基于ANSYS_Workb...炮打药机风筒的力学特性分析_陈丽.pdf

文章编号：1673-887X(2023)05-0034-04基于ANSYS Workbench的果园雾炮打药机风筒的力学特性分析陈丽，谢钰，陈梅艳，范九荣，叶选林（云南开放大学 机电工程学院，云南昆明650223）摘要随着果树的大面积种植，传统的喷药技术和器具已经很难满足大型果园的生产管理需求，雾炮打药机是目前大型果园农药喷洒的重要器具之一。风筒的结构及其稳定性是影响雾炮打药机性能的主要因素之一。文章利用ANSYS Workbench分析射程为80 m的雾炮打药机风筒的力学特性。结果表明：在额定工况下，风筒的最大应力为36.93 MPa，远小于材料的许用应力；最大变形量为0.3 mm，能满足雾炮打药机的正常工作需求；风筒的最大应力出现在风筒底部，对焊口的要求较高，可将焊口放在风筒的正上方，降低失效风险；风筒的前四阶模态的振动频率范围为70.5141.2 Hz，当外界激励频率在此范围内时，应注意共振失效问题。关键词雾炮打药机；果园管理；力学特性中图分类号S233.74文献标志码Adoi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.05.013Analysis of Mechanical Characteristics of the Air Duct of Orchard Fog Gun Applicator Basedon ANSYS WorkbenchChen Li,Xie Yu,Chen Meiyan,Fan Jiurong,Ye Xuanlin(College of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan Open University,Kunming 650223,Yunnan,China)AbstractAbstract：With the large-scale planting of fruit trees,the traditional pesticide spraying agronomy and equipment have been difficultto meet the needs of agricultural management in large orchards.At present,the spray gun sprayer is one of the important equipmentfor pesticide spraying in large orchards.The structure and stability of the air duct is one of the main factors affecting the performanceof the fog gun dispenser.In this paper,ANSYS Workbench is used to analyze the mechanical characteristics of the air duct of the foggun dosing machine with a range of 80 m.The analysis results show that under the rated working condition,the maximum stress ofthe air duct is 36.93 MPa,which is far less than the allowable stress of the material;The maximum deformation is 0.30 mm,whichcan meet the normal working requirements of the fog gun dosing machine;The maximum stress of the air duct appears at the bottomof the air duct,and the requirements for the welded junction are high.The welded junction can be placed directly above the air ductto reduce the risk of failure.The vibration frequency range of the first four modes of the air duct is 70.5141.2 hz.When the externalexcitation frequency is within this range,attention should be paid to the problem of resonance failure.Key words：fog gun applicator,orchard management,mechanical properties随着社会经济的不断发展，我国水果的消费水平和种植情况都有了一定的提升1，2。近年来我国水果种植面积持续增长，据统计，2021 年我国水果的种植面积已经达到了 12646.3 khm21。随着果树的大面积种植，传统的喷药技术和器具已经很难满足大型果园的管理需求3，4。雾炮打药机是目前大型果园农药喷洒的重要器具之一，根据作业需求的不同，雾炮打药机的喷雾射程一般在20100 m，随着喷雾射程和喷射量的提高，雾炮打药机的结构强度和稳定性也不断提高，风筒的结构及其稳定性是影响雾炮打药机性能的主要因素之一5。雾炮打药机的风筒一般由薄板制成6，雾炮打药机的风扇电机安装在风筒内部，风机的转速一般为3 000 r/min，雾炮打药机的功率越大，雾炮打药机的电机和风筒的体积越大，对风筒的结构稳定性要求越高8，9。本文以射程80 m的大型雾炮打药机为研究对象，分析风筒的力学特性，为后续雾炮打药机的优化提供理论依据。1分析模型本文的分析对象为射程80 m的雾炮打药机的风筒，风筒的长度为1 820 mm，风筒的直径为780 mm，风筒采用薄钢板焊接而成，为了增强风筒的强度，风筒包含内外两层，两层之间设有与壁面垂直的筋板，风筒的外侧面设有两个对称的支撑结构和一个导向结构，其结构见图1，其材料特性见表1。收稿日期2023-02-14基金项目云南省教育厅科学研究基金项目（2017ZZX283）。作者简介陈丽（1982-），女，四川人，讲师，研究方向：机械设计及制造、材料加工与成型。农业装备第5期（总第401期）34图1风筒结构Fig.1 Air duct structure表1风筒材料参数Tab.1 Material parameters of air duct指标数值弹性模量GPa206泊松比0.3屈服强度Mpa380抗拉强度Mpa450密度kg/m37.851032静力学分析静力学分析是分析机械结构稳定性的一种常用方法，其能直观地反映出机械结构在静力作用下的力学特性。2.1静力学分析预处理在ANSYS Workbench中，用户可以根据自己所需要的材料来定义分析模型所使用的材料，本文根据表1的参数建立分析材料模型。将图1的模型导入到ANSYS Workbench中，并将按照表1定义的材料施加到几何模型上。采用自动网格划分的方法，并添加尺寸参数控制来对风筒进行网格划分10。2.2施加工作载荷与约束风筒在工作过程中，受到的约束主要有2个，第一个为作用在2个支撑上的轴承支撑，另外一个是作用在导向结构上的轴承支撑，在ANSYS Workbench中，将上述2个约束施加到模型上。由于2个约束构成三角形结构，本文为了简化模型，将轴承约束改为固定约束。风筒在工作过程中，主要受到的力为风扇电机的重力、自身重力和风扇产生的反作用力，其中风扇电机的重力和风扇反作用力都作用在电机安装板上，风扇电机的重力大小为380 N，方向竖直向下，风扇的反用力大小为600 N，方向与喷射方向相反，重力加速度为 9.8 m/s2。在 ANSYS Workbench中，将上述3个力施加到模型上。约束和载荷的施加方式见图2。图2约束与载荷Fig.2 Constraints and loads2.3静力学分析结果将处理好的模型提交ANSYS Workbench求解计算，将计算的结果后处理，得到风筒在正常工况下的等效应力云图、等效应变云图和总变形云图。图3是风筒的等效应力云图，从图中可以看出，风筒的应力主要出现在电机安装板、风筒内层和电机安装板的筋板上，最大应力出现在风筒内层与筋板相接触的位置，最大值为36.93 MPa，该值远小于材料的强度，在额定工况下，风筒能保持稳定的工作。图3等效应力云图Fig.3 Stress nephogram图4是风筒的等效应变云图，应力较大的位置其应变也比较大。风筒内层焊接位置的应变较大，可以将焊接位置放在风筒的最上方，降低焊接位置失效的可能性。同时，可以增加电机安板的筋板数量来降低风筒的最大应变值，提高风筒的安全性。图4等效应变云图Fig.4 Strain nephogram图5是风筒的总变形云图，从图中可以看出变形主要出现在电机安装板及以下的风筒部分，其中最大变形位置出现在电机安装板的后端，最大变形值为0.3 mm，基本不影响电机的正常运行。同时，风筒底部的内外两层都出现了较大的变形，电机安装板的下方需要增加辅助结构提高风筒强度。图5总变形云图Fig.5 Total deformation nephogram农业装备农业技术与装备第5期（总第401期）353模态分析3.1模态分析预处理模态分析是研究结构动力学特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，模态是机械结构的固有特性，同一个机械结构具有无数阶模态，每一阶模态具有特定的固有频率和振型10。本文采用静力学分析中使用的载荷和约束及静力学分析结果作为模态分析的分析条件，对结构施加预应力进行模态分析，能更加精确地分析结构在工作过程中的模态特性。3.2模态分析结果随着阶数的不断增大，模态分析结果的误差将会变大。根据实际工况需求，采用Block lanczos法只提取风筒的前四阶模态，前四阶模态的振动频率范围为70.5141.2 Hz，分析结果见表2。表2前四阶模态振动频率Tab.2 Modal vibration frequency阶数1234振动频率Hz70.589.0121.0141.2图6是风筒的一阶模态振型云图，从图中可以看出，变形主要出现在风筒的下方尾部，最大值为47.0 mm，该位置也是焊接位置，对焊接强度要求较高，为了避免应力集中，可以适当优化焊口位置，尽量避免焊口直接受力。图6一阶模态振型云图Fig.6 First order mode shape nephogram图7是风筒的二阶模态的振型云图，从图中可以看出风筒中的导流板出现了较大的变形，最大值为14.7 mm，风筒的其他的结构基本稳定。由于导流板的结构形式与风筒内的空气流动有着直接关系，导流板的结构优化需要考虑风筒内空气动力学。图8是风筒的三阶模态振型云图，从图中可以看出风筒整体都出现了较大的变形，最大的变形出现在了风筒前端的焊口位置，最大值为12.4mm。由于整个风筒均出现了较大的变形，此时很难通过优化结构的方式解决共振问题。图9是风筒的四阶模态的振型云图，从图中可以看出风筒变形的最大值出现在了风筒前端的焊口位置，最大变形值为45.0 mm。在第一和第三阶模态振型云图中，焊接位置均是变形较大的位置，为了保证风筒的安全运行，焊口安全性应进一步研究。图7二阶模态振型云图Fig.7 Second order mode shape nephogram图8三阶模态振型云图Fig.8 Third order mode shape nephogram图9四阶模态振型云图Fig.9 Fourth order mode shape nephogram4结论风筒是雾炮打药机的重要组成部分，本文利用 ANSYSWorkbench对射程为80 m的雾炮打药机的风筒的力学性能进行了分析，得到以下结论：在额定工况下，风筒的最大应力为36.93 MPa，远小于材料的许用应力；最大变形量为0.3 mm，能满足雾炮打药机的正常工作需求；在额定工况下，风筒的最大应力出现在风筒底部，对焊口的要求较高，可将焊口放在风筒的正上方，降低失效风险；风筒的前四阶模态的振动频率范围为70.5141.2 Hz，当外界激励频率在此范围内时，应注意共振失效问题。（下转第40页）农业装备陈丽，谢钰，陈梅艳，等：基于ANSYS Workbench的果园雾炮打药机风筒的力学特性分析36数，输入到步进电机产生角位移，步进电机输出轴直接与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆相连，减速之后经过转向横拉杆作用在转向臂使得车轮转动11。转向控制装置见图4。图4转向控制装置Fig.4 Steering control device2.3总体三维装配见图5为车辆的整体装配设计，该车辆的尾部采用三点悬挂装置，可以与旋耕装置、施肥装置、除草装置、开沟装置等多种工作装置相连接，三点悬挂装置被广泛的应用在农业机械车辆中12。在车架的上方安装了增程器、发电机、蓄电池、驱动电机和变速箱等装置，燃油机带动发电机给蓄电池供电，蓄电池连接驱动电机通过变速箱中的减速机构将动力分别传递到后轮和旋耕装置上，以此驱动车辆行走工作13。图5整车装配设计Fig.5 Vehicle assembly design增程器、电池、驱动电机是该车辆的核心动力部件，它们之间的运转需要根据不同工况来确定，动力系统之间控制策略的好坏对车辆的功率输出、油耗、排放性能都起着决定性作用14。3结语本文根据果园管理车辆的设计要求，并且对转向系统加以改造，对增程器、发电机、驱动电机、蓄电池等进行了计算和选型，最后在三维软件CATIA中建立了车辆的模型，进行装配。此方案设计可以实现增程式动力的传输，可以实现耕地等果园作业，在纯电动工况中，增程器停止运转，噪音分贝极大降低。并且可以在增程器运转发电过程中，增程器可以维持在一个节能的运转工况中，极大地提高了能源转换效率，为果园农业机械的发展提供了一种可参考的设计方案。参考文献1田多林,宋广龙,王杰华,等.电动农业机械研究现状及发展趋势J.农业装备技术,2021,47(5):6-7.2周立为,黎世全.浅析农业机械在山地果园中的应用J.南方农机,2021,52(11):48-49.3白云生.传统汽车转混合动力基准研究J.时代汽车,2020(22):24-25.4赵静慧,徐立友,刘恩泽,等.增程式电动拖拉机驱动系统设计J.农机化研究,2018,40(11):236-240.5郭晨星.电动微耕机的分析与设计研究D.太原:太原理工大学,2018.6赵玮.玉米中耕松土装置设计与实验D.沈阳:东北农业大学,2015.7徐亚磊.纯电动汽车驱动系统选型及仿真研究D.武汉:武汉理工大学,2012.8律秀燕,秦家辉,马志伟,等.我国果园机械装备应用现状及发展对策J.农业机械,2021(12):61-63.9作者不详.主要电池种类J.环境与生活,2012(Z1):83.10杜昌盛.棚室电动微耕机设计D.武汉:湖北工业大学,2016.11Serata K,Miyamoto S,Aoyama T,et al.Studies on Preventionof Soil Adhesion to Rotary Tiller DevicesJ.Japanese Journal ofFarm Work Research,1996,31(1):1-9.12Dhruw L K,Pareek C M,Singh N.A Visual Basic Programmefor Performance Evaluation of Three-point Linkage Hitch Sys-tem of Agricultural TractorsJ.Current Journal of Applied Sci-ence and Technology,2018,28(6):1-12.13鲁鸣,沈文龙.一种采用电动推杆间接传动的三点悬挂设计J.南方农机,2018,49(19):80-82.14丁芝琴,张春学.拖拉机可调三点悬挂快速挂接器的设计J.榆林学院学报,2009,19(6):43-45.参考文献1梁植源,范健文,林贤坤,等.柑橘园施药关键技术及机械研究进展J.农业技术与装备,2021(10):48-52.2刘理民,张晓辉,石光智,等.多态自动对靶风送式喷雾试验台的设计与试验J.江苏农业科学,2019,47(13):260-263.3刘德江,龚艳,王果,等.果园航空喷雾的农药沉积分布比较J.江苏农业科学,2018,46(6):207-211.4李有法.果园喷药应注意靶标J.西北园艺(果树),2016(1):49-50.5王长新,陈善美,王富民,等.果园喷药常见问题与解决方法J.河北果树,2015(1):44-45.6陈咏梅.果园机械化喷药工效高J.果树实用技术与信息,2014(11):44.7张宝民,姬利新,贾晶霞.果园风送式喷药机国内外研究概况发展现状J.河北农机,2011(2):51-52.8宋继文.果园喷药中存在的问题及改进措施J.农业知识,2011(8):12-13.9梁占生.果园管理有技巧J.农家参谋,2010(5):16.10李吉成,果霖,马艳丽,等.联合收割机横流风机流场的数值模拟J.江苏农业科学,2015,43(9):439-441.（上接第36页）农业装备李世冲，张弛，彭立强，等：一种增程式果园管理车辆的设计与分析40