立式秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架振動(dòng)分析與優(yōu)化

牛國(guó)梁，李斌，劉洋，王濤，王士國(guó)，孫曉曉，董云成

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的不斷發(fā)展，秸稈粉碎還田技術(shù)日趨成熟.立式秸稈粉碎還田機(jī)的機(jī)架是支撐其他重要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，工作時(shí)主要受到刀具的慣性不平衡力、秸稈的沖擊、傳動(dòng)系統(tǒng)以及路面的激勵(lì)等[1]，容易產(chǎn)生共振，嚴(yán)重影響機(jī)具的使用壽命和工作性能，造成關(guān)鍵部件的損壞[2]，所以降低機(jī)架共振和振幅就尤其重要.為了降低農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)研究[3-8].如蔣亞軍等[3]通過對(duì)油菜割曬機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗(yàn)，在機(jī)架原有的基礎(chǔ)上增加了拱門結(jié)構(gòu)，有效避免了機(jī)具共振的產(chǎn)生.李耀明等[4]對(duì)割臺(tái)機(jī)通過計(jì)算割臺(tái)機(jī)架自由模態(tài)，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，指出了振動(dòng)頻率激起模態(tài)振型的規(guī)律.周明剛等[6]通過對(duì)船式拖拉機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，確定優(yōu)化響應(yīng)和靈敏度分析確定設(shè)計(jì)變量，使其機(jī)架的固有頻率低于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率.徐立章等[7]通過對(duì)履帶式全喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)分析和優(yōu)化改進(jìn)，提高了機(jī)具工作的可靠性.Sun等[8]通過建立葉片的動(dòng)態(tài)模型，證明了所設(shè)計(jì)模型的有效性，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)涂層對(duì)葉片的減震效果顯著.

在已有的研究中對(duì)棉花秸稈粉碎還田機(jī)的研究較少，本文針對(duì)秸稈粉碎還田機(jī)振動(dòng)大，易產(chǎn)生共振造成秸稈粉碎合格率低和留茬較高等問題，設(shè)計(jì)了一種立式秸稈粉碎還田機(jī)，并通過有限元方法求解出機(jī)架的模態(tài)參數(shù)，通過模態(tài)試驗(yàn)給予驗(yàn)證.在對(duì)比分析了機(jī)架固有頻率與外部激勵(lì)頻率的基礎(chǔ)上，提出了機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以改善秸稈粉碎還田機(jī)的工作性能，提高整機(jī)的使用壽命，保證其穩(wěn)定性.該研究為降低秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架的振動(dòng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，為同種類型的機(jī)具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過程

以棉花立式秸稈粉碎還田機(jī)(圖1)為研究對(duì)象，適用于新疆寬窄行棉花種植模式660 mm+100 mm.該機(jī)具由拖拉機(jī)通過動(dòng)力輸出萬(wàn)向軸將動(dòng)力經(jīng)離合器傳遞給變速箱，通過變速箱變速并改變傳動(dòng)方向后帶動(dòng)機(jī)殼內(nèi)的切割刀盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在動(dòng)刀、定刀和機(jī)架相互作用下產(chǎn)生較大的切割力來切碎秸稈，切割刀盤的高速旋轉(zhuǎn)使被切和待切的秸稈隨刀盤旋轉(zhuǎn)并被不斷重復(fù)切割，最終被均勻拋撒至田間.

1：仿行輪；2：機(jī)架；3：吊環(huán)；4：懸掛架；5：支撐座；6：摩擦離合器；7：超越離合器；8：變速箱；9：切割刀盤；10：動(dòng)刀；11：定刀.

2 秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架有限元建模與分析

2.1 機(jī)架有限元模型的建立

整個(gè)機(jī)架長(zhǎng)2000 mm，寬1850 mm，高290 mm，機(jī)架主體由主板、斜梁、縱梁、橫梁和側(cè)護(hù)板以焊接和螺栓固定的方式連接而成，材料采用Q345低碳結(jié)構(gòu)鋼成型的方鋼及鋼板，厚度為6 mm.使用SolidWorks對(duì)機(jī)架進(jìn)行建模，將其改為.x_t格式導(dǎo)入workbench中進(jìn)行有限元模態(tài)分析.

在滿足計(jì)算精度前提下簡(jiǎn)化為：不考慮焊接對(duì)機(jī)架振動(dòng)特性的影響；直徑小于10 mm的工藝孔忽略不計(jì)；直徑小于10 mm的倒角和過渡圓角都簡(jiǎn)化成直角；忽略不重要區(qū)域的孔和小尺寸結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)化對(duì)機(jī)架力學(xué)性能影響不大的板件(圖2)[9-10].

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

1：斜梁1；2：橫梁1；3：縱梁1；4：側(cè)護(hù)板1；5：橫梁2；6：主板；7：縱梁2；8：側(cè)護(hù)板2；9：斜梁2.

將三維模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11].在workbench仿真軟件中，設(shè)置單元屬性為Solid187，網(wǎng)格類型為四面體，單元尺寸15 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為367 351，單元數(shù)為185 305，機(jī)架材料Q345，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為345 MPa.網(wǎng)格劃分后的Skewness平均值為0.497 54，通過表2可知網(wǎng)格劃分質(zhì)量等級(jí)為Very good[12-13]，達(dá)到了計(jì)算的精度要求.

表2 偏度質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 模態(tài)計(jì)算分析

模態(tài)分析可以用來了解機(jī)架的振動(dòng)特性，分析機(jī)架的固有頻率和振型云圖，為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化提供依據(jù)[14].在結(jié)構(gòu)振動(dòng)中，低階振型決定機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)合秸稈粉碎還田機(jī)工作的實(shí)際情況取機(jī)架的前4階非零模態(tài)進(jìn)行分析[15-16].自由模態(tài)分析是模態(tài)分析的重要組成部分，可以確定機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)時(shí)機(jī)架狀態(tài)，因此在對(duì)機(jī)架的模態(tài)分析中采用自由模態(tài)邊界支撐，保證模型在各個(gè)方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均沒有約束，忽略外部載荷作用[17].把劃分網(wǎng)格后的機(jī)架有限元模型在workbench仿真軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)置其解算方法為L(zhǎng)anczons，求解得到前4階非零模態(tài)分析的固有頻率及對(duì)應(yīng)振型云圖(圖3).

圖3 計(jì)算模態(tài)的固有頻率及振型云圖

由機(jī)架的前4階振型云圖可以看出一階、二階、三階、四階最大位移分別為3.649、5.1814、14.277、16.866 mm.機(jī)架的變形有彎曲、擺動(dòng)、扭曲、凸起和凹陷，主要出現(xiàn)在主板和側(cè)護(hù)板1的位置.其主要原因是機(jī)架中間為薄弱位置、無支撐結(jié)構(gòu)、重心集中且易變形，側(cè)護(hù)板1幾乎包圍整個(gè)主板，跨度較大，無支撐，剛度小且易變形.

3 機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)可確定機(jī)架的固有頻率、阻尼比、模態(tài)形狀、模態(tài)參數(shù)和模態(tài)質(zhì)量，通過模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證有限元模態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)分析是否有效[18].

3.1 模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備和過程

錘擊法是研究和改進(jìn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要途徑[19-20]，利用移動(dòng)力錘、多參考點(diǎn)的雙向多輸入多輸出法人工激勵(lì)機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)[21].機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)共有3部分組成：力錘、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模態(tài)分析處理系統(tǒng)，力錘錘頭選用尼龍錘頭，所用的設(shè)備如表3所示.

表3 模態(tài)試驗(yàn)主要設(shè)備

用有鋼絲繩和彈簧將機(jī)架吊起，保證機(jī)架在自由狀態(tài)下平衡懸置在空中.在機(jī)架上布置相應(yīng)的激振點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)，將三軸加速度傳感器固定在測(cè)點(diǎn)處，移動(dòng)力錘激勵(lì)激振點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)由動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)的處理，得到系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)，通過模態(tài)分析系統(tǒng)處理，得到機(jī)架的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)，模態(tài)試驗(yàn)的基本原理如圖4所示.

圖4 模態(tài)試驗(yàn)基本原理圖

3.2 激振點(diǎn)選擇與測(cè)點(diǎn)布置

3.2.1 激振點(diǎn)選擇 激振點(diǎn)應(yīng)避開支撐點(diǎn)，不能靠節(jié)點(diǎn)或者節(jié)線太近，以保證系統(tǒng)的可辨識(shí)性[22].秸稈粉碎還田機(jī)主板承載著傳動(dòng)裝置所有質(zhì)量，側(cè)護(hù)板對(duì)秸稈粉碎還田機(jī)起到支撐保護(hù)作用，經(jīng)過多次重復(fù)性試驗(yàn)，最終確定3個(gè)激振點(diǎn)，激振點(diǎn)1選在安裝傳動(dòng)系統(tǒng)位置的下方(豎向)，激振點(diǎn)2選在安裝傳動(dòng)系統(tǒng)位置的上方(豎向)，激振點(diǎn)3選在機(jī)架的側(cè)板上(橫向)，通過3次數(shù)據(jù)采集和參數(shù)識(shí)別保證數(shù)據(jù)的可靠性，錘擊過程避免連擊.試驗(yàn)采用自由激振方式，用四根鋼絲繩和一根彈簧將機(jī)架懸掛使機(jī)架處于自由狀態(tài)，激振點(diǎn)位置、方向及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示.

1：彈簧；2：鋼絲繩；3：秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架；4：三軸加速度傳感器；5：力錘；6：數(shù)據(jù)采集儀；7：動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)；a：激振點(diǎn)1；b：激振點(diǎn)2；c：激勵(lì)點(diǎn)3.

3.2.2 測(cè)點(diǎn)布置 測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)盡量選在激振力作用點(diǎn)、重要響應(yīng)點(diǎn)和所測(cè)部件與其他外連部件的連接處等位置，所有測(cè)點(diǎn)連在一起應(yīng)可以完全顯示機(jī)架的整體形狀[23].在模態(tài)試驗(yàn)中所建立的模型結(jié)構(gòu)如圖6所示，共68個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖中的節(jié)點(diǎn)位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)3個(gè)方向，在模態(tài)試驗(yàn)中布置204個(gè)測(cè)點(diǎn)，較好的定義了機(jī)架的輪廓形狀.

圖6 模態(tài)試驗(yàn)中的模型結(jié)構(gòu)圖

3.3 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

將DASP動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)采集的頻響信號(hào)導(dǎo)入DASP模態(tài)分析軟件中，對(duì)力信號(hào)添加力窗，為響應(yīng)信號(hào)添加指數(shù)窗；使用FFT將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)[24]；最后用PolyIIR算法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，分析出機(jī)架的前17階的試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率和振型，現(xiàn)在只表示出前非零四階的試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率和振型，如圖7所示.

圖7 試驗(yàn)?zāi)B(tài)的固有頻率及對(duì)應(yīng)振型云圖

3.4 機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)的振型相關(guān)性校驗(yàn)

采用頻率響應(yīng)函數(shù)合成和模態(tài)置信度標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)證模態(tài)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[23].通過檢驗(yàn)?zāi)B(tài)的振型相關(guān)性，得到模態(tài)置信準(zhǔn)則直方圖和模態(tài)置信準(zhǔn)則數(shù)值顯示圖，當(dāng)模態(tài)置信準(zhǔn)則數(shù)值為1時(shí)，2個(gè)模態(tài)振型向量相關(guān)性較大[21].由圖8～9可知，機(jī)架各階模態(tài)之間滿足正交性，模態(tài)置信準(zhǔn)則直方圖對(duì)角線上的階次模態(tài)置信準(zhǔn)則數(shù)值都為1，說明不同階次的模態(tài)振型正交性較好，試驗(yàn)?zāi)B(tài)的結(jié)果可信性高.

MAC代表模態(tài)置信準(zhǔn)則.

3.5 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

模態(tài)試驗(yàn)的頻率數(shù)值和有限元模態(tài)分析的頻率數(shù)值比較如表4所示，有限元模態(tài)分析頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析頻率最大誤差為4.18%，誤差較小，建立的有限元模型合理.

圖9 模態(tài)置信準(zhǔn)則數(shù)值顯示圖

表4 有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比

4 外部激勵(lì)頻率分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 外部激勵(lì)頻率分析

對(duì)秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化之前要確保外部對(duì)機(jī)架的激勵(lì)頻率和機(jī)架的固有頻率不一致，避免發(fā)生共振.秸稈粉碎還田機(jī)受到的外部激勵(lì)主要有路面、切割裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等帶來的刺激.外部刺激所帶來的激振頻率如下：

1)機(jī)架受到的道路激勵(lì)一般由道路自身?xiàng)l件決定的，在城市平坦路面、鄉(xiāng)村道路和田地間，激振頻率低于3 Hz[1].

2)在實(shí)際工作中拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速為1 600～1 800 r/min，激振頻率計(jì)算公式為：f=n/60(f為頻率，Hz；n為轉(zhuǎn)速，r/min)，得到激振頻率為26.67～30 Hz.

3)傳動(dòng)系統(tǒng)的激振頻率主要由拖拉機(jī)給的動(dòng)力引起的，動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速為720 r/min種，其激振頻率為12 Hz.

4)切割裝置的激振頻率主要是由動(dòng)刀的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的，測(cè)得動(dòng)刀軸的轉(zhuǎn)速為1 384 r/min，其激振頻率為23.07 Hz.

與有限元模態(tài)分析頻率對(duì)比分析可以得出：秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架的第1階頻率11.641 Hz與動(dòng)力輸出軸的激振頻率12 Hz緊相差0.359 Hz，其他階次的頻率均在允許范圍之外.在秸稈粉碎還田機(jī)工作時(shí)由于傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)的影響容易引起共振，需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

4.2 機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了調(diào)整機(jī)架的固有頻率避開拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率范圍，以盡量小的改變機(jī)架整體重量為前提，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.根據(jù)機(jī)架的有限元模態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果可以看出，變形最大的是機(jī)架的中間部位和機(jī)架的側(cè)板.在機(jī)架的中間部位下方安裝一個(gè)小型支撐架；在側(cè)板的下方焊接一塊鋼板，并增加一個(gè)配重板，對(duì)側(cè)板起到穩(wěn)定作用；另外選擇機(jī)架上六根梁的截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，機(jī)架優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖10所示.為了驗(yàn)證優(yōu)化后機(jī)架的模態(tài)性能，重新對(duì)機(jī)架進(jìn)行自由狀態(tài)下有限元模態(tài)分析，機(jī)架前4階有限元模態(tài)的固有頻率及振型云圖(圖11).機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的相關(guān)變量如表5所示.

1：鋼板；2：配重板；3：支撐架.

圖11 優(yōu)化后有限元模態(tài)的固有頻率及振型云圖

表5 機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的相關(guān)變量

可以看出優(yōu)化后的機(jī)架有限元模態(tài)一階頻率由11.612 Hz增加到16.19 Hz，其他三階頻率也分別增加到38.699、68.804和98.698 Hz，完全避開了秸稈粉碎還田機(jī)工作時(shí)受到外界影響的頻率范圍，有效避免了共振的發(fā)生.

4.3 機(jī)架優(yōu)化后靜應(yīng)力分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的機(jī)架質(zhì)量，對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜應(yīng)力分析.為了消除機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛體移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足有限元求解的必要條件是定義合理的邊界條件.根據(jù)機(jī)架的安裝情況及在作業(yè)中的受力情況，對(duì)機(jī)架后端與仿行輪連接處施加Z方向的零位移約束，對(duì)機(jī)架前段與拖拉機(jī)連接處施加Z方向的零位移約束，以限制這2個(gè)部位在Z方向的平動(dòng).

在工作中，機(jī)架除了受到自身重力作用外，還受到其他執(zhí)行部件的重力載荷.通過SolidWorks軟件對(duì)各零部件分別賦予材料屬性獲取其重量，在機(jī)架響應(yīng)的部位施加載荷，進(jìn)行靜力學(xué)分析，機(jī)架受到各零部件的重量、載荷及載荷類型如表6所示.機(jī)架靜應(yīng)力分析變形云圖和應(yīng)力云圖如圖12所示.

表6 靜應(yīng)力分析中各零部件重量、載荷及施加方式

圖12 機(jī)架靜應(yīng)力分析云圖

由機(jī)架應(yīng)力云圖可以看出機(jī)架中部安裝傳動(dòng)裝置和切割裝置的位置變形量最大，變形尺寸為0.288 mm，最大應(yīng)力為86.189 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，所以機(jī)架優(yōu)化后滿足強(qiáng)度要求.

5 田間試驗(yàn)

2019年10月27日，在新疆新湖農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，粉碎的棉花品種為新陸早45號(hào)，拖拉機(jī)的前進(jìn)速度為3 m/s，測(cè)得棉花秸稈平均含水率為38.6%，土壤含水率為17.1%，棉花秸稈平均質(zhì)量為794.625 kg/hm2.田間試驗(yàn)結(jié)果：留茬平均高度為77.71 mm，秸稈拋撒不均勻度為24.45%，秸稈粉碎合格率為91.41%.改進(jìn)前機(jī)架振動(dòng)明顯，秸稈粉碎合格率為89.21%、留茬平均高度為81.25 mm、秸稈拋撒不均勻度為28.69%，均沒有達(dá)到秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24675.6-2009的有關(guān)規(guī)定.改進(jìn)后的機(jī)架振動(dòng)明顯減弱，秸稈粉碎質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，留茬整齊，機(jī)具作業(yè)效率明顯提高.田間試驗(yàn)效果如圖13所示.

圖13 田間試驗(yàn)

6 結(jié)論

通過對(duì)立式秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架的有限元模態(tài)分析、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和田間試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1) 通過SolidWorks軟件建立了秸稈粉碎還田機(jī)機(jī)架的三維模型，簡(jiǎn)化后通過workbench求解出機(jī)架的前四階模態(tài)頻率和振型，并通過有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比，兩者頻率最大誤差為4.18%，誤差較小，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性.

2) 通過對(duì)有限元和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得出機(jī)架的第一階固有頻率11.612 Hz與動(dòng)力輸出軸的激振頻率12 Hz相接近，在秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)過程中容易引起共振，因此對(duì)機(jī)架的各梁厚度增加1 mm、在機(jī)架的中間部位下方安裝一個(gè)小型支撐架、并焊接一塊鋼板和配重板，質(zhì)量增加11.64 kg，體積增加1.204 dm3，一階頻率由11.612 Hz增加到16.19 Hz，完全避開了秸稈粉碎還田機(jī)工作時(shí)受到外界影響的頻率范圍，有效避免了共振的發(fā)生.通過對(duì)優(yōu)化后的機(jī)架進(jìn)行靜應(yīng)力分析得出最大變形位置變形量為0.288 mm，最大應(yīng)力為86.189 MPa，滿足強(qiáng)度要求.