合應(yīng)力 結(jié)果分析：由上圖可知，發(fā)動機車架最大應(yīng)力處集中于發(fā)動機與車架連接處大小為142234GPa遠大于210GPa,說明此處設(shè)計不合理而且配合有些不對稱，可以采用強筋和更改材料以及改進此處設(shè)計的結(jié)構(gòu)，以及裝飾時配合要合理已達到既滿足強度要求又節(jié)省成本。除此之外，基本上承受的應(yīng)力都比較小為2620448遠遠小于材料的屈服強度。其他地方較為安全。4.總結(jié)本文是一篇比較系統(tǒng)全面研究微耕機的文章，既針對現(xiàn)有微耕機的結(jié)構(gòu)特點以及存在的問題進行了四種結(jié)構(gòu)改進，而且通過SolidWorks建模、仿真與分析驗證了建模的準確性和結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的科學(xué)性與正確性，為微