柴油機(jī)中曲軸的振動(dòng)對(duì)簡(jiǎn)易打麻機(jī)的影響分析

朱炯光 郭克君

摘要： 滾筒式打麻輥是簡(jiǎn)易苧麻剝麻機(jī)的核心部件，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要作用是將喂入的苧麻條麻骨打碎。柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)造成打麻輥的疲勞壽命和工作性能大幅降低。在這個(gè)過程中，打麻輥中緊固L型刀片的螺栓受影響最大。螺栓松動(dòng)會(huì)造成L型刀片松動(dòng)甚至脫落導(dǎo)致機(jī)器嚴(yán)重受損。為解決上述問題，本文研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)機(jī)理，建立合適的振動(dòng)模型，運(yùn)用MATLAB分析振型提出改進(jìn)方案，最后通過樣機(jī)試驗(yàn)來驗(yàn)證方案的可行性。

Abstract： Drum type ramie beating roller is the core component of simple ramie stripping machine， driven by diesel engine， the main role is to feed ramie strip bone broken. The fatigue life and working performance of the roll are greatly reduced due to the mechanical vibration of the diesel engine. In this process， the bolts fastening the L-shaped blade in the hemp roll are most affected. Loose bolts may cause l-shaped blades to loose or even fall off， resulting in serious damage to the machine. In order to solve the above problems， this paper studies the vibration mechanism of diesel engine， establishes a suitable vibration model， uses MATLAB to analyze the vibration mode and puts forward an improvement scheme， and finally verifies the feasibility of the scheme through prototype test.

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī);打麻輥;機(jī)械振動(dòng);建模;仿真分析

Key words： diesel engine;scutching roller;mechanical vibration;modeling;simulation analysis

中圖分類號(hào)：TK429 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0044-03

0 ?引言

苧麻是我國重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物，其剝制加工一直是制約苧麻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸之一[1]。目前，國內(nèi)苧麻剝麻機(jī)以滾筒式為主[2]。1991年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所研制出6BM-350型滾筒式剝麻機(jī)。2005年，四川省達(dá)州市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制出一種滾筒式苧麻打麻機(jī);湖南省洗江市新安鄉(xiāng)農(nóng)機(jī)廠研制出6BM-32型麻滾筒式剝麻機(jī)[3-4]。2007年，涪陵農(nóng)業(yè)機(jī)械局設(shè)計(jì)出FL-235型復(fù)刮式苧麻雙滾筒反拉剝麻機(jī)。打麻滾筒（如圖2（a）所示）是以上幾種剝麻機(jī)的核心部件，其工作質(zhì)量和壽命決定了剝麻的效果。打麻滾筒通常由固定盤、短軸、長(zhǎng)軸、L型刀片組成。L型刀片通過螺栓連接到固定盤上（如圖2（b）所示）。當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，會(huì)使螺栓松動(dòng)會(huì)造成L型刀片斷折，打麻機(jī)將損壞。

為解決這個(gè)問題，本文根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理提前對(duì)柴油機(jī)的曲軸進(jìn)行振動(dòng)分析，然后用MATLAB計(jì)算的分析結(jié)果并應(yīng)用在樣機(jī)（如圖1所示）中，最后通過試驗(yàn)來驗(yàn)證振動(dòng)分析的結(jié)果。

1 ?簡(jiǎn)易打麻機(jī)與滾筒式打麻輥

簡(jiǎn)易打麻機(jī)主要由打麻滾筒、柴油機(jī)、齒輪箱、喂料口、機(jī)架、箱體組成。該套旋轉(zhuǎn)式苧麻剝麻機(jī)采用目前較為成熟的雙滾筒剝麻形式，上下滾筒的L型刀片相互交錯(cuò)，間距可通過更換不同預(yù)制孔位的刮板來調(diào)整。工作時(shí)柴油機(jī)通過皮帶和齒輪組帶動(dòng)兩對(duì)刮板滾筒相向轉(zhuǎn)動(dòng)?？赏ㄟ^柴油機(jī)上的油門及調(diào)速撥片控制轉(zhuǎn)速。

剝麻機(jī)的工作原理是利用相向轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒將喂入的麻桿帶入上下刮板間交錯(cuò)的空隙，從而使麻桿多次彎折、碾壓并折碎麻骨。之后人工反拉麻桿，使刮板反向刮擦麻纖維上粘連的碎骨，刮離麻骨保留麻纖維，達(dá)到脫麻去骨的目的。

簡(jiǎn)易打麻機(jī)的核心部件為打麻滾筒（如圖2所示）。打麻滾筒由固定盤、短軸、長(zhǎng)軸、L型刀片組成。兩個(gè)打麻滾筒通過一對(duì)嚙合齒輪連接，其中一個(gè)打麻滾筒和柴油機(jī)通過長(zhǎng)軸連接。當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)會(huì)帶動(dòng)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后長(zhǎng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終兩個(gè)打麻滾筒會(huì)相向轉(zhuǎn)動(dòng)。

L型刀片是通過螺栓緊固在固定盤上。通過放大圖（如圖（2）b所示）可清晰看到其連接結(jié)構(gòu)?？紤]到是打麻過程中L型刀片高頻次碰撞麻條會(huì)導(dǎo)致其損耗，長(zhǎng)時(shí)間工作后刀片不能正常作業(yè)，需采用螺栓連接的方式便于更換。

2 ?滾筒的機(jī)械振動(dòng)分析

2.1 滾筒的參數(shù)

滾筒的總體尺寸是參照麻條的長(zhǎng)度和一次喂入麻條根數(shù)設(shè)計(jì)出來的，固定盤（材料為Q235）的直徑為130mm，長(zhǎng)軸（材料為45鋼）的總長(zhǎng)為625mm，短軸為500mm。通過試制樣機(jī)，使用正交試驗(yàn)法[5]確定了其中各部件的大小，如L型刀片規(guī)格為40mm×40mm（材料為不銹鋼）。

2.2 柴油機(jī)的參數(shù)

該柴油機(jī)的參數(shù)：型式為單缸、立式、四沖程、風(fēng)冷、直沖式;啟動(dòng)方式為電啟動(dòng);缸徑×行程為78×62mm，壓縮比為20;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0-3600r/min。

2.3 柴油機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)分析

柴油機(jī)中的曲柄連桿是引起滾筒產(chǎn)生振動(dòng)的來源。一根扭轉(zhuǎn)、彎曲并縱向具有彈性的曲軸以及曲軸組件的各個(gè)質(zhì)量體構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在交變作用力、交變力矩和交變彎矩作用下會(huì)受到激發(fā)而振動(dòng)[6]。該振動(dòng)方程為：

2.3.2 受迫振動(dòng)下的激發(fā)力矩

當(dāng)柴油機(jī)在工作時(shí)，激發(fā)力矩FE（t）是由慣性力、氣體作用力、以及傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)變化的負(fù)荷力矩組成，會(huì)使往復(fù)活塞式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸連桿機(jī)構(gòu)受到激發(fā)而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。振幅即曲柄連桿機(jī)構(gòu)的彈性、動(dòng)態(tài)扭矩變形會(huì)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相疊加。疊加態(tài)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方程可以使用傅里葉級(jí)數(shù)簡(jiǎn)化表達(dá)，如公式（6）所示。

簡(jiǎn)諧階數(shù)越高，簡(jiǎn)諧力矩的振幅越小，相應(yīng)地對(duì)扭振影響越小，所以對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般只考慮階數(shù)i？燮6的簡(jiǎn)諧力矩。設(shè)φ=180°，360°，540°，720°，通過轉(zhuǎn)速可知其為89rad/s，使用MATLAB求解i？燮6的簡(jiǎn)諧力矩，如圖5所示。

3 ?分析振動(dòng)對(duì)簡(jiǎn)易打麻機(jī)的影響

圖4表明柴油機(jī)的機(jī)械振動(dòng)是存在的，圖中顯示了柴油機(jī)的曲軸在自由振動(dòng)的情況下，其振幅從初始達(dá)到峰值，然后隨著時(shí)間遞減，在180s之后基本沒有了振動(dòng)。這符合自由振動(dòng)的規(guī)律，由于沒有外力，振動(dòng)會(huì)隨時(shí)間減小直至停止。根據(jù)公式（5），得到了曲軸的固有頻率，意味著在調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，要避免轉(zhuǎn)速接近固有頻率，否則會(huì)引起共振，極大地?fù)p壞設(shè)備。轉(zhuǎn)速和頻率之間的轉(zhuǎn)換如公式（7）所示：

圖5的激發(fā)力矩FE（t）及其諧波分量圖表明了柴油機(jī)在工作時(shí)一定會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。這個(gè)機(jī)械振動(dòng)對(duì)簡(jiǎn)易打麻機(jī)中打麻滾筒的影響最大，尤其是打麻滾筒中緊固L型刀片的螺栓。

簡(jiǎn)易打麻機(jī)的機(jī)架采用焊接成為一個(gè)整體，穩(wěn)固性較好，受機(jī)械振動(dòng)較小。簡(jiǎn)易打麻機(jī)為了便于移動(dòng)，在底座安裝了個(gè)鼓輪，機(jī)架和車輥輪的連接處不是一個(gè)整體，受機(jī)械振動(dòng)較大。滾筒式打麻輥在工作過程中受自身轉(zhuǎn)動(dòng)、打麻的反作用力、柴油機(jī)的機(jī)械振動(dòng)的混合影響，所以柴油機(jī)的激發(fā)力矩對(duì)滾筒式打麻輥影響最大。為了便于更換L型刀具，采用螺栓連接的方式緊固，但這也帶來風(fēng)險(xiǎn)。柴油機(jī)的激發(fā)力矩作用在螺栓上，如果不采取防振動(dòng)措施，極有可能會(huì)出現(xiàn)螺栓松動(dòng)（一種情況是松動(dòng)、另一種情況是螺紋受損，產(chǎn)生滑絲）導(dǎo)致L型刀片脫落。脫落的刀片會(huì)碰撞其他刀片，造成其他L型刀片嚴(yán)重變型，造成機(jī)器嚴(yán)重?fù)p壞。

通過深入研究柴油機(jī)的振動(dòng)機(jī)理和對(duì)簡(jiǎn)易打麻機(jī)造成的最大影響，提出以下減小振動(dòng)危害的方案。

①使用合適的轉(zhuǎn)速。不要使用共振轉(zhuǎn)速，在調(diào)整轉(zhuǎn)速時(shí)，要迅速越過共振轉(zhuǎn)速，不要在共振轉(zhuǎn)速位置停留過久。

②對(duì)螺栓進(jìn)行防止松動(dòng)處理。一種方案是使用質(zhì)量較好的彈性墊片增大螺栓的接觸面進(jìn)行防滑，一種是加大預(yù)緊力，使螺栓不易松動(dòng)。

③對(duì)曲軸和滾筒做處理，比如安裝扭轉(zhuǎn)振動(dòng)阻尼器和吸收器，這些裝置會(huì)降低相關(guān)頻率的范圍內(nèi)的振動(dòng)振幅，從而限制振動(dòng)應(yīng)力，起到降低磨損和改善舒適性的作用。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)阻尼器將動(dòng)能變?yōu)闊崮?，其?nèi)部有彈性元件、高粘度硅油，將振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能然后通過散熱排出去，達(dá)到減振的目的。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)吸收器產(chǎn)生一個(gè)與激發(fā)力矩方向相反的慣性力矩，不是像阻尼器消耗能量，而是將能量大部分傳給連接的振動(dòng)吸收系統(tǒng)。這種裝置主要由扭轉(zhuǎn)彈簧組成，扭轉(zhuǎn)彈簧的高應(yīng)力限制了振動(dòng)吸收器的，簡(jiǎn)易和阻尼器一塊使用。

4 ?試驗(yàn)和總結(jié)

本文通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證分析和方案的正確性和可靠性。由于打麻滾筒受振動(dòng)影響大，以螺栓松動(dòng)的程度來衡量振動(dòng)影響的大小，由于是破壞性試驗(yàn)，僅做了4組試驗(yàn)，每組一種參數(shù)不同。

第一組轉(zhuǎn)速是72.4r/min，螺栓分有無彈簧墊片，預(yù)緊力較大;第二組轉(zhuǎn)速是72.4r/min，有彈簧墊片，但預(yù)緊力一個(gè)剛好，一個(gè)較大。第三組轉(zhuǎn)速是850r/min，螺栓分有無彈簧墊片，預(yù)緊力較大;第四組850r/min，螺栓有彈簧墊片，但預(yù)緊力預(yù)緊力一個(gè)剛好，一個(gè)較大。

通過做這4組試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了：①在共振轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)發(fā)出的噪聲和振動(dòng)瞬間增大，沒有彈簧墊片的螺栓很快開始松動(dòng)，有彈簧墊片的螺栓，預(yù)緊力不足也會(huì)在一段時(shí)間后，螺栓產(chǎn)生松動(dòng)。（為了安全，工作一段時(shí)間后，停機(jī)檢測(cè)螺栓松動(dòng)程度）。②當(dāng)轉(zhuǎn)速上升后，柴油機(jī)工作時(shí)沒有產(chǎn)生如在共振轉(zhuǎn)速下的大噪音和振動(dòng)，但同樣的條件下，螺栓松動(dòng)變的更快，原因時(shí)振動(dòng)的振幅變大，但在有彈簧墊圈和較大預(yù)緊力下，螺栓幾乎沒有松動(dòng)。之所以沒有做增加阻尼器的試驗(yàn)，是因?yàn)槌杀締栴}，如果通過簡(jiǎn)單改變機(jī)械結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)減振，那么就增加阻尼器就不是必需的了。

本文通過對(duì)柴油機(jī)的振動(dòng)機(jī)理入手，建立合理的振動(dòng)模型，先通過自然振動(dòng)模型得到曲軸的固有頻率，其次再通過強(qiáng)迫振動(dòng)模型分析對(duì)簡(jiǎn)易打麻機(jī)的各部位影響情況，然后對(duì)影響最大的情況提出解決方案，最后通過試驗(yàn)來驗(yàn)證解決方案的正確性和可行性，為解決機(jī)械振動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)的影響提供一種可行的建模分析方法。

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