煙苗移栽機(jī)中車架升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計及有限元仿真

本文格式為Word版，下載可任意編輯——煙苗移栽機(jī)中車架升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計及有限元仿真常用的材料強(qiáng)度理論有四種，第四強(qiáng)度理論即為最大形狀改變比能理論。此升降機(jī)構(gòu)選用的材料為Q345塑性材料，且研究升降機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)中的應(yīng)力、應(yīng)變問題。因此采用第四強(qiáng)度理論[11-12]，對升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評價。

從等效應(yīng)力云圖可以看出升降機(jī)構(gòu)整體的應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在絲杠固定件表面上，其它出現(xiàn)較大應(yīng)力的區(qū)域?yàn)橹谓z杠的橫梁表面上如圖6所示。載荷對升降機(jī)構(gòu)的作用力施加在絲杠固定件旁的橫梁連接件表面上，此橫梁連接件通過銷與絲杠固定件連接，且由于絲杠固定件只有外面一層鋼板，因此整個升降機(jī)構(gòu)的壓力在此處只是由兩層對稱鋼板承受，故在此處出現(xiàn)最大應(yīng)力。另一處出現(xiàn)較大應(yīng)力的區(qū)域?yàn)樯禉C(jī)構(gòu)橫梁下表面。升降機(jī)構(gòu)的絲桿和螺孔接觸有較大面積，其接觸面積為橫梁載荷接觸面的多倍，因此在絲杠上不會出現(xiàn)較大應(yīng)力。從等效應(yīng)力云圖上得出升降機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力值為179.19MPa，出現(xiàn)在橫梁下表面的較大等效應(yīng)力值為159.28MPa。所選用材料Q345的屈服極限為345MPa，結(jié)合升降機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為179.19MPa，計算的安全系數(shù)為1.92，滿足設(shè)計安全系數(shù)1.8的要求。故升降機(jī)構(gòu)的性能復(fù)合靜力學(xué)性能要求。

通過有限元計算升降機(jī)構(gòu)正常工作狀態(tài)下的總變形如圖5所示，由總變形圖可以看出在工作狀態(tài)時升降機(jī)構(gòu)的主要受力構(gòu)件變形量均較小，最大變形出現(xiàn)在絲桿旋轉(zhuǎn)把手上。把手作為一個整體在負(fù)載的作用下整體發(fā)生的位置變化，最大變形為0.9mm，變形量較小。主要受力部的絲杠、升降架并沒有發(fā)生明顯的變形。升降架底部幾乎沒有變形，升降架中間位置的橫梁的變形量為0.4mm，變形量微小滿足工作狀態(tài)時的安全要求。絲杠作為升降機(jī)構(gòu)工作的核心構(gòu)件，在絲杠與套筒的接觸面上也存在著巨大的載荷，絲杠的變形量為0.5mm仍屬于微小變形。故升降機(jī)構(gòu)的總變形微小，主要受力部件安全穩(wěn)定。

4動力學(xué)分析

4.1升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

模態(tài)分析是針對機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動頻率進(jìn)行分析，避免機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)巨大的變形和動應(yīng)力導(dǎo)致破壞性事故。升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析對升降系統(tǒng)的固有頻率要求包括：升降機(jī)構(gòu)的一階扭轉(zhuǎn)頻率、一階彎曲頻率低于動力源發(fā)動機(jī)怠速鼓舞頻率;升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)頻率與路面鼓舞頻率不重合、升降機(jī)構(gòu)的各階模態(tài)頻率變化平穩(wěn)。

模態(tài)的振型和頻率屬于結(jié)構(gòu)的固有特性，對升降機(jī)構(gòu)系統(tǒng)做無預(yù)應(yīng)力模態(tài)計算即自由模態(tài)，不對升降機(jī)構(gòu)施加任何載荷和約束[13]，通過計算得到升降機(jī)構(gòu)的六階自由模態(tài)振型如圖6所示，固有頻率如表1所示。

4.2諧響應(yīng)分析

在靜力學(xué)分析中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)升降機(jī)構(gòu)承載靜力載荷時最大應(yīng)力出現(xiàn)在支架橫管的表面上，對于靜載荷升降機(jī)構(gòu)已經(jīng)符合力學(xué)性能要求。在實(shí)際生產(chǎn)中移栽機(jī)由減震系統(tǒng)、輪胎氣壓、地面不平等諸多因素升降機(jī)構(gòu)會承受持續(xù)動載荷，因此需要對升降機(jī)構(gòu)的支架橫管表面做持續(xù)動載荷仿真，已檢測其在承受持續(xù)動載荷時最大應(yīng)力是否超出許用應(yīng)力。

仿真對象為支架橫管表面，在機(jī)構(gòu)與車架固定表面施加豎直向下方向的正弦鼓舞載荷，其中為角速度，為時間，載荷幅值為3000N，設(shè)定計算頻率范圍為0Hz～100Hz，計算步長為2Hz。求解方法選用模態(tài)疊加法進(jìn)行計算[16]，得到支架橫管表面諧響應(yīng)應(yīng)力結(jié)果如圖7所示從圖中可以看出支架橫管表面在頻率為54Hz時最大應(yīng)力為0.0219MPa，鼓舞頻率為54Hz與分析自由模態(tài)時升降機(jī)構(gòu)同時出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)的鼓舞頻率及振型基本對應(yīng)，而支撐架材料的屈服極限為345MPa，符合可靠性要求。

4.3響應(yīng)譜分析

移栽機(jī)行進(jìn)過程中與土壤中的較大石塊時必定會在豎直方向上產(chǎn)生一個加速度，則升降機(jī)構(gòu)此時會受到一個沖擊載荷，故需對升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)譜仿真，分析機(jī)構(gòu)在受到?jīng)_擊載荷時的應(yīng)力分布。

將升降機(jī)構(gòu)底座固定后，在底座上施加豎直方向的加速度1m/s2～10m/s2，得出整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)譜應(yīng)力分布如圖8所示，得到在加速度的沖擊載荷作用下，機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布在機(jī)構(gòu)的底座和螺紋升降桿頂端，最大應(yīng)力為16.44MPa，最大變形為0.04mm，支撐架材料的屈服極限為345MPa，符合可靠性要求。

5結(jié)論

利用有限元方法對煙苗移栽機(jī)的車架升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)分析，得到升降機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下的靜力學(xué)特性滿足安全生產(chǎn)要求，其安全系數(shù)為1.92;動力學(xué)分析得到模態(tài)一階彎曲及一階扭轉(zhuǎn)頻率小于牽引車發(fā)動機(jī)怠速鼓舞頻率、不等于路面鼓舞頻率不會與其他鼓舞產(chǎn)生共振;諧響應(yīng)仿真得到正弦載荷鼓