電動微耕機振動特性分析與減振研究

金政宏，陳 建，王炎林，牛 坡，王 磊，張 勉，莫 婷

西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715

電動微耕機作業(yè)時隨著耕作深度增加整機振動也更強烈，研究表明，在耕深大于10 cm的情況下每天使用4 h，3年后有10%的操作者出現(xiàn)白指病[6-10]，但是在作業(yè)過程中耕深大于10 cm是非常必要的，因此如何在滿足耕深條件下通過對整機進行減振保護操作者的身體健康，是電動微耕機在丘陵山區(qū)廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素[11-12].

本文主要研究對象為一臺自主研發(fā)的耕深大于10 cm的鋰電池組電動微耕機樣機在快擋作業(yè)情況下的豎直方向振動特性，電動微耕機扶手架處的振動直接影響操作者的身體健康，故而針對如何降低扶手架處振動的問題進行研究.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備與儀器

1. 扶手架； 2. 電機控制器； 3. 電動機； 4. 鋰電池組； 5. 支撐架； 6. 行走箱； 7. 刀輥； 8. 限深桿．圖1 電動微耕機整機結(jié)構(gòu)

試驗設(shè)備為團隊自主研發(fā)的鋰電池組電動微耕機樣機(以下簡稱電動微耕機)，其電池組由170枚比克公司生產(chǎn)的H18650CC鋰離子單體電池，通過10組由17個單體電池串聯(lián)而成的電池串并聯(lián)而成，上下層分別呈7行10列和10行10列排列．電動微耕機整機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示(z方向為電動微耕機作業(yè)時的豎直向上方向，y方向為前進方向)，主要由扶手架、 電機控制器、 電動機、 鋰電池組、 支撐架、 行走箱、 刀輥、 限深桿組成．扶手架上布置有剎車裝置和控制旋鈕開關(guān)，當鋰電池組(位于發(fā)動機前)處于接通狀態(tài)時，鋰電池組為電動機供電．刀輥既是耕作部件，也是行走部件，刀輥切削土壤時，土壤反作用力推動機組前進．行走箱連接、 支撐各個部件并與刀輥軸之間有力的傳遞．末端支架設(shè)計有扶手架、 限深裝置連接結(jié)構(gòu)，限深桿用于調(diào)節(jié)耕深．電動微耕機設(shè)置有快檔和慢檔兩個檔位，快檔轉(zhuǎn)速較高，是電動微耕機的耕作檔位，慢檔轉(zhuǎn)速較低，主要在轉(zhuǎn)向的時候使用，其主要性能參數(shù)如表1所示.

表1 電動微耕機主要性能參數(shù)

試驗的儀器包括美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的356A16型三向加速度傳感器，該傳感器使用頻率范圍為0.3～6 kHz，量程為±50 g，使用溫度范圍為-54 ℃～+80 ℃，傳感器質(zhì)量為7.4 g，x，y，x方向靈敏度分別為96.1，98.6，100.4 mV/g； 美國國家儀器有限公司生產(chǎn)的NI9234數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡和傳感器如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集卡和傳感器

1.2 模型建立

電動微耕機的振動由電磁激振力、 刀輥切削土壤反作用力、 被切土垡撞擊擋泥板作用力、 行走箱機械傳動內(nèi)力等幾部分組成，電磁激振力、 刀輥切削土壤反作用力、 被切土垡撞擊擋泥板作用力是電動微耕機主要的振動來源，針對主要振動來源對電動微耕機模型進行簡化，將系統(tǒng)各模型部分動力作用過程進行組合得到系統(tǒng)豎直方向動力學(xué)模型，如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)豎直方向動力學(xué)模型

m1為扶手架的質(zhì)量，m2為電動機質(zhì)量，m3為鋰電池組電池箱質(zhì)量，m4為支撐架質(zhì)量，m5為刀輥質(zhì)量；x1為扶手架位移隨時間變化函數(shù)，x2為電動機位移隨時間變化函數(shù)，x3為電池箱位移隨時間變化函數(shù)；x4為支撐架豎直方向振動位移隨時間變化函數(shù)，x5為旋轉(zhuǎn)刀輥豎直方向振動位移隨時間變化函數(shù)；k1為扶手架與支撐架之間的剛度，k2為電動機與支撐架之間的剛度，k3為電池箱與支撐架之間的剛度，k4為刀輥與支撐架之間的剛度，k5為土壤的等效剛度；c1為土壤等效阻尼系數(shù).

F1為扶手架處作用力，F(xiàn)3為土垡撞擊力，F(xiàn)4為土壤對刀輥作用力.

聽到登子低低地對孩子嘀咕著：快點吃，快點吃，再不吃就和你死去的哥哥姐姐一樣。那孩子低低地問著：阿爸，為什么要在這里吃啊，拿到家里吃不好嗎？登子低低地吼道：小孩家懂什么，如果鬼知道我們有肉吃，那會把我們一起吃掉的，所以千萬別給任何人說你吃過肉。孩子帶著哭腔：阿爸，我不會說的，我真的不會說的。

根據(jù)圖3，可建立電動微耕機豎直方向一維振動系統(tǒng)微分方程為

(1)

電動微耕機扶手架處的振動直接影響操作者身體健康，所以需要減輕扶手架處振動，但是一旦優(yōu)化扶手架結(jié)構(gòu)就會導(dǎo)致整機質(zhì)量發(fā)生變化從而影響耕深這一必要因素，在整機中支撐架相比于其他部件結(jié)構(gòu)簡單易于優(yōu)化，因此需要通過優(yōu)化扶手架和支撐架的結(jié)構(gòu)，使得整機質(zhì)量不變的前提下，實現(xiàn)對扶手架處的減振.

根據(jù)上述分析和公式(1)，在matlab/simulink模塊中將各個零部件的程序框圖依次連接，并添加輸出端為扶手架和支撐架，可以得到仿真程序圖，如圖4所示.

圖4 電動微耕機豎直方向一維振動系統(tǒng)程序圖

1.3 仿真與試驗

完成仿真參數(shù)的設(shè)置開始運行仿真，可以得出輸出端支撐架平板與扶手架的豎直方向振動信號圖，如圖5所示.

圖5 扶手架和支撐架平板豎直方向振動信號圖

圖中曲線表明，旋耕刀具入土?xí)r，表現(xiàn)為振動加速度增大，當?shù)毒咔邢魍鳞蚁蛏线\動時，振動加速度減小，因此刀具循環(huán)入土、 出土環(huán)節(jié)中，振動加速度曲線與正弦信號類似．運算結(jié)果顯示，扶手架、 支撐架平板處振動加速度均方根值(以下簡稱RMS值)分別為10.06，35.61 m/s2，其中人手連接的扶手架處的RMS值為研究的重點，是反映操作者健康狀況的重要參數(shù)來源.

田間試驗在重慶市合川區(qū)試驗田開展，如圖6所示，該試驗田位于106°23′45″E，29°39′45″N，田寬為35 m，長度為50 m，該試驗田土地含水率為21%，土壤0～150 mm平均堅實度為0.453 MPa.

圖6 田間試驗圖

田間試驗時將三向加速度傳感器安裝在電動微耕機的扶手架與支撐架上，將檢測到的振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞至LabVIEW SignalExpress軟件系統(tǒng)，得到扶手架與支撐架的振動加速度的時域變化波形，通過對時域特征值分析獲得測點的振動加速度均方根值．電動微耕機在基于快擋工況下進行耕作土壤試驗，測試扶手架和支撐架平板處的振動曲線，整機接線布局與傳感器布點圖如圖7所示.

圖7 整機接線布局與傳感器布點

田間試驗測得的電動微耕機扶手架和支撐架兩處測點豎直方向振動加速度時域信號濾波處理如圖8所示，可以得到扶手架、 支撐架平板處RMS值分別為10.45，49.08 m/s2.

圖8 電動微耕機兩處測點豎直方向振動加速度時域信號濾波處理

1.4 結(jié)果對比

將仿真與試驗結(jié)果進行對比，如表2中數(shù)據(jù)分析可知，仿真誤差主要源于動力模型簡化中沒有考慮部件阻尼系數(shù)、 限深桿處作用力等振動參數(shù)以及田間振動試驗中的測試誤差．對于機械振動特性仿真，一般要求仿真與實驗誤差小于20%[13]，因此本次仿真與實驗誤差滿足精度要求，該模型可以進行重復(fù)利用.

表2 快擋工況下RMS值對比

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了盡量減緩操作者得白指病，一般扶手架處z軸方向振動RMS值不超過10 m/s2，而且z軸振動RMS值應(yīng)該盡可能減小[14]，但是前文仿真與試驗的扶手架處RMS值均超過10 m/s2，所以需要對電動微耕機進行減振，根據(jù)前文所述，應(yīng)對支撐架和扶手架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化從而實現(xiàn)扶手架處振動減小.

結(jié)構(gòu)優(yōu)化又分為尺寸優(yōu)化、 形態(tài)優(yōu)化以及拓撲優(yōu)化，對于支撐架而言因為其與行走箱、 電動機等相連接，所以無法進行尺寸優(yōu)化，而且加工時又直接以整板形式與其他部件裝配，所以可以對支撐架進行拓撲優(yōu)化； 對于扶手架而言，因為需要保證操作者在農(nóng)作時最佳的舒適性，同時與支撐架連接的空心鋼管壁厚已經(jīng)固定，所以不能對扶手架進行尺寸優(yōu)化和對整體進行形態(tài)優(yōu)化，只能在局部進行形態(tài)優(yōu)化和拓撲優(yōu)化.

2.1 扶手架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電動微耕機扶手架作為圓形桿件，通過采用單一引入漸變阻抗界面[15]、 一維聲學(xué)黑洞法[16-17]、 形態(tài)優(yōu)化法在尖端區(qū)域粘結(jié)阻尼材料的方法完成減振[18].

采用漸變介質(zhì)阻抗法引入連續(xù)漸變阻抗界面，在扶手架橫桿處焊接空心管，原理是橫桿加設(shè)空心管可以增加扶手架質(zhì)量吸收一部分由支撐架傳遞上來的振動從而降低傳遞到人手處的振動能量．采用一維聲學(xué)黑洞理論方法，在支撐架與扶手架平板連接處加工出錐狀結(jié)構(gòu)，并在錐狀結(jié)構(gòu)表面附著阻尼材料(橡膠)吸收振動能量.

優(yōu)化后扶手架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，當整機工作時，振動能量匯聚到支撐架平板處，并經(jīng)過扶手架傳遞到人手．當振動能量信號傳遞到扶手架時，一部分匯聚到尖端部分，并被阻尼材料吸收，另一部分傳遞經(jīng)過漸變阻抗阻尼材料層，振動能量進一步削弱，當傳遞到人手接觸時，振動能量已經(jīng)減輕了一部分，從而實現(xiàn)降低振動能量的目的，優(yōu)化后扶手架質(zhì)量增加1.25 kg，增加部分的質(zhì)量需要通過優(yōu)化支撐架來平衡.

圖9 扶手架復(fù)合減振結(jié)構(gòu)總體示意圖

2.2 支撐架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

運用Ansys有限元方法對支撐架求解，優(yōu)化云圖結(jié)果如圖10所示，深色部分為可去除材料部分.

圖10 支撐架優(yōu)化云圖

分析支撐架結(jié)構(gòu)，可知前端支架處所受應(yīng)力不大可以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓撲優(yōu)化方案，對前端支架進行鏤空處理節(jié)省材料并減重，鏤空處理后支撐架質(zhì)量相對減少了1.43 kg，與扶手架增加的1.25 kg質(zhì)量相近，保證了整機質(zhì)量不變而不影響耕深.

2.3 結(jié)果對比

基于上面章節(jié)中建立的Simulink仿真模型，替換掉電動微耕機優(yōu)化前的支撐架和扶手架結(jié)構(gòu)并對電動微耕機進行優(yōu)化后仿真，結(jié)果如圖11所示.

圖11 優(yōu)化后振動加速度曲線圖

從仿真得到的RMS值可知，扶手架處RMS值為7.40 m/s2，支撐架平板處RMS值為66.84 m/s2，相對于支撐架和扶手架未進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前的仿真結(jié)果，扶手架處RMS值降低了21.7%.

2.4 優(yōu)化后試驗驗證

加工出優(yōu)化后的支撐架和扶手架結(jié)構(gòu)如圖12所示，并裝配至電動微耕機上．利用優(yōu)化后的電動微耕機在前文試驗的試驗田進行優(yōu)化后試驗，所用儀器方法與前文試驗一致，測得扶手架處RMS值為7.89 m/s2，支撐架平板處RMS值為59.58 m/s2，與仿真結(jié)果對比誤差為6.6%，10.9%，與裝配優(yōu)化結(jié)構(gòu)前試驗相比扶手架處RMS值降低了24.5%.

圖12 優(yōu)化后的支撐架前端支架和扶手架

3 結(jié) 論

通過仿真與田間試驗，驗證了仿真模型建立方法的可行性，得出Matlab/simulink所建立的電動微耕機模型精確并可以反復(fù)使用，仿真與試驗得出的扶手架振動RMS值均超過人手適宜的RMS值10 m/s2，需要對電動微耕機優(yōu)化實現(xiàn)減振.

在仿真模型基礎(chǔ)上，對扶手架與支撐架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進行優(yōu)化后的仿真分析，得到支撐架質(zhì)量相對減少了1.43 kg，扶手架質(zhì)量相對增加了1.25 kg，整機質(zhì)量未發(fā)生大的變化； 在優(yōu)化仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，加工出優(yōu)化后的支撐架和扶手架并進行裝配，利用優(yōu)化后的電動微耕機進行試驗，測得扶手架處RMS值較優(yōu)化前降低了24.5%，實現(xiàn)了電動微耕機減振的目的.