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柔性垂直摘锭结构与动力稳定性分析

范文

努尔艾合买提·吾甫尔买买提明·艾尼依西甫江·赛依提武园园

摘要：为了诊断垂直摘锭在运作中由于振动与冲击所产生的变形与失效问题，以及由此产生的棉花掉落、整体噪音大等问题，首先介绍新型垂直摘锭式采棉机的工作原理以及结构特点;接着利用NX、ANSYS等软件对新型采棉机关键部件——柔性垂直摘锭，建立三维模型并获取合理有限元模型，对其进行单独与耦合模态分析。通过研究发现：摘锭轴和摘锭耦合前，柔性摘锭由于材料特性稳定较低，其前4阶固有频率都落在正常工作频率（0～16.7 Hz）之内，耦合之后外力较少的情况下摘锭内表面与摘锭轴1/4外表面接触并且其频率与振型和柔性摘锭单独分析的情况大致相同，而随着同时接触的面数量增多（最多4面），转子稳定性明显提高了，即与前者同一阶固有频率相比，第1、第3、第5阶固有频率比前者分别提高到约38.66倍、37.98倍、45.05倍，但是由于这种情况下柔性摘锭受到的外力和冲击力较大，柔性摘锭出于紧缩或膨胀的状态很容易出现折断或变形。

关键词：采棉机;柔性垂直摘锭;模态分析;振动特性;ANSYS软件

中图分类号： S225.91+1 ?文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0230-05

收稿日期：2018-04-12

基金項目：国家自然科学基金（编号：11772289）。

作者简介：努尔艾合买提·吾甫尔（1990—），男，新疆喀什人，硕士研究生，研究方向为机械设计与理论。

通信作者：买买提明·艾尼，博士，教授，博士生导师，主要从事计算力学、现代设计理论与方法、动力稳定性、并行计算方法等研究。

我国棉花种植面积不断扩大，且呈逐年递增的趋势，棉花机械收获在棉花生产机械化中是一项重要而复杂的环节[1-2]，新疆作为我国最大的棉花主产区和国家优质棉、长绒棉出产地，其国民经济指数的提高很大一部分依赖于新疆棉花业的持续和稳定发展，因此，对采棉机进行技术创新来提高棉花的产量势在必行[3]。

目前，新疆采棉机市场上所使用的水平摘锭式采棉机因采摘率高、采摘速度快等优势在国内外被广泛应用。在国外，水平摘锭式采棉机技术在19世纪90年代就已成熟。我国魏敏等在水平摘锭三维建模、结构优化、加工工艺分析等方面作出了不少的贡献[3-6]。由于自走式水平摘锭采棉机结构复杂及庞大、高速旋转中磨损快、易折断、寿命比较短、只适用于大规模棉地（只能采收66+10 cm和76 cm等行距的棉田）[7]、不能进行重复采摘等原因，在购机和维护费用方面给新疆维吾尔自治区农户带来了很大的经济压力，也某种程度上制约了自走式水平摘锭采棉机在新疆地区的普及使用，当地农户希望用另一种更实惠更实用的采棉机来解决棉花产业中的棉花采摘这个繁琐枯燥的环节。

垂直摘锭式采棉机大规模应用于世界主要产棉区，尤其是在以色列、埃及、土耳其等地[7]，垂直摘锭在我国应用极少，关于垂直摘锭式采棉机的研究也几乎没有。摘锭是采棉机最重要的核心部件，其性能的好坏直接影响到采棉机的作业性能[3]。摘锭在作业过程中由于高速旋转，结构冲击载荷引起的结构振动是不可避免的现象，当振动强度剧烈时，结构振动可能导致结构损坏甚至断裂[8]。对垂直摘锭采棉机而言，其转速比较高，结构振动现象更明显，其结构振动能够直接影响采棉机的工作稳定性，进而影响采棉机工作效率[9]。

本研究利用工程技术领域普遍使用的数值模拟法[10]中的有限单元法对柔性垂直摘定进行数值模拟，通过分析了解其动态特性，以便于对其进行进一步优化，改进和故障诊断以及提高系统稳定性和作业效率提供依据。

1 新型采棉机采棉头结构及工作原理

众所周知，棉花纤维呈扭曲带状，其表面因纤维之间杂乱分布并且粗糙，使得棉花有着极强的缠绕性能[7]。采棉机摘锭利用棉花高强度缠绕特性对其进行收集，滚筒式柔性摘锭采棉系统见图1，其工作原理如下：摘锭组（包括12转子）绕着滚筒轴慢速公转同时绕着摘锭轴高速旋转使得柔性摘锭的锯齿将棉纤维挤压缩紧并卷于其身，随后经过摘锭组通过内皮带和刷子将棉花进行脱棉，最后与摘锭分离的瓣籽棉被风扇的吸力通过采摘头侧面的集棉管道吸送到集棉箱，完成棉花的采收[11]。

滚筒作为垂直采棉机的重要部位，对采棉机性能、采棉效率的影响巨大，采棉滚筒工作时，一方面做旋转运动，另一方面随采棉机前进，因此采棉滚筒的绝对运动是采棉滚筒旋转和采棉机前进运动的合成，其运动轨迹是摆线[12]，本研究的柔性垂直摘锭滚筒主要外形尺寸及转速参数见表1。

2 建立模型与设定边界条件

2.1 垂直摘锭模型的建立

本研究垂直摘锭利用NX10.0环境进行建模（图2），垂直摘锭转子包括柔性摘锭、摘锭轴组成，建模完成之后，删除对模型结构影响不大的圆角和边缘，以免模型导入ANSYS的模态分析模块划分有限元网格时，圆角和一些边缘会影响其网格划分的精度，从而产生分析误差[13]。

2.2 材料特性和边界条件

2.2.1 材料特性设置

垂直摘锭转子主要零件所选用的材料分别为65Mn（弹簧钢）和45号钢，依次选用在柔性摘锭和摘锭轴上，其材料属性见表2。在同等的边界条件和初始条件下单独与装配模态分析。

2.2.2 边界条件的设定

柔性摘锭单独分析时：对柔性摘锭卡钩进行固定约束。摘锭轴单独分析时，对摘锭轴上端空心带花纹的内圆柱表面进行固定约束。柔性摘锭和摘锭轴装配分析时，对摘锭轴上端空心带花纹的内圆柱表面进行固定约束，柔性摘锭卡钩下表面与轴上的键槽下表面无分离接触，柔性摘锭内表面分别与摘锭轴1/4、2/4、3/4、4/4外表面不分离接触。

2.3 网格划分

关键部件柔性摘锭结构较复杂、尖端处较多，柔性摘锭网格划分类型、尺寸对摘锭模态分析至关重要，因此，本研究对采棉机关键部件柔性摘锭网格划分类型和尺寸以及模态频率之间的关系进一步进行理论验证，结果见图3。

四面体网格可以施加任何几何体，可以快速生成，在关键区域容易使曲度和近似尺寸功能自动细化网格，但网格一般不可能方向排列[14]，允许少量的误差，六面体网格类型相对比较稳定，而且误差较小，但柔性摘锭结构比较复杂，网格尺寸小于0.5 mm、大于3 mm将无法进行网格划分，而四面体网格在0.5～15 mm之间都可以进行网格划分。从图3得知，随着柔性摘锭网格节点数的增加，模态频率开始渐变较稳定状态，其中六面体网格节点数达到0.31×106个，已经达到比较稳定的状态，而四面体网格节点数达到 0.47×106个模态频率还是存在着一定的波动，过了0.72×106个之后二者之间模态频率基本相同、因此柔性摘锭采用四面体网格，节点数大于0.72×106个比较合适。本研究设定的其网格单元类型、尺寸、节点数以及单元数见表3。

3 模态分析理论

一个多自由度的结构系统，其动力学方程如下[15]：

mδ（t）+cδ·（t）+kδ（t）=F（t）。（1）

式中：m、c、k分别表示结构系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;F（t）表示激励向量;δ（t）表示位移向量;δ·（t）表示速度向量;δ（t）表示加速度向量。

结构的固有頻率由结构本身的属性所决定，与外载荷无关;阻尼对结构的固有频率和振型影响不大。当无外载荷作用并忽略阻尼时，其动力学方程式（1）可简化为

mδ（t）+kδ（t）=0。（2）

假设系统作简谐振动，则有：

δ（t）=φsin（ωt+α）。（3）

式中：φ表示特征矢量或振型;ω表示角频率，rad/s;α表示初相角，rad。

将式（3）代入式（2），整理可得：

式（4）在任意时刻t均成立，因此，式（4）可简化为

kφ-ω2m=0。（5）

当主轴的高速旋转，会产生一定的旋转预应力，在预应力的作用下主轴系统会发生变形，使结构刚度发生变化，在这种情况下，其动力学方程变为[16]

（k+kr-ω2m）φ=0。（6）

式中：kr表示预应力刚度矩阵。

式（6）有非零解的条件为（k-ω2m）是奇异的，即系数矩阵的行列式det（k+kr-ω2m）φ=0，对其求解，可得到n个特征值ωi（i=1，2，…，n），即为系统的n个固有频率。将ωi代入式（6），即可求的φi，φi即为振动频率ωi下的振动型态。

4 模态分析结果

柔性摘锭前10阶的模态频率及其对应的典型振型见表4。从频率列表及柔性摘锭振型可知，在前10阶频率中，最低频率为1.320 2 Hz，最高频率为43.456 0 Hz，随着阶次增加，频率也相应增加，但各2阶频率比前2阶频率明显高。以下为各频率的振型具体分析：

由图4-a可知，第1阶模态振型频率f0=1.320 2 Hz，柔性摘锭在yOz面摆动振动，通过图形颜色及分析数据可知，其红色区域面积不大，主要集中在柔性摘锭下端，其振动位移量比较大。由图4-b可知，第3模态振型频率分别f0=8.168 0 Hz，柔性摘锭在yOz面内发生弯曲振动，其下端和中间部位略有红色区域，但其振动位移量比较大，其红色区域主要集中在摘锭下端。相对于第1阶振型，发生了较小的振动。

从图4-c、4-d可知，第5、6阶模态振型频率分别为 17.503 0 Hz、20.304 0 Hz，柔性摘锭在第5阶模态发生了扭转膨胀和伸张变形，其底下半部有较大的红色区域，而第6阶模态只发生了扭转收缩伸张振动。这2阶模态振型危险区域面积比较大，即在这个频率工作，对零件的振动比较大，此时发生破坏断裂的可能性比较大，应该防止柔性摘锭长时间在此频率下工作。

综上所述，柔性摘锭各阶模态振型中，振动变形主要集中在其下半部，频率较低、稳定性也较差，与0阶频率（16.7 Hz）相接近的固有频率也较多，因此运作过程中，零件在第5、第6阶模态频率下容易变形甚至折断。

摘锭轴前6阶模态频率见表4，其对应的典型振型见图5。在前6阶频率中，最低频率为55.9 Hz，最高频率为 942.08 Hz，随着阶次增加，相应的频率也增加，变形量也增加，但摘锭轴总体稳定性较高。第1、第2阶摘锭轴左右摆动振动，通过图形颜色及分析数据可知，其红色区域主要集中在下端，其振动位移量比较少，固有频率已经超出了原动机输出频率。第3阶模态振型见图5-a，摘锭轴发生弯曲振动，但其振动位移量比较大，其红色区域主要集中在摘锭轴的下端。与第1、第2阶模态频率相差6倍左右。

柔性摘锭与摘锭轴装配体——转子振动情况可分为两大类型来分析。第1类，柔性摘锭只同棉花叶和棉花接触，受到的外力与冲击不大，摘锭与摘锭轴之间仍存在着间隙;第2类，因受到的外力与冲击力大，摘锭轴与摘锭几乎不存在间隙。通过对其详细进行模态分析到其前6阶模态的固有频率与振型。前6阶模态分析固有频率与振型特点见表5。分析时其他边界条件不改变的情况下柔性摘锭内表面分别与摘锭轴1/4、 2/4、 3/4、4/4外表面接触，摘锭轴1/4随机表面与柔性摘锭内表面摩擦接触，如果2/4、3/4、4/4外表面同时接触那么轴外表面和摘锭内表面不分离接触。

由表5、图6可知：虽然柔性摘锭和摘锭轴没有出现严重变形情况，也没有和0阶频率（16.7 Hz）相同频率，但是摘锭轴1/4外表面与柔性摘锭摩擦接触时转子的前6阶固有频率即1.313 5～20.523 Hz都落在原动机的动力输入轴的最大工作频率（0～20 Hz）之内，只有第5、6阶固有频率不在正常工作频率（0～16 Hz）之内，这表明，摘锭与摘锭轴之间存在间隙的情况下稳定定型较低甚至出现共振现象，很大程度上影响摘锭的稳定性和正常工作效率，但可以减少摘锭齿的折断。相比之下随着摘锭与摘锭轴接触面的增多，转子的稳定性明显提高，即4/4接触第1、第2阶固有频率比1/4接触的第1、第2阶提高到约38.66倍、38.42倍，第3、第4阶固有频率提高到约37.98倍、38.06倍，第5、第6阶固有频率提高到约 45.05 倍、41.78倍，但在其振型图中出现了扭转膨胀、收缩伸张等振动，在外力或冲击力较大的时候柔性摘锭容易变形或折断。

5 结论

本研究利用NX与ANSYS有限元分析软件相结合，对我国棉田上罕见的柔性垂直摘锭式采棉机摘锭进行建模;对采棉头进行工作原理分析，并总结出冲击载荷引起的垂直摘锭结构强烈振动容易导致摘锭折断和变形、锯齿的折断以及摘锭轴的变形，进而直接影响采棉效率的主要问题。对采棉机关键零件柔性摘锭分别单独和装配进行模态分析，研究表明，受力较少情况下摘锭大部分固有频率都落在了有效工作范围之内，稳定性较低，受力较大的情况下稳定性提高了不少，但柔性摘锭可能容易变形或者折断。

改进建议：柔性摘锭与摘锭轴之间的间隙是产生噪音与降低柔性摘锭稳定性的主要原因之一，轴和摘锭合为一体设计，可以避免由柔性摘锭和摘锭轴之间间隙引起的摘锭稳定性不好、噪音较大的问题。

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