除草机的设计与有限元分析

姚鹏华，刘朋，姚智华

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳，441053；2.纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室，湖北襄阳，441053；3.安徽省安徽科技学院机械工程学院，安徽滁州233100）

除草机的设计与有限元分析

姚鹏华1，2，刘朋1，2，姚智华3

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳，441053；2.纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室，湖北襄阳，441053；3.安徽省安徽科技学院机械工程学院，安徽滁州233100）

设计了一种农田中耕去除杂草的轮式除草机，利用SolidWorks软件对除草机进行三维建模。为了分析机架的振动特性，将机架模型导入到ANSYS软件中进行模态分析分析，得到了除草机机架的各阶振型。研究结果为进一步优化结构提供了理论参考。

除草机；三维建模；机架；模态分析

除草作业是农作物中耕的一个重要环节[1]。机械除草具有无污染和环境友好型的特点，能够实现保护性耕作，有利于保证农业可持续发展[2-4]。目前三维数字化设计方法在农业机械设计中得到了广泛应用[5]。本文采用SolidWorks软件，对轮式除草机进行了三维设计，并对机架的振动特性进行了模态分析，以避免除草机作业时，发生共振而导致零件破坏。

1 除草机的总体结构

本文设计的除草机总体结构如图1所示，它主要由机架、轴、除草轮和三点悬挂机构组成。拖拉机通过悬挂机构，牵引除草机前行。除草轮共有前后两排，除草轮上的轮刀用于去除田间杂草。为了适应地面的不平度，还配备有地面仿形机构。

图1 除草机的总体结构

2 除草机的三维建模

利用SolidWorks软件对除草机进行三维建模。首先创建除草机的各个零件，之后对建模零件进行装配。先创建装配体，再插入各个零部件，利用配合命令，定义约束，最终完成了除草机的三维建模，并生成爆炸图，如图2所示。

图2 除草机的三维模型与爆炸图

3 除草机机架的模态分析

模态分析属于有限元分析，它用于确定设计结构或部件的振动特性，通过模态分析方可以分析机械结构的各阶主要模态的特性，从而有效地避免振动，同时可以为优化设计提供参考。本文通过BLOCK LANCZOS求解出除草机机架的前5阶模态。

在模态分析时，首先把除草机的机架三维模型转化成IGES格式，然后导入到ANSYS软件中进行模型检查和网格划分[5]，如图3所示。

图3 机架的网格划分

在机架与支撑板焊接的面施加零位移约束，求解出前五阶振型，其各阶频率如表1所示，各振型如图4所示。

表1 除草机机架前5阶振型

图4 除草机机架前五阶振型图

4 结束语

本文在对除草机进行总体结构设计的基础上，利用SolidWorks软件进行三维结构设计，导入到ANSYS软件对除草机机架进行了模态分析和振动特性分析，从而为优化除草机结构提供了理论依据。

[1]耿端阳.新编农业机械学[M].北京：国防工业出版社，2011.

[2]张小丽，柴民杰，韩伟，等.轮式除草机的设计与实验[J].江苏农业科学，2013，41（3）：393-394.

[3]韩豹，申建英，李悦梅.3ZCF-7700型多功能中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报，2011，27（1）：124-129.

[4]王金武，赵佳乐，王金峰，等.有机水稻中耕除草机设计[J].东北农业大学学报，2013，44（11）：138-139.

[5]赖晓，秦志文，张彪.基于ADAMS的甘蔗收割机分动箱故障仿真分析[J].装备制造技术，2016，27（2）：56-59.

[6]刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M].北京：科学出版社，2006.

Three Dimensional Design of Weeder and Finite Element Analysis

YAO Peng－hua1，2，LIU Peng1，2，YAO Zhi－hua3
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei 441053，China；2.Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle，Xiangyang Hubei 441053，China；3.School of Mechanical Engineering，Anhui Science and Technology University，Anhui Chuzhou 233100，China）

In this paper，a new kind of weeder was designed and its three dimensional model was established by Solidworks software.In order to analyze the vibrating properties，the frame model was transmitted into ANSYS software and the nodal analysis was carried out and the vibrating frequency were obtained.The result laid a foundation for further optimize of the structure.

weeder；three dimensional model；frame；nodal analysis

S224

A

1672-545X（2017）03-0027-02

2016-12-04

姚鹏华（1989－），男，山西忻州人，硕士，助教，研究方向：车辆动力学与机械CAD；刘朋（1987-），男，安徽临泉人，助教，硕士，研究方向：机械与车辆工程；姚智华（1989－），男，山西忻州人，硕士，副教授，研究方向：机械设计。