刘颖灿，郭俊先，史勇，谢建华，钱兴桂，韩景
(1. **农业大学机电工程学院，乌鲁木齐市，830052；
2. 沙雅钵施然智能农机有限公司，**阿克苏，843099)
中国**地区是棉花的主要产区，结合**干旱少雨的气候特点，棉花覆膜技术有着保温保墒等优点，有利于棉花生长。地膜的长期使用已造成田间“白色污染”，而残膜回收机是回收残膜的主要方式，可以有效治理田间污染但国内针对残膜回收机具的研制还处于研发阶段，存在可靠性差、机具作业效率低等问题[1-2]，土壤层间残膜积累制约了棉花产量[3-4]，残膜回收机具的研发仍是目前亟待解决的问题[5-6]。
机架作为残膜回收的主要支撑部分，同时会受到地面及其他部件产生的交变载荷。在机具运转时，旋转部件的激励频率与机架的固有频率接近时，会发生共振现象，导致整机的可靠性降低，机架结构发生破坏[7-9]。目前，国内学者采用模态分析对谷物收获机[10]、籽瓜破碎取籽分离机[11]、油菜割晒机[12]、深松机[13]、圆盘压草割扁机[14]等机具机架的振动特性进行研究，机架的自身固有频率小于外部激励频率时，易发生共振现象，降低机具的使用寿命。而关于残膜回收机机架的静力学与模态分析的研究鲜有报道。
本文采用Creo4.0软件对残膜回收机的机架建立三维模型，并导入ANSYS Workbench软件中进行有限元分析，采用正交试验设计对机架进行结构优化，对比分析机架优化前后的固有频率及振幅的变化趋势，使其避开最大外部激励频率，避免共振现象发生，对优化前后的机架进行刚度、强度校核，为往后的残膜回收机设计提供了理论基础。
1.1 三维模型建立及网格划分
在Creo4.0软件中建立残膜回收机的机架模型，另存Parasolid(*.x_t)格式导入ANSYS workbench，并且在SCDM中做了模型检查，模型合理无干涉。为了适应有限元的快速计算[15-17]，对机架作出了部分简化：(1)忽略一些不必要的倒角、圆角并简化成直角；
(2)忽略机架上的非承载件、焊缝和一些不必要的结构特征等。机架结构如图1所示，机架长×宽×高为3 850 mm×2 386 mm×892 mm，主要采用80 mm×60 mm×8 mm、100 mm×100 mm×8 mm的空心方管焊接而成，左、右边板厚度为8 mm。机架主要对打杆装置、捡膜装置、膜箱、脱膜装置、传动系统等进行承载，机架材料为Q345，其密度为7 850 kg/m3，杨氏模量为206 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为345 MPa。
在进行网格划分时，各部件之间采用bond的方式连接，合理的网格大小可以保证计算效率和准确性[18]。机架的网格划分方式采用了Hex Dominant、Multizone方式来保证精度，通过Sizing来控制网格尺寸的大小，element sizing(单元尺寸)设置尺寸为10 mm，网格平均质量为0.814 04，网格质量较好。网格划分节点数为844 865，网格单元数为129 527。
图1 机架结构简化示意图
1.2 施加边界条件
由于机架主要承受来自打杆装置、捡膜装置、膜箱、脱膜装置、传动系统等部件所产生的力。对机架左、右上下梁侧面施加固定约束，两侧板的螺栓孔施加固定约束。除机架之外机架所承受其他部件的总重量，将承受的载荷均布到机架上，机架所承受的均布载荷为0.015 966 97 MPa，载荷施加位置如图2所示。
图2 载荷施加位置
1.3 静力学结果分析
经施加载荷约束求解计算后，得到该机架总变形分析云图、总应力分析云图，其结果如图3、图4所示。从图3、图4可以得出最大变形发生在主连接梁处，主要对传动系统的分动箱承载，载荷相对集中，最大变形量为0.914 22 mm；
最大应力发生在右边板的左上侧螺栓孔处，其最大应力值为52.15 MPa。由于机架材料为Q345，故最大应力值小于Q345的屈服强度，机架设计满足强度和刚度要求。
图3 总变形分析云图
图4 总应力分析云图
模态是机械结构固有的振动特性，其振动特性与自身质量、刚度有关，与外部载荷无关。进行模态分析时采用约束模态分析，可以更好地模拟出实际工况，由于低阶频率对机架的结构特性影响大，因此提取机架的前6阶的模态振型与固有频率。其振型和频率具体数值见表1，振型云图见图5。
表1 机架前6阶固有频率与振型特征Tab. 1 First 6 natural frequencies and vibration mode characteristics of the rack
(a) 1阶振型
(b) 2阶振型
(c) 3阶振型
(d) 4阶振型
(e) 5阶振型
(f) 6阶振型
从表1，图5得出的结果，机架的前6阶振型特征主要为摆动、振动，主要变形部位在两侧板、机罩、主连接梁和副支撑梁。机架的第二阶固有频率38.893 Hz出现最大振幅，变形部位在左右边板沿Y轴左右摆动，其振幅值为17.642 mm；
第二大振幅出现在第一阶固有频率35.835 Hz，变形部位与第一阶固有频率的部位相同，其振幅值为18.589 mm，这两阶固有频率产生的振型特征可能会导致固定甩刀装置的螺栓松动，影响秸秆粉碎效果。振动部位主要出现在主连接梁、副支撑梁、机罩，由于主连接梁、机罩也用来承载传动系统，这些部位发生变形可能会降低机具的田间作业效果。
模态分析表现了机架的固有频率、振型特征、阻尼等结构特性，可以为机架在对秸秆还田装置、拾膜与脱膜装置等部件承载时提供安全作业的理论参考，在田间作业时应尽量避免激励频率与固有频率相接近，尽可能保证机架不会出现共振现象。在机具作业过程中，当甩刀滚筒的转速为2 400 r/min，绞龙转速为1 500 r/min，脱膜滚筒的转速介于590～610 r/min，捡膜滚筒的设定转速为50 r/min，同时会受到田间地膜和棉秆的缠绕，得到的激励频率范围为0.833～40 Hz，至少要避开激励频率的±15%，而机架的第1阶固有频率38.835 Hz和第2阶固有频率38.893 Hz在激励频率范围内，因此有必要对机架进行结构优化，使机架的第1、2固有频率避开最大激励频率，才能避免共振的发生。
3.1 试验设计
由模态分析可知，机架的1、2阶固有频率在激励频率范围内，只需提高机架的1、2阶固有频率使其大于最大激励频率40 Hz，才能避免共振的发生。对于机架结构的优化采用正交试验设计的方法，在满足刚度、强度的要求基础上，避免机架产生共振现象，以提高机具的可靠性和田间工作效果[19-20]。
结合模态分析结果与模拟验证，试验因素选取左右边板厚度、主连接梁管厚、副支撑梁宽度，1、2阶固有频率为试验指标。具体试验方案如表2所示。
表2 试验因素编码Tab. 2 Factors and codes
根据试验因素和水平，选用L9(34)安排试验序号，根据试验序号用Creo4.0绘制各个尺寸的三维模型，导入ANSYS Workbench中，并在SCDM中检查模型合理无干涉，依次进行9次约束模态分析计算，并记录优化后的1、2阶固有频率，如表3所示。
由表3试验结果可知，第1阶固有频率为45.780～50.586 Hz，第2阶固有频率为50.141～53.533 Hz。各因素对第1、2固有频率的优水平为A3B1C3。选取左右边板厚度为12 mm，主连接梁管厚为6 mm，副支撑梁宽度为70 mm。在该参数下，第1、2阶固有频率大于最大激励频率，避免共振现象的发生。
表3 试验方案与结果Tab. 3 Design of tests and results
3.2 优化后静力学与模态分析
对于优化后机架进行静力学分析计算，得到总应力分析云图、总变形分析云图如图6、图7所示。优化后得到最大变形量为0.831 8 mm；
最大应力在主连接梁与左边板连接处，其最大应力值为48.855 MPa，比优化前降低了3.295 MPa，优化后的机架仍满足刚度、强度的设计要求。
图6 优化后总应力分析云图
图7 优化后总变形分析云图
通过对机架优化前后的模态分析，得出机架前6阶固有频率及振幅变化趋势图，如图8、图9所示，优化后的第1、2阶固有频率分别由38.835 Hz、38.893 Hz提升到了50.747 Hz、53.557 Hz，优化前的最大振幅17.642 mm与优化后的最大振幅12.719 mm相比降低了4.923 mm。机架优化前的第三振型，经优化后变为第一振型，振幅也大幅度降低，第1、2阶固有频率成功避开了最大激励频率40 Hz，避免共振现象的发生，确保了机具田间作业的可靠性和稳定性。
(b) 振幅变化趋势图
(a) 1阶振型
(b) 2阶振型
(c) 3阶振型
(d) 4阶振型
(e) 5阶振型
(f) 6阶振型
1) 采用ANSYS Workbench19.0对残膜回收机机架进行有限元静力学分析得出，最大变形发生在主连接梁处，最大变形量为0.914 22 mm；
最大应力发生在右边板的左上侧螺栓孔处，其最大应力值为52.15 MPa，其值小于机架材料的屈服强度，机架设计满足强度和刚度要求。
2) 采用ANSYS Workbench19.0对残膜回收机机架进行有限元模态分析得出，机架的前6阶振型特征主要为摆动、振动，机架的第一阶固有频率 38.835 Hz 和第二阶固有频率38.893 Hz小于秸秆还田装置产生的最大激励频率40 Hz，最大振幅 17.642 mm 出现在第二阶振型左右边板处，可能会影响到秸秆粉碎的效果。为避免共振现象的发生，有必要对机架进行结构优化。
3) 采用ANSYS Workbench19.0模拟正交试验设计的方法逐步对机架进行结构优化，得出最优参数为左右边板厚度为12 mm，主连接梁管厚为6 mm，副支撑梁宽度为70 mm。优化前的第1、2阶固有频率38.835 Hz、38.893 Hz经优化后提升至50.747 Hz、53.557 Hz，成功避开了最大外部激励频率40 Hz，避免了共振现象的发生，优化前的最大振幅与优化后的最大振幅相比降低了4.923 mm，优化后的机架仍满足刚度和强度要求。
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