基于种绳模式胡萝卜播种机主体框架谐响应分析*

2022-05-17刘曙光王家胜张梅尹宝全马云飞潘仕梅

中国农机化学报 2022年5期

刘曙光，王家胜，张梅，尹宝全，马云飞，潘仕梅

(1. 中国农业大学烟台研究院，山东烟台，264670； 2. 青岛农业大学机电工程学院，山东青岛，266109)

0 引言

目前国内外胡萝卜播种机多采用机械式条播或者气吸式精播直接将种子埋入土中[1-2]，作业效率高，但直接播种入土无法直接监测播种质量，而且受田间因素影响较大，普遍应用于规模化大田种植，目前研究成果较多[3-6]。基于种绳模式的胡萝卜播种技术实现分段播种[7-10]，前段在室内编织种绳，即通过种绳编织机将胡萝卜种子播到种子带上，通过线缠绕形成种绳，并将种绳缠绕至种绳缠绕辊上，工作条件稳定，而且可以直接监测种绳内种子的间距并可及时调整纠正；后段在田间利用基于种绳模式的专用播种机将种绳埋入土中，种绳对田间环境突变不敏感，保证了埋设深度精准度，该技术可应用于中小规模或要求精准播种的地块或者温室内，目前研究成果很少，王家胜等[11]研发种绳模式的小区育种播种机，并进行了种子带编织过程理论分析与性能试验。

由于种子带为可降解的纤维材料，承拉能力相对较弱，播种工作过程中产生的拉力过大与突变严重都将影响种绳埋设质量，主体框架直接连接种绳装设、铺设、覆埋、镇压的所有执行部件，容易受发动机振动影响，其工作状态将直接影响播种机作业质量与效率。本文结合胡萝卜播种农艺要求，种绳模式播种技术特点，基于Ansys Workbench 19.2进行基于种绳模式胡萝卜播种机主体框架的6处关键部位的工作状态研究，确定作业时，主体框架对种绳埋设过程的综合影响，为更好地保护种绳，保证作业质量与稳定性，获得主体框架的工作条件，进一步优化主体框架工作环境提供理论依据。

1 整机结构与工作原理

该种绳模式胡萝卜播种机结构如图1所示，主要技术参数如表1所示，主要包括动力、机架、行走结构、种绳与滴灌带的装设与铺设结构、垄型整理结构、覆土镇压结构等。

图1 整机结构Fig. 1 Whole structure1.垄型整理结构 2.单缸机 3.滴灌带装设结构 4.种绳装设结构 5.覆土镇压结构 6.种绳铺设结构 7.滴灌带铺设结构 8.机架 9.行走结构

表1 主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters

为分析主体框架的设计合理性及对种绳埋设过程的影响，除机架结构外，分析还包括与机架固连的各执行部件，如覆土镇压结构的覆土镇压辊支撑架、种绳铺设结构的导种绳滑刀、滴灌带铺设结构的支撑杆与开沟器、种绳装设结构的装设支撑杆与支撑轴、垄型整理结构的连接架，共同形成要分析的主体框架，如图2所示。工作中，人随播种机行进，在行进的过程中，垄型整理结构平整垄面，提供好的种绳埋设条件；种绳从种绳装设结构上抽拉下来经种绳铺设结构铺设在导种绳滑刀划出的沟内，通过覆土镇压结构将铺设在沟内的种绳覆土镇压埋入土中；滴灌带从滴灌带装设结构上抽拉下来通过滴灌带铺设结构铺设在开沟器开设的沟内。

图2 主体框架及加载位置、对应分析响应部位Fig. 2 Main frame structure, loading position and response parts1.与垄型整理结构销轴接触位置 2.二阶往复惯性力作用平面 3.与滴灌带装设结构接触位置及作用力加载位置 4.作用力加载位置 5.种绳装设结构支撑轴位置 6.扶手位置 7.导种绳滑刀种绳出口位置 8.滴灌带铺设结构的开沟器上方位置 9.支撑点 10.倾覆荷载作用位置

2 模态分析

由于主体框架复杂，通过Solidworks建模，导入Ansys Workbench 19.2中，根据工作实际情况，通过Static Structural加载单缸机重力210 N，滴灌带缠绕辊重力100 N，为Modal、Harmonic Response分析的前置预应力影响条件，加载位置如图3所示。

(a) 第1阶模态振型

(b) 第2阶模态振型

(d) 第4阶模态振型

(e) 第5阶模态振型e

(f) 第6阶模态振型图3 主体框架前6阶模态振型Fig. 3 First 6 modes vibration shape of main frame

材料设定为Structural Steel，其密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，弹性模量200 GPa；以四面体划分网格，共42 477个单元，84 808个节点；设定接触类型为Bonded。

主体框架前6阶模态响应分析如图3所示，前6阶主体框架固有频率及振型情况如表2所示。从模态分析可知，主体框架第1～6阶固有频率分别为14.9 Hz、30.881 Hz、31.516 Hz、35.568 Hz、37.852 Hz、46.887 Hz，当主体框架振动频率接近其各阶固有频率时，将产生共振反应，当振动频率靠近各阶固有频率时均对种绳装设结构有明显影响，当振动频率靠近第1、4阶固有频率时对种绳铺设结构有明显影响。

表2 前6阶固有频率及振型情况Tab. 2 Natural frequencies and vibration modes of the first 6 modes

3 谐响应分析

该模式播种机适合一垄两行种植模式，配套单缸机可以满足作业动力要求，本文分析单缸机对主体框架的谐响应。二阶往复惯性力引起的简谐振动力的作用根据单缸机结构特点分别施加于主体框架固定单缸机区域的垂直方向及整机前进方向上，简谐振动力表达式153.03sin(523.33t+π/2)。因单缸机对外输出动力矩曲线不规则，根据单缸机转速2 500 r/min时对其输出力矩测试，得出倾覆力矩简谐振动的力偶矩，近似以8次傅里叶级数拟合[12]，8组简谐振动的力偶矩表达式分别为9.79sin(130.9t+0.23π)、17.22sin(261.8t+0.07π)、13.5sin(392.7t-0.02π)、3.66sin(523.6t-0.15π)、10.55sin(654.5t-0.07π)、5.11sin(785.4t-0.14π)、7.19sin(916.3t-0.1π)、5.28sin(1 047.2t-0.11π)。根据固定点距离，转化成8组简谐振动力作用，分别单独施加于主体框架固定单缸机位置各两个固定点处，前后荷载作用方向相反。

通过Harmonic Response分析每一简谐振动作用对主体框架上6个可能影响工作性能的关键部位(与滴灌带装设结构接触位置、种绳装设结构支撑轴位置、滴灌带铺设结构的开沟器上方位置、导种绳滑刀种绳出口位置、扶手位置、与垄型整理结构销轴接触位置)在x轴、y轴、z轴方向谐响应振幅变化情况。根据振型位移叠加法，确定各位置在各个简谐振动作用过程中的综合影响，如图4～图9所示。主体框架上6个部位的x轴、y轴、z轴3个方向谐响应振幅受谐振频率影响大致分为3个区间。

1) 谐振频率小于21 Hz时，主体框架工作很稳定，当谐振频率为15 Hz时，主体框架5个位置(与滴灌带装设结构接触位置、种绳装设结构支撑轴位置、滴灌带铺设结构的开沟器上方位置、导种绳滑刀种绳出口位置、扶手位置)的谐响应振幅最大，3个方向振幅分别为0.008 mm，0.013 mm，0.102 mm；0.018 mm，0.082 mm，0.062 mm；0.004 mm，0.031 mm，0.033 mm；0.006 mm，0.07 mm，0.045 mm；0.016 mm，0.17 mm，0.096 mm，当谐振频率为21 Hz时，主体框架与垄型整理结构销轴接触位置的谐响应振幅最大，3个方向振幅分别为0.003 mm，0.107 mm，0.036 4 mm。

(a) x轴方向振幅

(b) y轴方向振幅

(c) z轴方向振幅图4 与滴灌带装设结构接触位置谐响应Fig. 4 Harmonic response of position contacting with installation structure of drop irrigation belt

(a) x轴方向振幅

(b) y轴方向振幅

(a) x轴方向振幅

(b) y轴方向振幅

(c) z轴方向振幅图6 滴灌带铺设结构的开沟器上方位置谐响应Fig. 6 Harmonic response of surface above the trench opener of laying structure of drop irrigation belt

(a) x轴方向振幅

(b) y轴方向振幅

2) 谐振频率在21～43 Hz时，因主体框架的第2阶至第5阶固有频率均在该范围内，对主体框架6个关键部位的3个方向均有不同程度的振幅，但振幅不大，工作较稳定，当谐振频率为23 Hz时，主体框架与滴灌带装设结构接触位置、种绳装设结构支撑轴位置的谐响应振幅最大，3个方向振幅分别为0.708 mm，0.068 mm，0.249 mm；0.128 mm，0.045 mm，0.514 mm，当谐振频率为35 Hz时，导种绳滑刀种绳出口位置、扶手位置、与垄型整理结构销轴接触位置的谐响应振幅最大，3个方向振幅分别为0.149 mm，0.111 mm，0.653 mm；0.195 mm，0.479 mm，0.237 mm；0.014 mm，0.441 mm，0.15 mm，当谐振频率为37 Hz时，滴灌带铺设结构的开沟器上方位置的谐响应振幅最大，3个方向振幅分别为0.922 mm，0.108 mm，0.104 mm。

3) 谐振频率在43～50 Hz时，当谐振频率为46 Hz时，6个位置的谐响应振幅均最大，共振效果很明显，3个方向振幅分别为1.694 mm，0.071 mm，2.431 mm；1.315 mm，0.621 mm，1.881 mm；0.453 mm，0.211 mm，1.019 mm；0.594 mm，0.415 mm，1.861 mm；1.56 mm，0.165 mm，0.325 mm；0.015 mm，2.345 mm，0.853 mm。

根据发动机工作频率

(1)

式中：f——发动机工作频率，Hz；

n——发动机转速，r/min；

N——发动机气缸数，个；

τ——发动机冲程数，个。

单缸机2 500 r/min转速时，工作频率为20.83 Hz，主体框架该频率下处于非共振稳定工作区间，6个可能影响工作性能的关键部位的x轴、y轴、z轴方向谐响应振幅分别为0.006 mm，0.002 mm，0.013 mm；0.008 mm，0.01 mm，0.012 mm；0.004 mm，0.003 mm，0.003 mm；0.004 mm，0.005 mm，0.017 mm；0.007 mm，0.017 mm，0.008 mm；0.003 mm，0.107 mm，0.036 mm，对种绳埋设过程无影响，工作状态稳定，种绳抽拉不会出现因主体框架振幅过大引起突然的拉伸幅度忽大忽小导致种绳断裂或松动现象，同时为其他执行部件提供稳定的固定连接工作平台。

(a) x轴方向振幅

(b) y轴方向振幅

(c) z轴方向振幅图9 与垄型整理结构销轴接触位置谐响应Fig. 9 Harmonic response of position contacting with pin roll of structure of tidying up the ridge

4 结论

基于Ansys Workbench 19.2进行基于种绳模式胡萝卜播种机主体框架的6处关键部位(与滴灌带装设结构接触位置、种绳装设结构支撑轴位置、滴灌带铺设结构的开沟器上方位置、导种绳滑刀种绳出口位置、扶手位置、与垄型整理结构销轴接触位置)的工作状态研究。通过模态分析，得出主体框架第1～6阶固有频率分别为14.9 Hz、30.881 Hz、31.516 Hz、35.568 Hz、37.852 Hz、46.887 Hz，当主体框架谐振频率接近其固有频率时，将产生共振反应，当主体框架谐振频率靠近6阶固有频率均对种绳装设结构有影响，当谐振频率靠近第1、4阶固有频率对种绳铺设结构有影响。

在此基础上，通过谐响应分析得出不同谐振频率对主体框架6处可能影响工作性能的关键部位的谐响应振幅变化，仿真结果表明，当谐振频率小于21 Hz时，主体框架处于最稳定工作状态；当谐振频率在21～43 Hz时，谐振频率在靠近固有频率时主体框架局部有共振反应，但振幅不大，影响较小；当谐振频率在43～50 Hz时，尤其工作频率在46 Hz附近，振幅较大，共振效果很明显，不利于播种机作业。单缸机工作转速2 500 r/min时主体框架的6处可能影响工作性能的关键部位(与滴灌带装设结构接触位置、种绳装设结构支撑轴位置、滴灌带铺设结构的开沟器上方位置、导种绳滑刀种绳出口位置、扶手位置、与垄型整理结构销轴接触位置)的x轴、y轴、z轴方向谐响应振幅分别为0.006 mm，0.002 mm，0.013 mm；0.008 mm，0.01 mm，0.012 mm；0.004 mm，0.003 mm，0.003 mm；0.004 mm，0.005 mm，0.017 mm；0.007 mm，0.017 mm，0.008 mm；0.003 mm，0.107 mm，0.036 mm，对种绳埋设过程无影响，工作状态稳定，满足胡萝卜播种要求。