4HCDS-100型花生收獲機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析與振動(dòng)測試

張亞萍， 胡志超， 游兆延， 顧峰瑋， 吳 峰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

花生是重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、營養(yǎng)價(jià)值與藥用價(jià)值[1-3]。我國是花生種植大國，2015年我國花生種植面積461.57萬hm2，位于世界第2位，花生總產(chǎn)量1 643.97萬t，居世界首位。

花生機(jī)械化收獲是推進(jìn)花生產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，因此，國內(nèi)多家單位相繼研制了多種花生收獲機(jī)。鏟篩組合式花生收獲機(jī)機(jī)構(gòu)簡單、操作方便、成本低，多用來完成花生分段收獲的前期作業(yè)，或者用作花生復(fù)收機(jī)。由于花生收獲機(jī)振動(dòng)篩的往復(fù)振動(dòng)，導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)較大，作業(yè)穩(wěn)定性較差。

4HCDS-100型雙篩體花生收獲機(jī)是典型的鏟篩組合式花生收獲機(jī)，可以一次性完成花生的挖掘、清土和田間鋪曬等工序。雙篩體花生收獲機(jī)的機(jī)架雖然結(jié)構(gòu)簡單，但起到聯(lián)接與支撐其他零部件的作用，直接影響整機(jī)的作業(yè)性能。因此，有必要對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析與試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性，探明其結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，為鏟篩式花生收獲機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

本研究利用Inventor軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模，利用Ansys軟件計(jì)算出機(jī)架的前6階固有頻率和模態(tài)振型，通過模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最后，通過田間試驗(yàn)對(duì)機(jī)架進(jìn)行了振動(dòng)測試，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。

1 整機(jī)介紹

4HCDS-100型花生收獲機(jī)為鏟篩式挖掘收獲機(jī)，機(jī)具自身不配備動(dòng)力源，作業(yè)時(shí)需由拖拉機(jī)提供行走和作業(yè)動(dòng)力。整機(jī)尺寸規(guī)格長×寬×高為2 360 mm×1 420 mm×900 mm，結(jié)構(gòu)示意見圖1，主要結(jié)構(gòu)包括挖掘鏟、牽引架、變速器、機(jī)架、傳動(dòng)裝置、驅(qū)振裝置、振動(dòng)篩、限深輪。其中，振動(dòng)篩由前篩和后篩2個(gè)部分組成，前、后篩均由主篩、副篩、篩框和側(cè)板構(gòu)成。前篩和后篩在反平行四邊形機(jī)構(gòu)的作用下做同頻等幅反向運(yùn)動(dòng)，慣性力相互抵消，起到振動(dòng)平衡的作用。

田間作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下前行，挖掘鏟進(jìn)入土層挖掘花生，挖起的花生(含秧蔓)、土壤混合物向后運(yùn)動(dòng)至前篩，進(jìn)行清土并繼續(xù)向后篩輸送，混合物通過后篩進(jìn)一步清土，最后花生(含秧蔓)由后篩副篩向右側(cè)排出并鋪放在田間。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)計(jì)算

2.1.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)模型的建立 利用Inventor軟件對(duì)4HCDS-100型花生收獲機(jī)的機(jī)架進(jìn)行三維建模，機(jī)架的結(jié)構(gòu)模型見圖2。模型的建立是進(jìn)行有模態(tài)分析的基礎(chǔ)，其形式直接影響計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。為了簡化模態(tài)分析的求解過程，忽略了一些不重要的特征對(duì)整體機(jī)構(gòu)的影響，如小圓孔、倒圓角等[4]。

2.1.2 機(jī)架有限元模型的建立 將模型以xt格式導(dǎo)入Ansys Workbench，以減小模型的失真。材料類型選擇結(jié)構(gòu)鋼(Q235)，彈性模量210 GPa，密度為7 850 kg/m2，泊松比0.3。模態(tài)分析前首先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)闄C(jī)架精度要求不高，所以將關(guān)聯(lián)中心、平滑度、跨度角中心均設(shè)置為中等，其他參數(shù)取默認(rèn)值[5]，網(wǎng)格劃分后得到如圖3所示的有限元模型，該模型包含126 822個(gè)節(jié)點(diǎn)，66 495個(gè)單元。

2.1.3 約束條件的施加 為了更真實(shí)地對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行模擬，通常須要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)有限元模型施加約束。雙篩體花生收獲機(jī)作業(yè)時(shí)與拖拉機(jī)通過3點(diǎn)懸掛的方式聯(lián)接，考慮實(shí)際作業(yè)狀況，對(duì)上懸掛內(nèi)表面和下懸掛外表面施加固定約束[6]。由于機(jī)架各零部件相對(duì)固定，零部件之間的接觸默認(rèn)設(shè)置為bonded(綁定)。本研究進(jìn)行的是靜力學(xué)模態(tài)分析，預(yù)應(yīng)力為0[7]。

2.1.4 結(jié)果分析 根據(jù)雙篩體花生收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)情況可知，低階模態(tài)對(duì)機(jī)架動(dòng)態(tài)特性影響較大[8]，因此對(duì)機(jī)架的前6階模態(tài)進(jìn)行求解計(jì)算，得到機(jī)架前6階固有頻率和對(duì)應(yīng)振型圖。由圖4可以看出，機(jī)架前6階固有頻率依次為 30.11、33.929、40.118、108.99、113.14、116.82 Hz。當(dāng)激勵(lì)頻率和固有頻率滿足式(1)時(shí)，機(jī)架會(huì)產(chǎn)生共振[9]。

0.75ωi<ωj<1.3ωi。

(1)

式中：ωi為固有頻率，Hz；ωj為激勵(lì)頻率，Hz。

將機(jī)架前6階固有頻率按式(1)關(guān)系代入，得到引起機(jī)架共振的激勵(lì)頻率范圍為22.58～151.87 Hz。機(jī)架振動(dòng)的激勵(lì)源主要為振動(dòng)篩的振動(dòng)和田間路面的凹凸不平，振動(dòng)篩的激勵(lì)頻率為4 Hz，田間路面的激勵(lì)頻率一般不超過10 Hz，兩者均小于22.58 Hz，故機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，不會(huì)引起共振。由圖5-a至5-f可以看出，機(jī)架兩側(cè)方管尾部和機(jī)架中間支撐桿振動(dòng)變形較為明顯，說明這些部位是薄弱環(huán)節(jié)。由6個(gè)振型圖分析可知，整體上，機(jī)架越靠近尾部振動(dòng)越劇烈，變形越大。在1階固有頻率下，機(jī)架兩側(cè)方管左右同向彎曲振動(dòng)，最大變形10.193 mm；在2階固有頻率下，機(jī)架兩側(cè)方管扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大變形11.549 mm；在3階固有頻率下，機(jī)架兩側(cè)方管上下同向彎曲振動(dòng)，最大變形12.31 mm；在4階固有頻率下，機(jī)架兩側(cè)方管左右反向彎曲振動(dòng)，最大變形 19.126 mm；在5階固有頻率下，機(jī)架兩側(cè)方管和中間支撐桿上下同向彎曲振動(dòng)，兩側(cè)方管振動(dòng)輕微，支撐桿振動(dòng)較劇烈，最大變形 29.799 mm；在6階固有頻率下，機(jī)架兩側(cè)方管上下反向彎曲振動(dòng)，機(jī)架中間支撐桿上下彎曲振動(dòng)，最大變形 14.283 mm。

2.2 模態(tài)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法 試驗(yàn)設(shè)備主要包括YTRAN激振力錘、B&K4321三軸向加速度計(jì)、B&K4384加速度計(jì)、B&K2635電荷放大器、XR-20C TEAC磁帶記錄儀、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析儀HP5423A等。

試驗(yàn)時(shí)將雙篩體花生收獲機(jī)機(jī)架支撐于試驗(yàn)臺(tái)上，為保證模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)分析具有相同的自由邊界條件，將機(jī)架懸掛裝置固定，其余邊界條件為彈性支撐。遵循“剛度大、避開節(jié)點(diǎn)、接近幾何中心”的原則[10-11]，在機(jī)架上選取5個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，分別為機(jī)架兩側(cè)方管中部各1個(gè)、機(jī)架前后橫梁中部各1個(gè)和支撐桿中部1個(gè)。試驗(yàn)采取單點(diǎn)激振，逐點(diǎn)拾振的方式，用力錘分別錘擊5個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，用加速度計(jì)測量加速度響應(yīng)，響應(yīng)和激勵(lì)信號(hào)經(jīng)B&K2635電荷放大器送至XR-20C TEAC磁帶記錄儀。

2.2.2 結(jié)果分析 用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析儀HP5423A對(duì)試驗(yàn)收集的動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析處理，得出機(jī)架的前6階固有頻率依次為28.67、35.26、38.78、112.21、110.25、114.45 Hz。圖6為模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)分析所得機(jī)架前6階固有頻率的對(duì)比，可知機(jī)架固有頻率的計(jì)算值和試驗(yàn)值誤差較小，計(jì)算得出誤差值均小于5%，說明模態(tài)分析所得結(jié)果真實(shí)可靠，可作為機(jī)架的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考。

3 機(jī)架振動(dòng)測試

為了考察4HCDS-100型花生收獲機(jī)在田間作業(yè)時(shí)機(jī)架的實(shí)際振動(dòng)情況，需要在花生收獲的實(shí)際作業(yè)條件下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測試，根據(jù)測試結(jié)果對(duì)其振動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估。

3.1 測試系統(tǒng)組成

如圖7所示，測試系統(tǒng)由測試對(duì)象、加速度傳感器、信號(hào)采集與控制系統(tǒng)、信號(hào)分析處理系統(tǒng)4個(gè)部分組成[12]。測試對(duì)象為4HCDS-100型花生收獲機(jī)田間作業(yè)工況下的機(jī)架；傳感器選用靈敏度為1 mV/(m·s2)的DH131E型加速度傳感器，頻率測量范圍為1～10 kHz；信號(hào)采集與控制系統(tǒng)選用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH5902動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀，該儀器具有32個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，每通道具有獨(dú)立的16位A/D，獨(dú)立的DSP，連續(xù)并行同步采樣，可通過無線WIFI與筆記本電腦連接通訊；配套分析軟件為江蘇東華測試公司開發(fā)的DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)V6.9.16，以聯(lián)想筆記本電腦為載體對(duì)測試中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3.2 測試條件及測點(diǎn)分布

測試地點(diǎn)為山東省青島市膠州膠萊鎮(zhèn)，所選試驗(yàn)地較為平坦，土壤類型為沙壤土，土壤含水率12.5%，土壤硬度 107 kPa。花生品種為魯花11號(hào)，種植模式一壟雙行，壟距 80 cm，壟寬60 cm，壟高15 cm，溝寬20 cm，窄行距30 cm。動(dòng)力源為黃海金馬304A拖拉機(jī)，作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度約為 1.0 m/s，振動(dòng)篩為間距為12 mm的桿條篩，振幅為48 mm，振頻為4 Hz。

以機(jī)具前后方向?yàn)閤軸，左右方向?yàn)閥軸，垂直方向?yàn)閦軸，沿3個(gè)方向在機(jī)架上布置傳感器，機(jī)架測試方位坐標(biāo)示意見圖8。測試完成后，通過筆記本電腦上的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，并按照公式(2)對(duì)測點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)加速度求均方根，得到均方根加速度值，以此評(píng)價(jià)機(jī)具振動(dòng)大小[13]。為了減小試驗(yàn)誤差對(duì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)重復(fù)3次，最后取平均值。

(2)

式中：a為測點(diǎn)3個(gè)方向振動(dòng)加速度均方根值，m/s2；ax為測點(diǎn)在x方向上的振動(dòng)加速度，m/s2；ay為測點(diǎn)y方向振動(dòng)加速度，m/s2；az為測點(diǎn)z方向振動(dòng)加速度，m/s2。

3.3 結(jié)果分析

由表1可知，機(jī)架沿x、y、z3個(gè)方向振動(dòng)加速度的平均值依次為4.25、3.50、1.51 m/s2，大小關(guān)系表現(xiàn)為ax>ay>az。因?yàn)樵囼?yàn)田地勢(shì)較平坦，機(jī)具作業(yè)過程中上下起伏較小，故機(jī)架沿z方向振動(dòng)最小。由于振動(dòng)篩沿x方向前后抖動(dòng)以完成花生的分離輸送，故機(jī)架沿x方向振動(dòng)加速度最大。3次測試測點(diǎn)的均方根加速度平均值為3.31 m/s2，整機(jī)振動(dòng)性能表現(xiàn)良好，機(jī)手操作時(shí)無明顯不適，可見機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，田間作業(yè)過程中無共振產(chǎn)生。

表1 機(jī)架振動(dòng)測試結(jié)果

4 結(jié)論

本研究建立了雙篩體花生收獲機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)模型和有限元模型，并用Ansys軟件進(jìn)行了模態(tài)分析，通過模態(tài)分析求解得到了雙篩體花生收獲機(jī)機(jī)架的前6階模態(tài)參數(shù)，揭示了機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)，并通過模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了模態(tài)分析的可靠性。通過田間試驗(yàn)對(duì)機(jī)架進(jìn)行振動(dòng)測試，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，研究結(jié)果可以為雙篩體花生收獲機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。