煙葉分揀裝置機(jī)架振動(dòng)特性分析及優(yōu)化

吳雪梅，潘東彪，李　緒，張富貴，何厚龍

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州省煙草公司黔西南州公司，貴州 黔西南 562400)

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煙葉分揀裝置機(jī)架振動(dòng)特性分析及優(yōu)化

吳雪梅1*，潘東彪1，李緒1，張富貴1，何厚龍2

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州省煙草公司黔西南州公司，貴州 黔西南 562400)

為分析煙葉分揀裝置中機(jī)架的振動(dòng)特性，利用Workbench軟件對機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，提取了1～4階機(jī)架固有頻率和振型，以提高低階固有頻率和降低低階振型模態(tài)位移為目標(biāo)，優(yōu)化了機(jī)架結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明：支架梁的壁厚由3 mm增至5 mm，分揀裝置的1階模態(tài)固有頻率由55.179Hz提高到66.641Hz，機(jī)架1階振型位移由155.95 mm下降至109.1 mm，2階橫振型位移由176.53 mm下降至146.73 mm，提高了機(jī)架低階固有頻率，降低了低階振型位移。該研究為煙葉分揀裝置的減振設(shè)計(jì)提供了參考。

煙葉分揀裝置；機(jī)架；模態(tài)分析；振動(dòng)；優(yōu)化；固有頻率；振型位移

對烤煙煙葉實(shí)行機(jī)器自動(dòng)分級，是煙葉生產(chǎn)機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)，也是目前的煙葉分級相關(guān)領(lǐng)域研究的空白點(diǎn)[1]。目前對烤煙煙葉的分級主要是人工分級。分級工眼看，鼻聞，手摸等分級方式經(jīng)常出現(xiàn)混色、雜色等現(xiàn)象，為后續(xù)煙站收購煙廠帶來許多壓力[2-5]。所以亟需依靠計(jì)算機(jī)視覺自動(dòng)分級系統(tǒng)代替當(dāng)前煙葉的人工分級以實(shí)現(xiàn)對煙葉的自動(dòng)分級[6-11]。目前基于圖像處理的煙葉自動(dòng)分級研究主要集中在軟件方面，煙葉自動(dòng)分級的硬件部分研究較少。煙葉等級確定后需要人工將煙葉放入指定的煙葉收集箱內(nèi)，需耗費(fèi)一定的人力?；诖吮菊n題組設(shè)計(jì)了一套煙葉分揀裝置[12]，以期實(shí)現(xiàn)煙葉等級確定后的自動(dòng)分揀。

機(jī)架作為煙葉分揀機(jī)構(gòu)的主要支撐部件，主要承受電機(jī)引起的振動(dòng)沖擊，當(dāng)電機(jī)振動(dòng)頻率接近機(jī)架固有頻率時(shí)，將引起共振加速機(jī)架失效，影響機(jī)架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性與可靠性[13]。本文針對煙葉分揀裝置由振動(dòng)引起機(jī)架晃動(dòng)、開裂等由共振引起的問題，分析研究機(jī)架模態(tài)振動(dòng)特性，通過參數(shù)優(yōu)化，使機(jī)架設(shè)計(jì)更為合理，避免與電機(jī)的固有頻率重合。

1　煙葉分揀裝置介紹

煙葉分揀裝置主要由傳送帶、電機(jī)、機(jī)架、毛刷滾筒、毛刷軸、煙葉收集箱等部件組成，裝置的三維模型如圖1所示。

1.傳送帶 2.電機(jī) 3.毛刷滾筒 4.毛刷軸 5.機(jī)架 6.煙葉收集箱 7.煙葉圖1　煙葉分揀裝置示意圖

如圖1中所示傳送帶上的煙葉經(jīng)過煙葉圖像采集工序確定煙葉的等級后，由傳送帶運(yùn)送至煙葉分揀工位，相應(yīng)煙葉分揀機(jī)架上的電機(jī)通過鏈條帶動(dòng)毛刷軸和毛刷滾筒正反轉(zhuǎn)將煙葉刷到指定的煙葉收集箱內(nèi)。

2　有限元建模與分析

國家煙葉分級標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定煙葉分為上、中、下三個(gè)部位，其中中部和下部煙分為8個(gè)等級。上部煙為11個(gè)等級。所以整套煙分揀裝置由6套獨(dú)立的煙葉分揀機(jī)架構(gòu)成?？紤]到實(shí)際煙葉分級中，有些質(zhì)量較好，等級較高的煙葉數(shù)量一般較少或者沒有，所以為了適應(yīng)煙站實(shí)際的分級需求，每套機(jī)架均獨(dú)立固定地面，方便煙站可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧v年烤煙煙葉的統(tǒng)計(jì)情況，增加或者減少機(jī)架的數(shù)量。

2.1機(jī)架模型

煙葉分揀裝置機(jī)架主要由縱梁、橫梁、毛刷軸支撐板等組成，其中橫梁2和橫梁3與縱梁通過焊接固定，橫梁1與縱梁通過螺栓連接。毛刷軸支撐板與橫梁1通過螺栓連接。橫梁1截面尺寸如圖2(b)所示，縱梁、橫梁2和橫梁3截面尺寸如圖2(c)所示。

1.軸支撐板2.橫梁1 3.縱梁 4.橫梁2 5.橫梁3圖2　機(jī)架的三維幾何模型及橫、縱梁截面尺寸

2.2機(jī)架有限元模型

機(jī)架材料選為Q235，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1　機(jī)架材料特性參數(shù)

有限元模型的復(fù)雜程度、網(wǎng)格數(shù)目、單元類型、網(wǎng)格質(zhì)量等因素直接影響模型的計(jì)算速度、計(jì)算結(jié)果，所以考慮影響模型精度的關(guān)鍵因素進(jìn)行幾何清理，機(jī)架有限元建模假設(shè)為：1)忽略機(jī)架結(jié)構(gòu)中直徑較小的工藝孔，將過渡圓角和倒圓角等效為直角；2)將模型中非重點(diǎn)部位的螺栓孔忽略。建立機(jī)架有限元模型如圖3所示。

圖3　機(jī)架的有限元幾何模型

3　模態(tài)分析

3.1模態(tài)理論分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，結(jié)構(gòu)的每一階段的模態(tài)都具有各自唯一的固有頻率、阻尼比以及相應(yīng)的模態(tài)振形，結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)是由其本身的固有特性和材料的固有特性所決定[14]。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一般微分方程可描述為：

(1)

式(1)中：M為振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為系統(tǒng)所受的外界激勵(lì)；x為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的位移向量。

煙葉分級機(jī)架的固有頻率可通過分析結(jié)構(gòu)在無載荷的情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)獲得，即外界激勵(lì)F=0，對于煙葉分揀裝置的機(jī)架而言，整個(gè)系統(tǒng)為欠阻尼，即C=0，此時(shí)式(1)可簡化為：

(2)

方程解的一般形式為：

x=ψejwt

(3)

將式(3)代入式(2)得到：

Kψ=λMψ

(4)

式(4)中：λ為系統(tǒng)的特征值；ψ為特征值對應(yīng)的特征向量；j為虛數(shù)單位；ω為系統(tǒng)固有頻率，Hz;t為時(shí)間，s；且滿足λ=ω2即可獲得模態(tài)分析中的特征值；K為整體剛度矩陣；M為整體質(zhì)量矩陣。

3.2機(jī)架模態(tài)結(jié)果分析

圖4　機(jī)架1-4階振形圖

由圖4可知，機(jī)架前4階模態(tài)固有頻率集中在55～161 Hz之間。其中機(jī)架1階模態(tài)振形主要以機(jī)架上部沿x軸水平橫擺；機(jī)架2階模態(tài)振形主要以機(jī)架上部沿y軸水平橫擺；機(jī)架3階模態(tài)振形主要以機(jī)架上部沿z軸水平橫擺和毛刷軸支撐板的扭曲變形；機(jī)架4階模態(tài)振形主要是毛刷軸支撐板的扭曲變形。

4　機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

4.1機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

依據(jù)煙葉分揀裝置的工作需求，選取55SL006型伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)的頻率為50 Hz[15]。機(jī)架的1階模態(tài)的固有頻率與之接近，需要對機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使機(jī)架的固有頻率與電機(jī)的固有頻率差值較大，盡量降低由共振引起的振動(dòng)。

由圖4得知，機(jī)架的主要振形為扭轉(zhuǎn)和毛刷軸支撐板的扭曲，而板強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)的固有頻率為[16]：

(5)

式中：k為剛度系數(shù)，N/m；m為質(zhì)量，kg；a、b為矩形邊長，mm；h為厚度，mm；ρ為密度，Kg/m3；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比。

由式(5)可知，改變機(jī)架支撐部件的厚度可改變機(jī)架固有頻率(具體改變見表2)?？紤]到機(jī)架1階固有頻率與伺服電機(jī)頻率向接近，所以機(jī)架優(yōu)

化目標(biāo)函數(shù)主要是提高機(jī)架1階固有頻率。

表2　煙葉分揀裝置機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.2優(yōu)化后機(jī)架動(dòng)態(tài)特性分析

圖5　優(yōu)化前后結(jié)果比較

由圖5(a)可知，機(jī)架壁厚為5 mm時(shí)，機(jī)架頻率集中在66～114 Hz,其中機(jī)架的1階固有頻率為66.334 Hz，較機(jī)架壁厚為3 mm時(shí)的1階固有頻率已提高，同時(shí)遠(yuǎn)離了由電機(jī)引起的激勵(lì)，由圖5(b)可知，隨著壁厚的增加，模態(tài)振型位移幅值降低。符合式(5)中固有頻率與機(jī)架厚度的關(guān)系，即隨著機(jī)架厚度增加，機(jī)架固有頻率提高。

5　結(jié)論

基于模態(tài)分析的方法，對煙葉分揀裝置機(jī)架的振動(dòng)特性做了研究，通過模態(tài)分析軟件優(yōu)化了煙葉分揀裝置的機(jī)架。本文研究結(jié)論如下：

(1)低階的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)是機(jī)架產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，是引起機(jī)架開裂的主要因素。其中1階固有頻率與電機(jī)激勵(lì)頻率接近，容易引起共振。

(2)隨著機(jī)架壁厚增加，機(jī)架模態(tài)固有頻率相應(yīng)增加，低階頻率變化較為明顯。

(3)以提高低階固有頻率為目標(biāo)，優(yōu)化機(jī)架厚度后，其1階固有頻率從55.179 Hz提高到66.641 Hz，遠(yuǎn)離電機(jī)的激勵(lì)頻率。優(yōu)化后的機(jī)架1階橫擺位移由155.95 mm下降至109.1 mm，2階橫擺位移由176.53 mm下降至146.73 mm,降低了機(jī)架的振動(dòng)幅值。

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(責(zé)任編輯：曾晶)

Analysis and Optimization of the Frame Vibration Characteristics of the Tobacco Sorting Device

WU Xuemei1*,PAN Dongbiao1, LI Xu1, ZHANG Fugui1, HE Houlong2

(1. College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China ;2. Qianxinan Branch of Guizhou Provincial Tobacco Corporation, Xingyi 562400, China)

In order to get the vibration characteristics of tobacco sorting device frame, the model state of the device was analyzed by using the Workbench software. The inherent frequency and vibration model of the frame was extracted for improving its construction based on the aim of increasing the low-order natural frequency and reducing the low-order modal displacement. Simulation results indicated that if the thickness of the frame was added up from 3mm to 5mm, the first-order modal natural frequencies of the device increased from 55.179 Hz to 66.641 Hz, the first-order modal displacement of the frame dropped from 155.95mm to 109.1mm, and the second order transverse modes displacement dropped to 146.73mm from 176.53mm.The natural frequency of the frame was increased and the vibration amplitude was reduced. The study provides a reference to vibration reduction design of tobacco sorting device.

tobacco sorting device; frame; modal analysis; vibration; optimize; natural frequency; mode displacement

A

1000-5269(2016)03-0027-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.08

2016-01-29

貴州省科技重大專項(xiàng)課題(黔科合重大專項(xiàng)字[2014]6015-6號)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目(貴大人基合字(2013)38號)；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(研理工2015024)聯(lián)合資助

吳雪梅(1975-)，女，副教授，博士，研究方向：機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用，Email:xm_wu@163.com。

吳雪梅，Email：xm_wu@163.com.

S226.9