對甘蔗葉粉碎機(jī)機(jī)架的模態(tài)屬性研究,機(jī)械工程論文

對甘蔗葉粉碎機(jī)機(jī)架的模態(tài)屬性研究,機(jī)械工程論文在當(dāng)今世界眾多新能源中，生物質(zhì)能源是最安全、最穩(wěn)定的能源，也是國家重點(diǎn)鼓勵和發(fā)展的新能源之一。我們國家熱帶地區(qū)具備了豐富的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源，華而不實(shí)最主要的有甘蔗葉。據(jù)統(tǒng)計，每年甘蔗葉總量為2700萬t。甘蔗葉屬纖維素原料，其纖維素含量為52．30%;與玉米秸稈相比，其碳含量高出10個百分點(diǎn)，氮含量相當(dāng)，實(shí)為生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料。甘蔗葉不僅能轉(zhuǎn)化成清潔能源、保衛(wèi)環(huán)境，而且其沼渣還是優(yōu)良的有機(jī)肥，具有極好的應(yīng)用前景。為了使甘蔗葉的沼氣轉(zhuǎn)化到達(dá)最佳效果，在發(fā)酵前需要做粉碎預(yù)處理。設(shè)計粉碎機(jī)需要考慮粉碎程度、粉碎能耗以及沼氣發(fā)酵生產(chǎn)成本等因素。十分是粉碎效果對甘蔗葉沼氣發(fā)酵時所產(chǎn)甲烷含量、氣體產(chǎn)量以及甘蔗葉中纖維素的分解率等都有較大影響，所以粉碎機(jī)性能的好壞顯得至關(guān)重要。為此，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制了針對甘蔗葉的粉碎機(jī)，其具有粉碎效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在機(jī)架剛度缺乏等缺點(diǎn)。機(jī)架是整個機(jī)械的支撐，粉碎機(jī)在工作經(jīng)過中遭到不同的外界鼓勵，而且響應(yīng)各不一樣，所以可使用模態(tài)分析來優(yōu)化其構(gòu)造設(shè)計。模態(tài)分析是計算構(gòu)造振動特性的數(shù)值技術(shù)，構(gòu)造振動特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析時最基本的動力學(xué)分析也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析能夠幫助設(shè)計人員確定構(gòu)造的固有頻率和振型，對指導(dǎo)工程設(shè)計有廣泛的使用價值。近年來，該技術(shù)廣泛用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計與優(yōu)化:2018年，權(quán)龍哲等針對玉米根茬收獲系統(tǒng)，研究了其固有頻率和振型，并用模態(tài)試驗進(jìn)行了驗證;2020年，孫康等對刮板式花生脫殼機(jī)的機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，為其后續(xù)的諧響應(yīng)分析瞬態(tài)分析等奠定了基礎(chǔ)：2018年，胡彥超等對三一樣步電機(jī)定子端部繞組線圈進(jìn)行了模態(tài)分析;2020年，徐良等為解決玉米播種機(jī)機(jī)架在播種經(jīng)過中產(chǎn)生的復(fù)雜振動變形對播種株距均勻性的影響，對其進(jìn)行了模態(tài)分析。為了進(jìn)一步提高甘蔗葉粉碎機(jī)的工作性能，本文采用模態(tài)實(shí)驗的方式方法，對粉碎機(jī)機(jī)架的模態(tài)屬性進(jìn)行研究，為其改良提供理論根據(jù)。1、建立機(jī)架有限元模型在SolidWorks中建立機(jī)架的三維模型，如此圖1所示。在建立有限元模型時，綜合分析機(jī)架的構(gòu)造、加工工藝以及有限元求解的要求等各種因素，在采用SolidWorks建立三維實(shí)體模型后，通過與ANSYSWorkbench無縫連接將其導(dǎo)入華而不實(shí)。網(wǎng)格劃分采用掃掠(Sweep)和自動網(wǎng)格劃分(Automatic)兩種方式方法。華而不實(shí)，零件材質(zhì)為Q235。網(wǎng)格劃分統(tǒng)計結(jié)果為節(jié)點(diǎn)數(shù)35180，單元數(shù)7780。再根據(jù)機(jī)架與其他零件的裝配和工作狀況，對機(jī)架約束及載荷添加如下:機(jī)架立柱底端添加固定端約束(FixSupport)，對機(jī)架上部螺栓孔中心添加滾筒的壓力(Force)280N，對機(jī)架上部螺栓孔添加1500N的螺栓預(yù)緊力(BoltPretension)。最后，得到機(jī)架的有限元圖形如此圖2所示。2、有限元模態(tài)分析理論有限元模態(tài)分析就是將一個彈性連續(xù)體的振動問題離散為一個以有限個節(jié)點(diǎn)位移為廣義坐標(biāo)的多自由度系統(tǒng)振動的問題。對于一個N自由度的系統(tǒng)，其動力學(xué)問題遵循的平衡方程為進(jìn)行模態(tài)分析時，假定無阻尼的自由振動時，方程變?yōu)闄C(jī)構(gòu)的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數(shù)，則有3、模態(tài)分析在ANSYSWorkbench中建立有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析選項，如此圖3所示。首先進(jìn)行應(yīng)力分析，進(jìn)入B4項，在Analysis選項中添加約束和力，在Solution選項中添加總位移、應(yīng)力應(yīng)變和應(yīng)力。應(yīng)力分析結(jié)果如此圖4所示。從應(yīng)力云圖能夠看出:機(jī)架的VonMise應(yīng)力值約為20．3MPa，小于材料的委屈服從應(yīng)力235MPa，機(jī)架的最大和變位移為0．19mm，均符合設(shè)計要求和材料要求。接著進(jìn)行模態(tài)分析，雙擊C4進(jìn)入模態(tài)分析。在進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析時，模型的材質(zhì)、網(wǎng)格劃分和約束都由靜力分析傳遞而來，不需要重新設(shè)置。進(jìn)入Mechanical后，程序默認(rèn)模態(tài)數(shù)為6，在本例中將其改為10。確定頻率范圍為(0～1)e+08Hz，完全知足要求，無需更改，分析后得到的結(jié)果如此圖5和圖6所示。4、結(jié)果分析由圖6能夠看出，扭轉(zhuǎn)對機(jī)架強(qiáng)度的影響最大，扭轉(zhuǎn)主要受機(jī)架橫梁的影響。要提高扭轉(zhuǎn)剛度，則要研究機(jī)架的扭轉(zhuǎn)模態(tài)。由圖5能夠看出:機(jī)架前10階模態(tài)頻率分布在41．248～247．01Hz，依次遞增，且增幅越來越慢。由圖6能夠看出:前3階模態(tài)中發(fā)生最大位移的部位集中在機(jī)架上部的4根梁上。因而，在機(jī)架上部進(jìn)行焊接時，一定要焊接牢固，不能存在假焊。同時，焊接應(yīng)力也應(yīng)控制在合理范圍;在4～8階模態(tài)振型中，主要表現(xiàn)為機(jī)架中部橫梁與機(jī)架立柱支柱的焊接部分;在9～10階模態(tài)振型中，主要表現(xiàn)為機(jī)架上部與軸承座相連部分。在實(shí)際應(yīng)用中，要具體考慮軸承座安裝位置的梁的強(qiáng)度，在必要時能夠加強(qiáng)該部分，防止出現(xiàn)疲憊裂紋甚至斷裂。5、結(jié)束語1)粉碎機(jī)機(jī)架的低階頻率應(yīng)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率，避免發(fā)生共振。2)由模態(tài)分析得到了機(jī)架前10階模態(tài)的固有頻率和振型，找出了粉碎機(jī)機(jī)架設(shè)計的薄弱部位(即各焊接部位和軸承座安裝位置)，這些部位最容易因振動而使機(jī)架產(chǎn)生疲憊毀壞。3)為粉碎機(jī)整機(jī)和機(jī)架的改良提供了理論根據(jù)，同時也為深切進(jìn)入研究其振動、疲憊和噪聲提供了根據(jù)。以下為參考文獻(xiàn):［1］陳小華，朱洪光．農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣研究進(jìn)展與瞻望［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(3):279－283．［2］焦靜，王金麗，鄧怡國，等．熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物資源及沼氣利用［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(30):13350－13351，13405．［3］焦靜，王金麗，鄧怡國，等．草糞比對甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響［J］．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，37(1):51－54．［4］鄭勇，王剛，王金麗．一種小型臥式甘蔗葉粉碎機(jī)的研制［J］．中國農(nóng)機(jī)化，2018(2):98－100．［5］中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院．一種甘蔗葉粉碎機(jī)的粉碎刀組件:中國，881056073［P］．2018－10－06．［6］權(quán)龍哲，佟金，曾百功，等．玉米根茬收獲系統(tǒng)的有限元模態(tài)分析與試驗［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，27(11):15－20．［7］孫康，王軍鋒．刮板式花生脫殼機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2020，35(6):66－69．［8］胡彥超，陳章位．F4三一樣步電機(jī)定子端部繞組線圈實(shí)驗?zāi)B(tài)分析［J］．振動與沖擊，2018，30(12):261－2