新型棉花打顶机动应力测试实验

某公司研发了一款新型棉花打顶机，并对其进行了现场测试。该型棉花打顶机结构简单，切割刀具轻松。其动力由拖拉机直接输出，由于机架较大且为半悬挂式，其受力较复杂。因此，为了解机架的应力状态，对作业中的机架和工作部件进行了动应力测试。

机架、工作部件的动应力测试

试验目的

本次试验主要为了检测打顶机机架及工作部件在各种工况下的动应力情况，为机架的改进设计提供必要依据。

试验仪器

仪器采用聚航科技生产的JHDY动态应变仪，配备相关应用软件，笔记本一台，应变花。

试验方案

在试验过程中，拖拉机以2种速度进行：快二和慢二档。

首先，对机架模型进行有限元分析计算，静力学分析可以生成零件和装配体的应力云图和位移云图，由此可找出机架上需要进行动应力测试的几个较危险部位。分析得出，上、下悬挂点附近及后梁中点受力最大，为较危险部位。

根据数值分析计算结果，选取机架上悬挂点、下悬挂点、后梁中点为测点进行测试。

应力测试结果及分析

数据整理

在对不同档位下工作的打顶机机架及工作部件上的不同测点进行应力测试，获得4组试验数据，每一组数据均有超过50000条记录。在此，仅以机组速度为快二档时上悬挂点及工作部件处的测试数据为例加以说明。

正常工作时，工作部件测点应力值在-21.6~29.8MPa之间，其平均压应力为5.66MPa，平均拉应力为3.92MPa，而上悬挂测点的应力值在-66.2~21.6MPa之间。用统计方法得出两测点应力值的分布曲线如图1、2所示。

由曲线图可看出：工作部件测点的应力曲线呈近似正态分布，95.26%的应力值集中在-16.2~11.6MPa之间，其中最高频次的应力值大约在3MPa处；上悬挂点处97.60%的应力值集中在-45.8~5.8MPa之间，其中最高频次应力值出现在大约-9.8MPa处。但是，当打顶机经过田间沟坎的时候，工作部件就像一个悬臂梁结构，其最大应力值可达73.6MPa。

测试结果分析

用相同的方法可求得下悬挂点与后梁中点两测点在工作下的应力状态。可以看出：上悬挂测点主要承受的载荷是压力，而下悬挂点和后梁中测点主要承受拉力。

工作部件的应力95.26%的值集中在-16.2~11.6MPa之间，上悬挂点处97.60%的应力值集中在-45.8~5.8MPa之间，应力绝对值较低；若材料的许用应力[σ]取为160MPa，而机架及工作部件工作中的最大应力σ_max为128MPa，小于[σ]，故系统较为安全。

疲劳寿命分析

由于主轴在工作过程中的实际受力σ_mx=13.8MPa和τ_max=9MPa都远远小于疲劳极限σ_-1=140.4MPa和τ_-1=104MPa，所以该工作部件可以承受无限多次循环而永不破坏。

结论

打顶机机架及工作部件在各种工况下的动应力测试结果表明系统安全，而疲劳校核的结果为疲劳安全系数等于5，已经有足够的强度完成无限多次的使用。综上所述，为了节约材料，使得打顶机轻巧，可以进一步对车架及主轴进行改进设计。