甘蔗收獲機(jī)刀架結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

邱 辰，李尚平，莫瀚寧，楊代云

(1.梧州學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，廣西 梧州 543000；2. 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；3.廣西民族大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，南寧 530006)

0 引言

我國(guó)甘蔗機(jī)械化收割作業(yè)中切割質(zhì)量差的甘蔗宿根斷面處存在較多的臺(tái)階、裂紋，容易造成宿根破頭，從而影響翌年宿根出芽率，降低甘蔗產(chǎn)量[1]。

甘蔗收獲機(jī)工作時(shí)，刀盤高速旋轉(zhuǎn)，單根甘蔗往往不能被刀片一次性砍斷，而是要經(jīng)過(guò)刀片的多次砍削。刀片砍蔗機(jī)理類似于金屬銑削機(jī)理[2-3]：隨著收獲機(jī)不斷前進(jìn)，逐步增大刀片對(duì)甘蔗的砍入量，最終砍斷甘蔗。刀片第1次砍蔗后，蔗徑上會(huì)留下裂口；第2次砍蔗時(shí)，由于刀架的振動(dòng)，刀片與蔗徑的接觸位置較第1次會(huì)發(fā)生變化，兩個(gè)切口間存在位置差，差值大小會(huì)受到刀架振動(dòng)劇烈程度的影響，工作環(huán)境較惡劣時(shí)，刀架振動(dòng)較大，位置差值增大，切口處的裂紋條數(shù)、裂紋長(zhǎng)度、裂紋厚度及砍肩高度都將會(huì)變多變厚，甘蔗切口質(zhì)量下降。同理，第3、4次砍蔗后的蔗徑切口質(zhì)量也會(huì)受到刀架振動(dòng)的影響。其次，在砍蔗過(guò)程中，由于刀架存在上下跳動(dòng)，刀片對(duì)甘蔗的切削力方向也會(huì)改變，使得甘蔗切口不平整，出現(xiàn)臺(tái)階，甚至?xí)?dǎo)致蔗徑破裂。圖1為利用高速攝像儀對(duì)砍蔗過(guò)程拍攝的圖片。

由圖1可知：刀架在豎直方向的振動(dòng)情況將會(huì)直接影響到甘蔗宿根的切割質(zhì)量。

圖1 高速攝影Fig.1 High-speed photography

1 路面振動(dòng)激勵(lì)源分析

1.1 路面激勵(lì)

人為設(shè)定路面基準(zhǔn)高度，路面相對(duì)于該基準(zhǔn)的高度q，沿著道路走向的長(zhǎng)度L的變化q(L)量稱為路面不平度，如圖2所示。路面不平度具有影響車輛行駛性能、行駛質(zhì)量及行駛時(shí)的動(dòng)力載荷的作用。

甘蔗收獲機(jī)在田間工作時(shí)，通過(guò)各種復(fù)雜的路況，將會(huì)受到來(lái)自蔗地的各種復(fù)雜激勵(lì)的作用，整機(jī)將會(huì)發(fā)生各種振動(dòng)。收獲機(jī)長(zhǎng)期受到路面激勵(lì)作用時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到收獲機(jī)上零部件的工作性能，使得一些主要部件過(guò)早地出現(xiàn)疲勞破壞，大大縮短甘蔗收獲機(jī)田間工作的效率及使用壽命。同時(shí)，凹凸不平的路面也會(huì)使得收獲機(jī)輪胎與地面的附著力降低，不利于機(jī)手操作，收獲機(jī)容易發(fā)生側(cè)翻。其次，課題組前期研究發(fā)現(xiàn)：收獲機(jī)刀盤的剛性與甘蔗宿根切割質(zhì)量成正相關(guān)，即刀盤振動(dòng)越大，宿根切割質(zhì)量越差，過(guò)大的振動(dòng)將嚴(yán)重影響到甘蔗來(lái)年的生長(zhǎng)；收獲機(jī)砍蔗過(guò)程并不是單刀切斷甘蔗，每根甘蔗經(jīng)過(guò)3～4次刀盤的砍削以后，才會(huì)折斷?？痴徇^(guò)程中刀盤如果存在振動(dòng)，刀片每次與甘蔗的接觸位置不同，會(huì)導(dǎo)致切口出現(xiàn)裂口，降低砍蔗質(zhì)量。因此，研究蔗地路譜對(duì)進(jìn)一步提高甘蔗收獲機(jī)砍蔗性能具有重要的意義[4-6]。

圖2 路面不平度Fig.2 Road surface roughness

在甘蔗收獲機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)階段，利用傳感器測(cè)量得到的蔗地路面不平度信號(hào)，直接導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)軟件中(ADAMS)，作為虛擬樣機(jī)路面激勵(lì)信號(hào)，對(duì)整機(jī)及各主要部件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)仿真，開(kāi)展收獲機(jī)的動(dòng)態(tài)性能及疲勞性試驗(yàn)。同時(shí)，借助數(shù)學(xué)工具(MatLab)分析采集到的信號(hào)特征，將信號(hào)應(yīng)用到路面激勵(lì)模擬器上，在實(shí)驗(yàn)室直接觀察測(cè)量，分析甘蔗收獲機(jī)在典型的蔗地路況上的工作性能和振動(dòng)情況。

1.2 蔗地路面激勵(lì)時(shí)域信號(hào)的采集

1.2.1 試驗(yàn)采集地點(diǎn)

采集地點(diǎn)：南寧市近郊金光農(nóng)場(chǎng)的蔗地的路面。

1.2.2 設(shè)備

本次試驗(yàn)利用加速度傳感器采集蔗地路面不平度加速度信號(hào)。系統(tǒng)由電源(24V電瓶)、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、五輪儀及加速度傳感器及筆記本電腦組成。用于采集蔗地路面加速度信號(hào)的加速度傳感器安裝在五輪儀中軸上，由傳感器采集到的信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路濾波整形，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)筆記本電腦可實(shí)時(shí)顯示并保存信號(hào)。

1.2.3 試驗(yàn)方案

蔗地路譜采集試驗(yàn)采用五輪儀法，安裝圖如圖3所示，原理圖如圖4所示。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好地反映金光農(nóng)場(chǎng)蔗地的不平度特征，試驗(yàn)選取的蔗地分為平地和坡地兩種，選取的蔗地剛完成了人工收割甘蔗，且蔗地表面沒(méi)有蔗葉覆蓋及很明顯的腳??；試驗(yàn)時(shí)五輪儀由皮卡車牽引。

圖3 五輪儀安裝圖Fig.3 Fifth wheel device installation drawing

圖4 五輪儀原理示意圖Fig 4 Fifth wheel device principle diagram

試驗(yàn)選擇平地和坡地兩種蔗地，采樣頻率分別設(shè)定為100、200Hz，采樣時(shí)間均為60s，每次采樣試驗(yàn)重復(fù)5次。表1所示為數(shù)據(jù)采集安排表。

表1 數(shù)據(jù)采集安排表Table 1 Arrangement of data collection

1.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

蔗地路譜激勵(lì)位移信號(hào)如圖5所示。蔗地路譜頻譜圖如圖6所示。

圖5 蔗地路譜激勵(lì)位移信號(hào)Fig.5 Road excitation displacement signals of sugarcane field

利用MatLab將加速度傳感器測(cè)量的路面不平度加速度時(shí)域信號(hào)處理成位移時(shí)域信號(hào)，并進(jìn)行快速傅里葉變化。圖7所示為采樣頻率為100Hz時(shí)平地路面不平度信號(hào)的處理結(jié)果。

圖6 蔗地路譜頻譜圖Fig.6 Road excitation spectrum of sugarcane field

圖7 平地100Hz路面不平度信號(hào)Fig.7 Flat road roughness signal at 100Hz

通過(guò)圖6分析結(jié)果可知：振動(dòng)的能量主要分布在0.3～6.5Hz頻帶上。統(tǒng)計(jì)5次試驗(yàn)結(jié)果取平均值，分析如表2所示。

表2 平地100Hz路面不平度信號(hào)Table 2 Flat road roughness signal at 100Hz Hz

圖8為采樣頻率200Hz時(shí)平地路面不平度信號(hào)。其采樣頻率分別為100、200Hz時(shí)坡地路面不平度信號(hào)的處理結(jié)果，如圖9和圖10所示。

表3為采樣頻率100、200Hz時(shí)平地路面不平度信號(hào)、采樣頻率分別為100、200Hz時(shí)，坡地路面不平度信號(hào)5次采集數(shù)據(jù)的處理結(jié)果平均值。

由表3得知：蔗地路面不平度激振能量主要集中在1～6Hz，屬于低頻振動(dòng)信號(hào)。利用梯形法求積分，將曲線與頻率軸圍成的面積細(xì)分為無(wú)限個(gè)小梯型，并求出各個(gè)頻段的能量在總的能量中所占的比例，為后續(xù)的砍蔗過(guò)程研究提供理論依據(jù)。

圖8 平地200Hz路面不平度信號(hào)Fig.8 Flat road roughness signal at 200Hz

圖9 坡地100Hz路面不平度信號(hào)Fig.9 Slope-lands road roughness signal at 100Hz

圖10 坡地200Hz路面不平度信號(hào)Fig.10 Slope-lands road roughness signal at 200Hz表3 頻率成分Table 3 Frequency component Hz

2 振動(dòng)與宿根切割質(zhì)量的關(guān)系

研究刀架剛性的意義在于降低甘蔗破頭率，首先需要了解刀架動(dòng)態(tài)特性與甘蔗破頭率的關(guān)系。課題組前期進(jìn)行了大量刀架振動(dòng)位移與砍蔗質(zhì)量關(guān)系的試驗(yàn)，如圖11所示。將切割損失綜合評(píng)分值曲線進(jìn)行回歸擬合，得到回歸曲線多項(xiàng)式。

圖11 刀架振動(dòng)與切割損失關(guān)系Fig.11 The relationship between vibration of cutting disc and cutting damage

從圖11中可以看出：刀架振幅越大，切割損失綜合評(píng)分越高；振幅0.461mm對(duì)應(yīng)的切割質(zhì)量損失評(píng)分4.71，振幅1.054mm對(duì)應(yīng)的切割質(zhì)量損失評(píng)分為7.21，說(shuō)明切割器振幅增加1倍，甘蔗切割質(zhì)量損失提高近一半。因此，刀架振動(dòng)會(huì)影響甘蔗宿根切割質(zhì)量，降低收獲機(jī)工作時(shí)刀架的振動(dòng)劇烈程度，將會(huì)大幅度提高甘蔗宿根的切割質(zhì)量。

3 刀架結(jié)構(gòu)

圖12為課題組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的刀架結(jié)構(gòu)。

圖12 甘蔗收獲機(jī)切割系統(tǒng)Fig.12 Cutting system

齒輪箱通過(guò)提升轉(zhuǎn)臂與收獲機(jī)車架物流通道連接，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)齒輪箱傳遞給刀架；刀架的升降通過(guò)安裝在齒輪箱與車架上的液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，故此時(shí)刀架(齒輪箱和提升轉(zhuǎn)臂)的剛性將直接影響到刀架工作時(shí)的振動(dòng)情況。

圖13為刀架的結(jié)構(gòu)圖。其由齒輪箱和提升轉(zhuǎn)臂組成。其中，齒輪箱為刀架軸及動(dòng)力傳動(dòng)零件的支撐架，提升轉(zhuǎn)臂為齒輪箱后方伸出的兩根連接桿，刀架提升時(shí)繞著提升傳臂后支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖13 刀架結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Cutting system

4 模態(tài)分析

4.1 仿真模態(tài)分析

刀架有限元摸態(tài)如圖14所示。表4為基于ANSYS模態(tài)分析的仿真模態(tài)結(jié)果。

圖14 刀架第1到2階振型圖Fig.14 The first 4 order modal shapes of the cutter support structure表4 刀架有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果Table 4 Finite element modal calculation results of lifting scheme

階數(shù)頻率/Hz節(jié)點(diǎn)最大變形/mm振型描述120.14060.26齒輪箱繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)、在豎直方向變形為主要變形。241.92761.19刀架繞著Z軸擺動(dòng)、豎直方向的變形為主要變形345.2181.2刀架繞著Z軸擺動(dòng)、豎直方向的變形為主要變形

通過(guò)對(duì)刀架的有限元模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：刀架前3階模態(tài)固有頻率都較低，從節(jié)點(diǎn)最大位移及振型圖發(fā)現(xiàn)，刀架前3階振型的主要形變方向都為豎直方向，且形變較大。甘蔗收獲機(jī)的兩根蔗刀刀軸各通過(guò)一對(duì)軸承安裝在刀架上，刀架在豎直方向形變較大時(shí)，將會(huì)直接加劇刀架在豎直方向的振動(dòng)，進(jìn)一步影響甘蔗宿根切割質(zhì)量。

4.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

4.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)刀架進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，了解刀架的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，為刀架結(jié)構(gòu)改進(jìn)做好準(zhǔn)備。

4.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

刀架試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試采用單點(diǎn)激勵(lì)法[7-8]。整套模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)由激勵(lì)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)3部分組成。激勵(lì)系統(tǒng)由力錘(PCB：086D05)組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為L(zhǎng)MS_24通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)指TestLab測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的模態(tài)分析軟件。試驗(yàn)設(shè)備包括筆記本電腦、龍門吊及柔性繩等。測(cè)試系統(tǒng)框圖和試驗(yàn)場(chǎng)景圖分別如圖15、圖16所示。

圖15 測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig15 Test system block diagram

圖16 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.16 The experiment scene

4.2.3 試驗(yàn)方案

測(cè)點(diǎn)布置：測(cè)點(diǎn)布置的原則是盡量在刀架變形比較大(剛性較弱)的地方多布置測(cè)點(diǎn)，響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)要避開(kāi)節(jié)線處，否則會(huì)造成模態(tài)丟失。如圖17所示：測(cè)試整個(gè)臺(tái)架的試驗(yàn)?zāi)B(tài)，一共布置22個(gè)響應(yīng)點(diǎn)。

圖17 測(cè)點(diǎn)布置Fig.17 Arrangement of measuring points

4.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試過(guò)程中，敲擊點(diǎn)為刀架左前上方點(diǎn)Z和X方向，觀察測(cè)試振型圖，刀架第1～3階振型測(cè)試結(jié)果如圖18所示。

圖18 刀架結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)Fig.18 The preceding three vibration models of cutter suport structure

刀架試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果，如表5所示。

表5 試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果Table 5 Experimental modal results

5 齒輪箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

5.1 現(xiàn)有齒輪箱結(jié)構(gòu)

刀架由齒輪箱和提升轉(zhuǎn)臂兩個(gè)部件組成。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型圖及有限元模態(tài)可知：連接齒輪箱左右箱體的連桿長(zhǎng)度大，剛度小，變形大。

現(xiàn)有齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖19所示。

圖19 改進(jìn)前齒輪箱結(jié)構(gòu)圖Fig.19 The structure of gear box before improvement

基于Ansys模態(tài)分析結(jié)果如圖20、表6所示。

圖20 齒輪箱結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)Fig.20 The preceding three vibration models of cutter suport structure表6 齒輪箱仿真模態(tài)分析結(jié)果Table 6 The preceding three moodal information of cutter suport structure

階數(shù)固有頻率/Hz振型1階模態(tài)97.023繞著X軸扭轉(zhuǎn),左右兩個(gè)箱體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反2階模態(tài)112.749繞著Y軸轉(zhuǎn)動(dòng),在豎直方向的變形較大3階模態(tài)339.264繞著Y軸扭轉(zhuǎn),在豎直方向存在較大的變形

5.2 齒輪箱改進(jìn)方案

模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，連接齒輪箱左右箱體的中間連桿剛性較差，結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)應(yīng)著重加強(qiáng)該處連桿強(qiáng)度。

利用5號(hào)角鋼連接左右箱體，加強(qiáng)齒輪箱，如圖21所示。

圖21 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后齒輪箱Fig. 21 The structure of gear box after modification

5.3 仿真結(jié)果

基于Ansys模態(tài)分析結(jié)果如圖22、表7所示。

圖22 齒輪箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的前三階模態(tài)Fig.22 The preceding three vibration models of gear box after modification表7 齒輪箱仿真模態(tài)結(jié)果Table 7 The preceding three models imformation of gear box after modification

階數(shù)固有頻率/Hz振型1階模態(tài)180.7繞著X軸轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)支撐刀架的左右兩側(cè)箱體Z方向位移較小。2階模態(tài)308.72支撐刀架的左右兩側(cè)箱體繞著Y軸上上下擺動(dòng),豎直方向形變?yōu)橹饕冃巍?階模態(tài)428.44在X方向呈波浪形在豎直方向變形,豎直方向?yàn)橹饕冃巍?/p>

6 刀架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

6.1 現(xiàn)有刀架

現(xiàn)有刀架結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)有齒輪箱及提升轉(zhuǎn)臂(5號(hào)角鋼)，如圖23所示。

圖23 改進(jìn)前刀架結(jié)構(gòu)Fig.23 The structure of the cutter support device before modification

6.2 改進(jìn)方案

改進(jìn)后的刀架結(jié)包括利用5號(hào)角鋼加強(qiáng)的齒輪箱及8號(hào)槽鋼替換原來(lái)的的提升轉(zhuǎn)臂，改進(jìn)模型如圖24所示。

圖24 刀架改進(jìn)后結(jié)構(gòu)Fig.24 The structure of cutter support device after modification

6.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖25、表8所示。

圖25 刀架改進(jìn)結(jié)構(gòu)模態(tài)Fig.25 The map of model shape of cutter support device after modification表8 刀架改進(jìn)結(jié)構(gòu)模態(tài)信息Table 8 The modal imfomation of cutter support device after modification

階數(shù)固有頻率/Hz振型1階模態(tài)29.697繞著Z軸轉(zhuǎn)動(dòng),豎直方向較小變形。2階模態(tài)34.710提升轉(zhuǎn)臂在X方向擺動(dòng),豎直方向變形較小。3階模態(tài)64.063繞著x軸轉(zhuǎn)動(dòng),豎直方向的變形為主要變形。

表9為改進(jìn)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)模態(tài)信息對(duì)比。

改進(jìn)后各階模態(tài)固頻率最高，故采用此種結(jié)構(gòu)可提高刀架剛性，可相應(yīng)提升刀架的剛性。

表9 刀架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后模態(tài)固頻對(duì)比Table 9 The comparison of the modal imformation of the structure before and after modification Hz

7 結(jié)論

1)路面不平度激勵(lì)屬于低頻激勵(lì)信號(hào)，能量主要集中的頻段為1～6Hz，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)1～3Hz頻段的能量占據(jù)了路面激勵(lì)的80%以上。

2)利用高速攝像儀對(duì)砍蔗過(guò)程進(jìn)行拍攝，發(fā)現(xiàn)刀架在豎直方向的振動(dòng)情況將會(huì)直接影響到甘蔗宿根的切割質(zhì)量。

3)刀架有限元和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析表明：刀架前3階主頻均在50Hz以內(nèi)，低頻振動(dòng)信號(hào)對(duì)刀架的影響較大，有限元分析結(jié)果和模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果吻合。刀架模態(tài)振型圖顯示，連接齒輪箱、左右箱體的連桿及提升轉(zhuǎn)臂剛性較差，豎直方向形變較大，導(dǎo)致刀架在豎直方向振動(dòng)變大。

4)齒輪箱左右箱體連接部分利用5號(hào)角鋼加強(qiáng)，提升轉(zhuǎn)臂改為用8號(hào)槽鋼。有限元軟件分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的刀架前三階模態(tài)由25.789、34.336、39.95Hz變?yōu)?9.697、34.710、64.063Hz；結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，刀架剛性明顯被加強(qiáng)，豎直方向振動(dòng)有所減緩，從而提高宿根切割質(zhì)量。