小型收割機切割器可靠性測試平臺研究*

苑曉亮，謝守勇, 2，劉軍, 2，謝秋菊，宋磊

(1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶市，400715； 2. 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點實驗室，重慶市，400715)

0 引言

切割器可靠性[1-2]是指切割器在規(guī)定條件及時間完成規(guī)定功能的能力，而其考核評定的依據(jù)是其自身固有缺陷所暴露的故障。根據(jù)文獻[3]規(guī)定的切割器6種零部件(刀片、護刃器、護刃器梁、刀桿、刀桿頭和刀桿螺栓)涉及變形、彎曲、斷損、脫落、掉齒、損壞及磨損等7種/14個故障模式，會造成收獲機械漏割、割茬雜亂及停止收割等缺陷。除去切割器因插入土壤，碰撞石塊，鐵絲等突發(fā)情況造成的護刃器、刀桿斷損及彎曲變形等故障外，其余故障多因切割器負(fù)載及機械振動造成。

傳統(tǒng)切割器可靠性測試受制于農(nóng)作物收獲季節(jié)、田間地形差異等因素的影響，其測試周期在某些地區(qū)長達一年以上，無形中給企業(yè)浪費了不必要的人力和財力，也直接影響了產(chǎn)品投入市場的研發(fā)周期[4-13]。因此，如何在實驗室環(huán)境下，準(zhǔn)確暴露這些故障是切割器可靠性測試的研究熱點問題之一。

楊方飛等[14]利用有限元仿真結(jié)合載荷譜實測實驗對高低隙噴桿噴霧機底盤結(jié)構(gòu)進行了可靠性驗證。針對丘陵山區(qū)的小型農(nóng)機具的特點,文獻[15]指出產(chǎn)品可靠性試驗可在研究有限的樣本、時間和使用費用下，找出產(chǎn)品設(shè)計、運行及維護方面的薄弱環(huán)節(jié)，可為了解、評價、分析和提高產(chǎn)品有效使用壽命奠定基礎(chǔ)。文獻[16]旨在建立數(shù)字化可靠性檢測系統(tǒng)，全面、準(zhǔn)確實現(xiàn)可靠性測試評估，基于數(shù)字仿真技術(shù)，探討了可物理模擬和不可物理模擬兩種場景下機械產(chǎn)品可靠性測試的一般流程，對于所提出的兩個實際案例，同時進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和性能仿真分析，并進行了可靠性評價，較好滿足了機械產(chǎn)品可靠性測試要求，為機械產(chǎn)品可靠性提升提供了依據(jù)。

文獻[17]基于硬件在環(huán)技術(shù)，搭建了秸稈物料控制下的HIL系統(tǒng)，設(shè)計了秸稈切割仿真試驗平臺，較好模擬了切割機田間工作環(huán)境，利用離散單元法進行了運動仿真分析，優(yōu)化了切割機基本結(jié)構(gòu)，并進行了新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性驗證。文獻[18]提出一種新的可靠性評估方法，既立足于試驗，又借助于仿真，針對機械產(chǎn)品中的兩種常用分布進行了仔細(xì)論證，試驗可以方便探索無法仿真的性能，通過對試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的綜合考查，極大縮短了試驗時間，提高了可靠性測試的精度。所提出的半試驗仿真手段，在試驗基礎(chǔ)上借助數(shù)學(xué)物理方法，降低了可靠性仿真的難度。

上述文獻多側(cè)重于仿真分析，進行了一般環(huán)境下的可靠性測試，其試驗結(jié)果并不具備普適性，本文針對丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機械的特定工作環(huán)境，在實驗室環(huán)境下搭建了小型收獲機切割器可靠性測試平臺，對于該平臺的加載器、振動臺和動力機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了有效的控制策略和簡潔的測試流程，利用轉(zhuǎn)矩傳感器和加速度傳感器，得到了空載及一般工作狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的切割轉(zhuǎn)矩，模擬了收獲機械在田間工作的實際過程。

1 整體設(shè)計

新型可靠性測試平臺需滿足以下三個條件：(1)物料不間斷地供給切割器；(2)物料可以重復(fù)利用，省下更換物料的時間，提高效率；(3)需為切割器補償提供因路面不平整及收獲機械自身機械結(jié)構(gòu)造成的振動應(yīng)力。為了滿足以上條件，本文設(shè)計的切割器可靠性測試平臺如圖1所示。在圖1中，固定收獲機械于振動臺之上，裝載獨立動力機構(gòu)，僅讓切割器工作，利用設(shè)計的加載器連續(xù)為切割器提供切割物料，依靠控制箱提供的控制信號設(shè)定滿足要求的控制策略，完成測試過程。

圖1 可靠性測試平臺Fig. 1 Reliability test platform1.振動臺 2.動力機構(gòu) 3.收獲機械 4.割臺5.加載器 6.物料槽 7.控制箱

1.1 加載器設(shè)計及運行原理

加載器由4臺調(diào)速電機(3K-15K/5IK120RGN-CF)分別驅(qū)動4個螺旋絞龍組成，將其固定在物料槽內(nèi)，其設(shè)計圖紙如圖2所示。其中圖2(c)為圖2(a)的加載器局部剖視圖，利用螺旋絞龍的旋轉(zhuǎn)將物料拋向切割器，而秸稈物料則在物料槽內(nèi)形成渦流，不斷涌向切割器。

傳統(tǒng)秸稈物料行進喂入切割器只需保證秸稈物料行進速度與收獲機械行走速度相同即可，而本文設(shè)計的秸稈物料喂入切割器需要依靠螺旋絞龍的旋轉(zhuǎn)運動將秸稈物料拋向切割器，由于秸稈物料與物料槽及它們之間的相互碰撞等因素，使得分析秸稈物料速度的過程變得相對復(fù)雜。本文利用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[19-22]及牛頓力學(xué)運動方程，可以獲取桿狀秸稈的平動和轉(zhuǎn)動方程

(1)

式中：mj——桿狀秸稈質(zhì)量，kg；

Vj——桿狀秸稈線速度，m/s；

Ij——為秸稈轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

ωj——轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；

Mt,j——切向碰撞力產(chǎn)生的力矩，N·m；

Mn,j——法向碰撞力產(chǎn)生的力矩，N·m；

Mr,j——滾動摩擦力矩，N·m；

j——第j個單桿秸稈，取值為任意整數(shù)。

根據(jù)式(1)可以得出，當(dāng)確立某一時刻的桿狀秸稈線速度Vj，其合力即可求出，相應(yīng)的設(shè)定了秸稈轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)動角速度，其合力矩即可求出，將獲取的數(shù)據(jù)代入式(1)進行反復(fù)迭代，最終可求取某處單根桿狀秸稈的速度及位置。為簡化求解桿狀秸稈的臨界速度，設(shè)定單根桿狀秸稈處于加載器的某一級螺旋葉片上，如圖3所示。

(a) 供料機構(gòu)主視圖

(b) 供料機構(gòu)左視圖

(c) 局部剖視圖圖2 加載器示意圖Fig. 2 Loader diagram

(a) 桿狀顆粒受力簡化圖

(b) 脫離過程圖3 簡化秸稈受力圖及過程分析Fig. 3 Simplified straw stress diagram and process analysis

將桿狀秸稈之間的摩擦力和碰撞力等折算為空氣粘滯力Fn，當(dāng)桿狀秸稈與螺旋面之間的靜摩擦力fj大于空氣粘滯力Fn時，加載器角速度超過臨界角速度，此時，桿狀秸稈的離心力Fn>Fn+fj，秸稈向螺旋葉片邊緣運動，由于運動開始之后的動摩擦力小于靜摩擦力，故秸稈做加速運動，最終脫離螺旋葉片獲得相對全局坐標(biāo)系的速度，其脫離過程如圖3(b)所示。為求解桿狀秸稈臨界速度，設(shè)定桿狀秸稈處于螺旋絞龍的半徑為r處,靜摩擦系數(shù)為ξ，根據(jù)上述分析可以得到

(2)

fj=ξ·mgcosθ-ξ·FL

(3)

在臨界速度時，設(shè)定fj=Fn，則有

(4)

ω>12.94 rad/s=123.57 r/min

(5)

為保證桿狀秸稈擁有足夠的初速度，將加載器的轉(zhuǎn)速范圍控制在300～500 r/min(31.41～52.36 rad/s)。

1.2 振動臺設(shè)計

切割器相關(guān)的振動分別為行駛時地面理想激振(不包含發(fā)動機振動)，行駛且不切割時的各位置振動(包含發(fā)動機振動)，行駛并切割時的各位置振動(包含發(fā)動機、切割器及各傳動部件振動)[23-24]。本文設(shè)計的振動臺僅需滿足行駛時的理想地面激振條件。根據(jù)文獻[25]規(guī)定的車輛受激振頻率的表達式

fv=fn·v

(6)

式中：fv——車輛受到的激振頻率；

fn——路面不平度的空間頻率；

v——車輛行駛速度。

設(shè)定收獲機械高速作業(yè)的行駛速度為3.6 km/h，取推薦頻率上限fn=10 Hz，即可獲取收獲機械的受激振頻率亦為10 Hz。

依據(jù)文獻[26]測得收獲機械行駛時底盤機架上最大的加速度均方根為13.48 m/s2，本文設(shè)計的振動臺其最大激振加速度取為20 m/s2，此外，收獲田地的不平整度標(biāo)準(zhǔn)差取收獲機械田間作業(yè)時的最大振動位移幅值30 mm。為節(jié)省測試費用，利用質(zhì)量不平衡物體的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動產(chǎn)生振動源，本文選取機械式振動發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(a) 振動臺組成圖

(b) 振動臺實物圖圖4 振動臺Fig. 4 Vibration table1.底座框架 2.啟振機構(gòu) 3.承重板 4.電機5.彈簧 6.套筒

為便于拆裝，振動臺不再采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土基座，要求在減小基座質(zhì)量基礎(chǔ)上加大臺面和基座的剛度。因此，振動臺采用框架聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，安裝部剛度強化，框架間高強鈑金聯(lián)結(jié)，固定框架與底座框架采用多段槽鋼85-2-GB/T707利用高強螺紋緊固件聯(lián)結(jié)，底部使用10 mm熱軋鋼板45-Ⅱ-S-GB/T710聯(lián)接以增加強度；振動彈簧采用碳素彈簧鋼絲20-h11-GB/T342/65Mn-B-GB/T4357淬火回火制成，設(shè)計壽命超過108次；啟振機構(gòu)采用HTD-8M-30-2F系列圓弧齒同步帶輪，噪聲低、壽命長。

1.3 動力機構(gòu)設(shè)計

動力機構(gòu)由固定于支架上的電機、動態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器和動力輸出軸組成，如圖5所示。由于動力機構(gòu)整體比較沉重，為便于搬運，在支架下加裝帶有剎車部件的萬向輪，測試時踩下剎車固定，如有條件亦可使用預(yù)埋固定孔安插定位釘進行進一步固定[27-28]。而對于動態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器來說，由于對同軸度要求很高且徑向力耐受能力較差，因此，在電機輸出軸與轉(zhuǎn)矩傳感器連接處增加聯(lián)軸器，這樣可提升聯(lián)結(jié)剛度又可保護動態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器。

2 測試與數(shù)據(jù)分析

2.1 測試方案

由動態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器和加速度傳感器分別實時檢測切割器負(fù)載情況和振動臺的振動位移，以驗證：(1)平臺是否為切割器提供接近實際工作的模擬工作應(yīng)力；(2)能否暴露切割器相關(guān)故障，使其成為可靠性模擬測試的故障激發(fā)源。

測試對象：收獲機械1WG6.3-110FC-Z，配套功率為6 kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 600 r/min，動力輸出軸與收割機外接動力軸之間減速比為3∶1。該測試過程中，均由動力機構(gòu)向收割機恒定輸出額定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。其物料槽和切割器如圖6所示。

測試材料：高粱莖稈(稈徑：4～8 mm；長度：100～200 mm；含水量：約5%)。由于測試時間為2018年3月，并非收獲季節(jié)，因此使用了已干燥的存儲高粱莖稈；取少量樣品，經(jīng)24 h烘干后，對比烘干前后重量，測得含水量約為5%。此外，由于莖稈沾附夾雜的砂粒和植物體內(nèi)的硅酸體是造成割刀片磨損的主要原因，因此，在高粱秸稈內(nèi)混入砂粒以模擬此種情況。其中：細(xì)砂(細(xì)度模數(shù)為2.2～1.6，平均粒徑為0.35～0.25 mm)；特細(xì)砂(細(xì)度模數(shù)為1.5～0.7，平均粒徑為0.25 mm以下)；經(jīng)多次測試，確定砂粒與莖稈的混合質(zhì)量比為1∶10。

(a) 物料槽

(b) 切割器圖6 物料槽和切割器Fig. 6 Material tank and cutter

測試時間：可靠性測試時間為24 h，每測試12 h更換高粱秸稈1次，設(shè)置轉(zhuǎn)矩傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集率分別為10 Hz和100 Hz，裝載前后試驗平臺如圖7所示。

(a) 裝載前試驗平臺

(b) 裝載后試驗平臺圖7 測試平臺Fig. 7 Test platform

2.2 測試數(shù)據(jù)

為測試收獲機械空載狀態(tài)下的切割轉(zhuǎn)矩，以及保證收獲機械的最大激振振幅達到30 mm，設(shè)置振動臺振動頻率分別為0 Hz及4.12 Hz，利用變頻器調(diào)節(jié)螺旋絞龍轉(zhuǎn)速使其保持在一定的轉(zhuǎn)速下，模擬收獲機械在田間行走的實際收獲速度。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下的切割轉(zhuǎn)矩Fig. 8 Cutting torque at different speeds

由圖8可以看出，隨著螺旋絞龍轉(zhuǎn)速的提高，動力輸出軸上轉(zhuǎn)矩也在不斷提高。螺旋絞龍轉(zhuǎn)速的提高可驅(qū)動秸稈物料向割刀運動的數(shù)量增加，這代表了收獲機械在田間收獲時的行走速度在不斷增大，收獲速度的增加，必然引起動力輸出裝置輸出轉(zhuǎn)矩的增大。本文取1 min采集數(shù)據(jù)的平均值，對其進行連線分析，結(jié)果顯示滿足上述分析過程。對于振動臺0 Hz時的情況，數(shù)據(jù)的波動主要由動力輸出機構(gòu)自身的振動造成，這也是收獲機械克服自身阻轉(zhuǎn)矩的啟動過程。

此外，根據(jù)文獻[29]規(guī)定的模擬實驗方案設(shè)計，記錄各種故障對應(yīng)出現(xiàn)和修復(fù)時間，如表1所示。利用表1分別計算出首次故障前作業(yè)時間、故障間隔時間和有效度。

表1 測試故障記錄Tab. 1 Test failures recording

從表1可以看出首次故障前作業(yè)時間為18 h。對于單一樣機實驗而言，故障出現(xiàn)3次，可明顯觀察出故障間隔時間為2 h。由于有效度是指可維修產(chǎn)品在規(guī)定的條件下使用時，某時刻具有或維持其功能的概率，也就是產(chǎn)品正常工作的概率，而對于不可維修產(chǎn)品，有效度等效于可靠度。其計算公式

(7)

式中：K——有效度；

TO i——第i臺樣機累積作業(yè)時間，h；

TG i——第i臺樣機累積維護時間，h。

經(jīng)計算，本文測試樣機其有效度達95.62%。很明顯，維護所用時間越少，設(shè)計與生產(chǎn)時固化在產(chǎn)品中的可靠性越高，反之，可靠性越差。

3 結(jié)論

為提高小型農(nóng)業(yè)收獲機械在適應(yīng)丘陵山區(qū)作業(yè)時的可靠性，克服田間測試時，測試周期長、數(shù)據(jù)采集不方便、物料消耗大及參與人員較多的不利因素，本文在實驗室環(huán)境下搭建了基于螺旋絞龍的連續(xù)物料供應(yīng)機構(gòu)、模擬田間行駛路面的振動臺機構(gòu)以及為割臺提高動力的動力輸出機構(gòu)，并對此三部分進行了詳細(xì)的設(shè)計說明。而對于試驗平臺的控制部分，本文未做詳述。從試驗結(jié)果來看，所設(shè)計的試驗平臺能很好地消除實際田間測試帶來的不利因素且能完整的模擬收獲機械的田間實際收獲過程。此外，根據(jù)試驗過程中的故障記錄，可有效評估收獲機械的有效度，測試樣機其有效度達95.62%。當(dāng)然，此試驗平臺也可適用于不同類型收獲機械的可靠性測試。就目前測試平臺的數(shù)據(jù)，可以有效預(yù)測切割器故障產(chǎn)生的可能性，這種預(yù)測可為小型收獲機械的前期測試提供一定的參考。而對于切割器實際田間的工作可靠性，受各方面的影響因素過多，如測試對象桿徑強度的季節(jié)性影響、操作人員的失誤碰撞等，同一型號多個小型收獲機械其可靠性也會存在差異，所以本文主要目的是根據(jù)試驗過程中的故障記錄，來有效評估收獲機械的有效度，亦可為產(chǎn)品的優(yōu)化、定型等提供切實可行的試驗數(shù)據(jù)。