对甘蔗叶粉碎机机架的模态属性研究
对甘蔗叶粉碎机机架的模态属性研究
0 、 引言
在当今世界诸多新能源中，生物质能源是最安全、最稳定的能源，也是国家重点鼓励和发展的
新能源之一。我国热带地区具备了丰富的农业生物质资源，其中最主要的有甘蔗叶。据统计，
每年甘蔗叶总量为 2 700 万t 。甘蔗叶属纤维素原料，其纤维素含量为 52 ．30 % ; 与玉米秸秆
相比，其碳含量高出 10 个百分点，氮含量相当，实为生产沼气的优良原料。
甘蔗叶不仅能转化成清洁能源、保护环境，而且其沼渣还是优良的有机肥，具有极好的应用前
景。为了使甘蔗叶的沼气转化达到最佳效果，在发酵前需要做粉碎预处理。设计粉碎机需要考
虑粉碎程度、粉碎能耗以及沼气发酵生产成本等因素。特别是粉碎效果对甘蔗叶沼气发酵时所
产甲烷含量、气体产量以及甘蔗叶中纤维素的分解率等都有较大影响，所以粉碎机性能的好坏
显得至关重要。为此，中国热带农业科学院农业机械研究所研制了针对甘蔗叶的粉碎机，其具
有粉碎效率高、能耗低等优点，但也存在机架刚度不足等缺点。
机架是整个机械的支撑，粉碎机在工作过程中受到不同的外界激励，而且响应各不相同，所以
可使用模态分析来优化其结构设计。模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性
包括固有频率和振型。模态分析时最基本的动力学分析也是其他动力学分析的基础。模态分析
可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，对指导工程设计有广泛的使用价值。近年来，
该技术广泛用于农业机械的设计与优化: 2011 年，权龙哲等针对玉米根茬收获系统，研究了其
固有频率和振型，并用模态试验进行了验证; 2013 年，孙康等对刮板式花生脱壳机的机架进行
了模态分析，为其后续的谐响应分析瞬态分析等奠定了基础： 2011 年，胡彦超等对三相同步
电机定子端部绕组线圈进行了模态分析; 2012 年，徐良等为解决玉米播种机机架在播种过程中
产生的复杂振动变形对播种株距均匀性的影响，对其进行了模态分析。为了进一步提高甘蔗叶
粉碎机的工作性能，本文采用模态实验的方法，对粉碎机机架的模态属性进行研究，为其改进
提供理论依据。
1 、建立机架有限元模型
在SolidWorks 中建立机架的三维模型，如图 1所示。
在建立有限元模型时，综合分析机架的结构、加工工艺以及有限元求解的要求等各种因素，在
采用SolidWorks 建立三维实体模型后，通过与 ANSYSWorkbench 无缝连接将其导入其中。网
格划分采用扫掠(Sweep) 和自动网格划分(Automatic) 两种方法。其中，零件材质为 Q235。网格
划分统计结果为节点数 35 180 ，单元数7 780 。再根据机架与其他零件的装配和工作状况，对
机架约束及载荷添加如下: 机架立柱底端添加固定端约束(Fix Support) ，对机架上部螺栓孔中心
添加滚筒的压力(Force) 280N ，对机架上部螺栓孔添加 1 500N 的螺栓预紧力(Bolt Pretension) 。
最后，得到机架的有限元图形如图 2 所示。
2 、 有限元模态分析理论
有限元模态分析就是将一个弹性连续体的振动问题离散为一个以有限个节点位移为广义坐标的
多自由度系统振动的问题。对于一个 N 自由度的系统，其动力学问题遵循的平衡方程为
进行模态分析时，假定无阻尼的自由振动时，方程变为
机构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数，则有
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对甘蔗叶粉碎机机架的模态属性研究0、引言在当今世界诸多新能源中，生物质能源是最安全、最稳定的能源，也是国家重点鼓励和发展的新能源之一。我国热带地区具备了丰富的农业生物质资源，其中最主要的有甘蔗叶。据统计，每年甘蔗叶总量为2700万t。甘蔗叶属纤维素原料，其纤维素含量为52．30%;与玉米秸秆相比，其碳含量高出10个百分点，氮含量相当，实为生产沼气的优良原料。甘蔗叶不仅能转化成清洁能源、保护环境，而且其沼渣还是优良的有机肥，具有极好的应用前景。为了使甘蔗叶的沼气转化达到最佳效果，在发酵前需要做粉碎预处理。设计粉碎机需要考虑粉碎程度、粉碎能耗以及沼气发酵生产成本等因素。特别是粉碎效果对甘蔗叶沼气发...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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