履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

唐 忠,王紅達(dá),李禧堯,陳新達(dá),吳 彪,李耀明

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著水稻聯(lián)合收割機(jī)使用的推廣與普及,因割臺(tái)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)割臺(tái)性能的影響越發(fā)凸顯[1-2]。為減少割臺(tái)振動(dòng)及提高割臺(tái)收獲性能,國內(nèi)外學(xué)者從振動(dòng)測試、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對(duì)割臺(tái)進(jìn)行了大量的研究工作。徐立章等[3]研究了割臺(tái)在5種不同工況下的不同振動(dòng)形式,并得到了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、振動(dòng)篩及切割器往復(fù)運(yùn)動(dòng)等對(duì)割臺(tái)振動(dòng)的影響。李敏通等[4]通過求解割臺(tái)前20階模態(tài)振型,揭示了不同頻率下割臺(tái)的振動(dòng)特點(diǎn)。李耀明等[5]通過求解割臺(tái)機(jī)架模態(tài)頻率及振型,提出通過減輕梁和鋼板厚度、增加傳動(dòng)軸配重塊可有效避免割臺(tái)框架共振的方法。Ebrahimi等人[6]通過對(duì)割臺(tái)開始試驗(yàn)?zāi)B(tài)(OMA)的試驗(yàn)分析,對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的割臺(tái)振動(dòng)特性的模態(tài)響應(yīng)及振型進(jìn)行了試驗(yàn)預(yù)測。Chuan-Udom等人[7]對(duì)割臺(tái)的振動(dòng)進(jìn)行測試后設(shè)計(jì)開發(fā)了3種新型刀桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),通過試驗(yàn)對(duì)比了新設(shè)計(jì)的3種新型刀桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。Fukushima等人[8]通過對(duì)割臺(tái)振動(dòng)的軸心軌跡及諧波頻率的研究,獲得了諧波頻率分量隨著間隙寬度的增加而變化特征及最高諧波頻率是曲柄輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的3倍關(guān)系。

在水稻收割機(jī)作業(yè)過程中,割臺(tái)框架及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在耦合作用,互相影響。當(dāng)激勵(lì)振動(dòng)頻率接近或等于割臺(tái)部件固有頻率時(shí),割臺(tái)結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振,會(huì)降低水稻收割機(jī)割臺(tái)的可靠性,影響水稻的收獲質(zhì)量及效率,甚至對(duì)水稻收割機(jī)的壽命產(chǎn)生影響。因此,通過對(duì)聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)框架、撥禾輪、攪龍的固有頻率、模態(tài)振型開展測試研究,對(duì)降低割臺(tái)振動(dòng)及提高割臺(tái)可靠性具有重要的科學(xué)意義。

本文首先采用Pro/E建立割臺(tái)框架及內(nèi)部部件的結(jié)構(gòu)模型,再通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)割臺(tái)框架、撥禾輪、喂入攪龍進(jìn)行模態(tài)分析,進(jìn)而基于割臺(tái)框架的模態(tài)振型及固有頻率,研究割臺(tái)部件間振動(dòng)影響特征。

1 聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)模型

1.1 割臺(tái)框架模型建立

水稻聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)主要由割臺(tái)框架、分禾器、撥禾輪液壓支撐臂、撥禾輪、切割裝置及喂入攪龍等組成。割臺(tái)框架主要采用低碳鋼鋼板、角鋼等鋼結(jié)構(gòu)焊接,割臺(tái)框架橫向長度約為2 100mm,縱向長度約為1 600mm,框架鋼板的厚度約為3mm。

在作業(yè)過程中,因分禾器會(huì)受到不同程度的作物沖撞而產(chǎn)生振動(dòng),且II型割刀橫向運(yùn)動(dòng)也會(huì)有振動(dòng)激勵(lì),因此將分禾器及II型割刀與割臺(tái)框架模型綜合考慮。左右兩側(cè)分禾器為楔形且伸出割臺(tái)框架0.7m,左右分禾器之間的距離即為實(shí)際收割幅度2 500mm,現(xiàn)有收割機(jī)的作業(yè)行進(jìn)速度為0.56～1.2m/s,II型割刀平均速率選為0.8m/s,曲柄轉(zhuǎn)速為450～750r/min。采用Pro/E建立的割臺(tái)框架模型如圖1所示。

1.2 撥禾輪模型

撥禾輪作為收割作業(yè)過程中重要的導(dǎo)向及輸送部件,作業(yè)時(shí)撥禾輪將作物撥向割刀,并在切割過程中配合切割動(dòng)作扶持水稻;對(duì)于傾斜倒伏作物,撥禾輪可將其扶正,避免損失;切斷后,撥禾輪繼續(xù)將作物向后推送入割臺(tái)內(nèi)部,在喂入攪龍的作用下送入輸送槽,防止堵塞割臺(tái)。

圖1 收割機(jī)割臺(tái)框架模型Fig.1 Cutting table frame

撥禾輪的運(yùn)動(dòng)是水平移動(dòng)及繞軸的圓周運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成,任意撥禾輪彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。以撥禾輪在水平面中投影為原點(diǎn),x軸為機(jī)器前進(jìn)方向,y軸豎直向上,撥禾輪彈齒投影點(diǎn)A繞撥禾輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng),則A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程為[9]

(1)

其中,r為撥禾輪外接圓半徑,ω為撥禾輪繞自身軸旋轉(zhuǎn)的角速度,Vm為聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度,H為撥禾輪相對(duì)于地面的安裝高度,t為行進(jìn)時(shí)間。

圖2 撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Motion trail of reel

圖2中,λ為撥禾輪圓周轉(zhuǎn)速與隨收割機(jī)前進(jìn)速的比值,稱其為撥禾輪速比。當(dāng)λ≤1時(shí),撥禾輪不能起到將水稻撥入割臺(tái)的作用,只有當(dāng)撥禾輪速比λ>1,撥禾彈齒軌跡為余擺線時(shí),撥禾輪有水平方向向后的分速度,實(shí)現(xiàn)正常撥禾。因此,收割機(jī)作業(yè)過程中,應(yīng)使λ>1,過高的轉(zhuǎn)速會(huì)使撥禾彈齒反復(fù)敲打作物,帶來不必要的損失與振動(dòng)。

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)Vm速度為0.56～1.2m/s,根據(jù)撥禾速度比λ可得如下計(jì)算公式[11],即

(2)

且在撥禾輪作業(yè)過程中,圓周線速度應(yīng)小于1.5m/s,則

(3)

依據(jù)現(xiàn)有履帶式聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù),取聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪半徑r=500mm,撥禾桿數(shù)目Z=5,且每個(gè)撥禾桿之上有16根撥禾彈齒,彈齒長度為220mm,彈齒間距為70mm,通過建模得到模型,如圖3所示。

圖3 撥禾輪三維模型Fig.3 The 3D Model of reel

由式(2)、式(3)可得：當(dāng)Vm=0.56m/s時(shí),轉(zhuǎn)速范圍為10.7～28.7r/min;當(dāng)Vm=1.2m/s時(shí),轉(zhuǎn)速范圍為22.9～28.7r/min。

1.3 喂入攪龍模型

割臺(tái)的喂入攪龍(又名螺旋推運(yùn)器),由螺旋攪龍和伸縮扒指組成,當(dāng)作物被水平切割器切斷后,在兩側(cè)螺旋葉片的作用下向伸縮扒指推送,最后由扒指送入輸送槽。割臺(tái)攪龍由滾筒和外側(cè)攪龍葉片焊接而成,為了避免莖稈跟隨圓筒一起旋轉(zhuǎn),取圓筒直徑為300mm。為使螺旋葉片能容納割下的莖稈,選螺旋葉片高度為100mm,螺距為460mm,取螺旋推運(yùn)器轉(zhuǎn)速范圍150～200r/ min。

喂入攪龍中伸縮扒指結(jié)構(gòu)含有11根扒指,分別鉸接在曲軸上。喂入攪龍及伸縮扒齒裝配的外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 割臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

依據(jù)上述割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和模型,通過對(duì)收割機(jī)割臺(tái)框架、撥禾輪及喂入攪龍的設(shè)計(jì)和建模得到割臺(tái)部分的裝配模型,隱藏封板展示如圖5所示。

圖4 喂入攪龍外形Fig.4 Shape of auger

圖5 收割機(jī)割臺(tái)裝配圖Fig.5 Assembly model of header of combine harvester

模態(tài)分析是利用已知的邊界條件、幾何形狀、材料特性確定所研究結(jié)構(gòu)及機(jī)械零件的振動(dòng)特性的過程,是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),可以通過分析得到對(duì)象的固有頻率及模態(tài)振型。

割臺(tái)各部件的模態(tài)分析過程相同,僅以撥禾輪的模態(tài)分析過程為例,其他部件分析過程相同。

首先通過ANSYS軟件導(dǎo)入接口：ANSYS>import命令,將撥禾輪模型導(dǎo)入ANSYS,并定義割臺(tái)材料楊氏彈性模量為211/GPA、泊松比為0.35、密度為7 850kg/m3。

在正常作業(yè)過程中,撥禾輪的運(yùn)動(dòng)由以割臺(tái)框架為參考系的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、隨收割機(jī)的水平移動(dòng)復(fù)合而來,為真實(shí)反映貼近撥禾輪實(shí)際工作情況,對(duì)撥禾輪x、y、z3個(gè)方向移動(dòng)的自由度及兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度施加約束,施加約束的有限元模型如圖6所示。

為綜合考慮求解結(jié)果的可靠性及求解時(shí)長問題,選用六面體單元。同時(shí),為了保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量與精度,并控制計(jì)算時(shí)間,合理把握單元最小尺寸,選單元尺寸最小為15mm網(wǎng)格劃分。

在ANSYS中完成撥禾輪的模態(tài)分析,結(jié)合撥禾輪實(shí)際工作情況,求解撥禾輪的前,8階固有頻率及對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型,因篇幅所限,僅將變形明顯的模態(tài)振型列出,如圖7所示。

圖6 撥禾輪有限元模型Fig.6 Finite element model of reel

(a) 1階振型

割臺(tái)撥禾輪的前8階固有頻率如表1所示。

表1 割臺(tái)撥禾輪前8階模態(tài)Table 1 First 8 order mode of the header reel

同理可得,割臺(tái)框架及喂入式攪龍的前8階固有頻率,分別如表2、表3所示。

表2 割臺(tái)框架前8階模態(tài)Table 2 First 8 order mode of header frame

表3 割臺(tái)喂入式攪龍前8階模態(tài)Table 3 The first 8 modes of auger

3 結(jié)果分析

3.1 割臺(tái)結(jié)果分析

由表2及模態(tài)振型可知：割臺(tái)框架前8階的固有振動(dòng)頻率為5.1～11.2Hz。由于分禾器為割臺(tái)框架外伸梁結(jié)構(gòu),撓度較大且易變形,因此在較低頻率下最大變形處集中分布于分禾器及割臺(tái)前端側(cè)板,變形形式主要為分禾器的變形和扭轉(zhuǎn)。

通過李耀明[5]、伍揚(yáng)華[9]、陳樹人[10]的研究可知：當(dāng)去除分禾器后,高階固有頻率范圍分布如表4所示。

表4 文獻(xiàn)相似研究結(jié)果Table 4 Results of similar literature studies

當(dāng)頻率較低時(shí),割臺(tái)框架前端側(cè)板彎曲扭轉(zhuǎn);當(dāng)振動(dòng)頻率增加后,割臺(tái)框架振動(dòng)加大,同時(shí)割臺(tái)底板開始出現(xiàn)不同程度的變形;當(dāng)振動(dòng)頻率再次提高后,割臺(tái)框架整體出現(xiàn)扭曲變形,其中撥禾輪支撐梁、切割器、喂入攪龍安裝位置出現(xiàn)變形最為明顯[9-10],將影響各部件的間的安裝位置關(guān)系,進(jìn)而影響作業(yè)質(zhì)量及割臺(tái)的整體壽命。

3.2 割臺(tái)振動(dòng)來源分析

聯(lián)合收割機(jī)的割臺(tái)框架的外界激勵(lì)來源主要有：①發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì);②割刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng);③撥禾輪自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);④攪龍自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每種影響對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率計(jì)算方法如下：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率計(jì)算公式為

(4)

其中,fa激勵(lì)頻率,na為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,z為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù),τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)采用普通直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速范圍為2 400～2 600r/min,帶入式(4)計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作下的激勵(lì)頻率為80～ 86.7Hz。

2)切割器帶來的振動(dòng)是由割刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起,II型割刀曲柄轉(zhuǎn)速范圍為450～750r/min,激勵(lì)頻率計(jì)算公式為

(5)

其中,fb為激勵(lì)頻率,nb為曲柄轉(zhuǎn)速。求解得激勵(lì)頻率范圍為7.5～12.5Hz。

2)撥禾輪所帶來的振動(dòng)頻率計(jì)算公式為

(6)

其中,fc為激勵(lì)頻率,nc為撥禾輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍為10.7～28.7 r/min,求解得激勵(lì)頻率范圍為0.17～0.47Hz。

3)攪龍帶來激勵(lì)頻率計(jì)算公式為

(7)

其中,fd為激勵(lì)頻率,nd為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍為150～200r/min,求解得激勵(lì)頻率范圍為2.5～3.33Hz。

3.3 撥禾輪的結(jié)果分析

通過撥禾輪模態(tài)振型分析,可得撥禾輪的振動(dòng)穩(wěn)定性的強(qiáng)弱分布及不同固有頻率下的振動(dòng)變形特點(diǎn)：在前6階模態(tài)振型中,撥禾輪的變形集中在撥禾桿彎曲及輪盤,以撥禾桿的彎曲最為明顯。

撥禾輪在正常作業(yè)過程中的振動(dòng)來源主要是自身驅(qū)動(dòng)激勵(lì),振動(dòng)頻率范圍為0.17～0.47Hz?？梢娫谡＾D(zhuǎn)速下,自身驅(qū)動(dòng)激振頻率不足以使撥禾輪發(fā)生共振;但是,為保證撥禾輪的可靠性,仍需要根據(jù)圖中分析所得到的變形區(qū),增加強(qiáng)度不足部分。

3.4 喂入攪龍的結(jié)果分析

通過攪龍的6階模態(tài)振型可知：當(dāng)喂入攪龍發(fā)生共振時(shí),焊接于攪龍滾筒體上的螺旋葉片會(huì)發(fā)生脫落,影響割臺(tái)壽命。喂入攪龍的固有頻率范圍為2.4～8.3Hz,攪龍驅(qū)動(dòng)激振頻率范圍為2.5～3.33Hz,其激勵(lì)頻率范圍接近第2階固有振動(dòng)頻率。為避開第二階固有振動(dòng)f>2.67Hz,轉(zhuǎn)速n>162r/min。為保證喂入攪龍作業(yè)的可靠性,應(yīng)在保證轉(zhuǎn)速的同時(shí),提高螺旋葉片的焊接強(qiáng)度。

3.5 割臺(tái)激勵(lì)頻率與固有頻率的關(guān)系

當(dāng)割臺(tái)各部件所受到的激勵(lì)頻率等于或接近固有頻率時(shí),部件將發(fā)生共振,使部件發(fā)生較大幅度振動(dòng)。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí),激勵(lì)頻率與固有頻率有如下關(guān)系[4],即

0.8fa

(7)

其中,fa為結(jié)構(gòu)固有頻率,f為激勵(lì)頻率。因此,為避免共振發(fā)生,控制振動(dòng)是行之有效的方法?？刂普駝?dòng)的方法包括控制激勵(lì)與增加結(jié)構(gòu)阻尼,可通過控制相關(guān)動(dòng)力源轉(zhuǎn)速等措施達(dá)到控制激勵(lì)源的目的;增加結(jié)構(gòu)鋼板厚度或在薄弱位置增加加強(qiáng)筋,達(dá)到增加結(jié)構(gòu)剛度及增加結(jié)構(gòu)阻尼的目的。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)割臺(tái)框架、撥禾輪、喂入攪龍的模態(tài)分析,得到了割臺(tái)框架前8階的固有振動(dòng)頻率為5.1～11.2Hz,撥禾輪前8階固有振動(dòng)頻率范圍為0.17～0.47Hz,喂入攪龍前8階固有振動(dòng)頻率范圍為2.4～8.3Hz。

2)通過對(duì)割臺(tái)部件的模態(tài)振型分析,得知割臺(tái)的低階振動(dòng)主要影響割臺(tái)框架前端分禾器及側(cè)板,當(dāng)振動(dòng)頻率提高后,割臺(tái)連接部位開始出現(xiàn)較大變形;撥禾輪振動(dòng)變形集中在撥禾桿彎曲及輪盤,以撥禾桿的彎曲最為明顯;喂入攪龍發(fā)生共振現(xiàn)象將使螺旋葉片脫離滾筒體。

3)撥禾輪在正常作業(yè)過程中振動(dòng)頻率范圍為0.17～0.47Hz,驅(qū)動(dòng)激振頻率不足以使撥禾輪發(fā)生共振。喂入攪龍的固有頻率范圍為2.4～8.3Hz,攪龍驅(qū)動(dòng)激振頻率范圍為2.5～3.33Hz,其激勵(lì)頻率范圍接近第2階固有振動(dòng)頻率,為避開第2階固有振動(dòng),轉(zhuǎn)速應(yīng)大于162r/min。割臺(tái)框架固有頻率范圍較大,為避免發(fā)生共振,應(yīng)使激勵(lì)頻率避開固有頻率,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)割臺(tái)框架剛度。