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)研究

賀崢崢

（舟山技師學(xué)院，浙江 舟山 316000）

當(dāng)前，在農(nóng)作物收割過程中，履帶式聯(lián)合收割機(jī)得到了大面積普及與使用，其割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及振動(dòng)頻率會(huì)直接決定割臺(tái)性能。履帶式聯(lián)合收割機(jī)在收割作業(yè)時(shí)，割臺(tái)框架和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定耦合作用，并且互相會(huì)發(fā)生反應(yīng)，不利于保證收割效率與質(zhì)量，還會(huì)使得履帶式聯(lián)合收割機(jī)的使用周期有所縮短，所以研究割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模態(tài)十分重要。

1 履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)模型

1.1 割臺(tái)框架模型

履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括割臺(tái)框架、撥禾輪、喂入攪龍、切割裝置以及分禾器等。通常來說，割臺(tái)框架為鋼結(jié)構(gòu)，由角鋼和低碳鋼鋼板焊接構(gòu)建，寬度為2.1 m，高度為1.6 m，框架鋼板厚度為3 mm 左右[1]。在履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)作業(yè)過程中，由于會(huì)遭受各種農(nóng)作物不同程度的沖撞作用，分禾器會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)情況，同時(shí)割刀在做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)激勵(lì)。因此，在構(gòu)建割臺(tái)框架模型時(shí)需著重考慮到分禾器和割刀這一特征。履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)中的左右兩端分禾器是楔形結(jié)構(gòu)，未與割臺(tái)框架保持相同長(zhǎng)度，而是要比其長(zhǎng)度長(zhǎng)70 cm。左右分禾器間的相隔距離就是收割農(nóng)作物的實(shí)際幅度，為2.5 m[2]。當(dāng)前履帶式聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)行進(jìn)速度為0.56 m/s~1.2 m/s，設(shè)定割刀的平均速率為0.8 m/s，曲柄轉(zhuǎn)速為450 r/min~750 r/min。以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助于Pro/E來構(gòu)建割臺(tái)框架模型[3]。

1.2 撥禾輪模型

在履帶式聯(lián)合收割機(jī)開展收割作業(yè)時(shí)，撥禾輪是發(fā)揮著關(guān)鍵作用的部件，承擔(dān)導(dǎo)向和輸送功能。在收割過程中，撥禾輪將作物撥向割刀，在切割作業(yè)時(shí)，會(huì)與割刀切割動(dòng)作相配合來對(duì)收割農(nóng)作物加以扶持[4]。當(dāng)農(nóng)作物處于傾斜倒伏狀態(tài)時(shí)，撥禾輪則可以第一時(shí)間將其扶正，由此減少作物收割經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)作物被切斷后，撥禾輪推送作物至割臺(tái)內(nèi)部，后續(xù)再由喂入攪龍傳輸至輸送槽，不會(huì)造成割臺(tái)堵塞。撥禾輪在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下做水平和繞軸圓周復(fù)合運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡。所以對(duì)于撥禾輪模型的構(gòu)建，應(yīng)設(shè)定原點(diǎn)為撥禾輪在水平面的投影，x軸為履帶式聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)方向，y軸為豎直向上，撥禾輪的彈齒投影點(diǎn)為A，以撥禾輪主軸為圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而合理設(shè)定A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程。

撥禾輪速比也就是撥禾輪圓周轉(zhuǎn)速和收割機(jī)實(shí)際前進(jìn)速度之間的比值，當(dāng)速比未超過1 時(shí)，撥禾輪將無法把待收割農(nóng)作物撥入割臺(tái)，只有當(dāng)撥禾輪速比高于1，撥禾彈齒軌跡做余擺線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水平方向存在向后分速度時(shí)，撥禾才能保持在正常狀態(tài)[5]。所以在履帶式聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)時(shí)，要設(shè)定撥禾輪速比超過1，但也要保證轉(zhuǎn)速值沒有超出合理范圍，不然容易造成農(nóng)作物被撥禾彈齒多次重復(fù)敲打，出現(xiàn)不必要振動(dòng)所引起的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)履帶式聯(lián)合收割機(jī)的前進(jìn)速度為0.56 m/s~1.2 m/s 時(shí)，撥禾輪作業(yè)時(shí)的圓周線速度不能超過1.5 m/s。以當(dāng)前時(shí)期的履帶式聯(lián)合收割機(jī)的割臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)定撥禾輪半徑為0.5 m，撥禾桿數(shù)目為5，每一桿上含有16 根撥禾彈齒，其長(zhǎng)度在0.2 m，各個(gè)間距在7 cm，以此建模得到撥禾輪三維模型。

1.3 喂入攪龍模型

履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)中的喂入攪龍，也就是螺旋推運(yùn)器，主要分為伸縮扒指和螺旋攪龍兩部分，在聯(lián)合收割臺(tái)機(jī)械水平切割作物后，喂入攪龍位置兩端的螺旋葉片之間的作用力向下傳遞到可伸縮式扒指處，直至移動(dòng)到輸送槽中[6]。割臺(tái)攪龍中攪龍葉片與滾筒呈連接形式，為了防止農(nóng)作物莖稈與圓筒同時(shí)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定圓筒的直徑為30 cm。為了確保螺旋葉片能夠合理容納所收割的農(nóng)作物莖稈，則要確定其高度為10 cm，螺距為46 cm，喂入攪龍轉(zhuǎn)速范圍為150 r/min~200 r/min。履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)中的喂入攪龍伸縮扒指結(jié)構(gòu)涵蓋11 根扒指，在曲軸上被鉸接。在這些數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建喂入攪龍三維模型。

2 履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)

通過對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析構(gòu)建模型，分別得到收割機(jī)割臺(tái)框架、撥禾輪以及喂入攪龍裝配模型。對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析指的是以已經(jīng)明確的邊界條件、材料特征和幾何形狀，來對(duì)所研究對(duì)象的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件振動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行深層次動(dòng)態(tài)分析的過程，是后續(xù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基本前提，在分析過程中可以清晰地掌握研究對(duì)象固有頻率和模態(tài)振型。因?yàn)槁膸铰?lián)合收割機(jī)割臺(tái)各個(gè)部件有著相同的模態(tài)分析過程，所以筆者以撥禾輪模態(tài)分析過程為例子進(jìn)行探討，并同理得到其他部件的分析過程[7]。

對(duì)撥禾輪進(jìn)行模態(tài)分析：1）要應(yīng)用ANSYS 軟件來完成接口導(dǎo)入，下達(dá)import 指令，在ANSYS 中導(dǎo)入上文所構(gòu)建的撥禾輪三維模型，對(duì)割臺(tái)材料彈性模量進(jìn)行定義，設(shè)定泊松比為0.35，密度為7 850 kg/m3。當(dāng)履帶式聯(lián)合收割機(jī)處于正常作業(yè)狀態(tài)時(shí)，撥禾輪運(yùn)動(dòng)過程的參考系為割臺(tái)框架，做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還與收割機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)保持同頻狀態(tài)。ANSYS 軟件導(dǎo)入撥禾輪三維模型，可以真實(shí)清晰地呈現(xiàn)出撥禾輪實(shí)際的工作狀態(tài)，同時(shí)約束撥禾輪三個(gè)方向移動(dòng)的自由度以及兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，以此得到施加約束的撥禾輪有限元模型。2）為了確保撥禾輪模態(tài)分析求解結(jié)果足夠可靠，且求解效率有所提升，應(yīng)采取六面體單元方式。3）為了能夠達(dá)成網(wǎng)格劃分質(zhì)量和精度目標(biāo)，提高核心目標(biāo)，就要對(duì)計(jì)算時(shí)間嚴(yán)加把控，科學(xué)設(shè)定單元最小尺寸，以15 mm 網(wǎng)格劃分最佳。當(dāng)ANSYS 軟件結(jié)束了對(duì)割臺(tái)結(jié)構(gòu)撥禾輪的模態(tài)分析，考慮撥禾輪實(shí)際工況來求解撥禾輪固有頻率所與之對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。割臺(tái)框架和喂入攪龍的固有頻率和模態(tài)振型也通過同樣的方法獲得[8]。

對(duì)于履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)中的撥禾輪前8 階模態(tài)，其固有頻率為20.65 Hz~29.3 Hz 時(shí)，最大變形區(qū)位于軸和彈齒支撐架；當(dāng)其固有頻率為35.86 Hz~38.18 Hz 時(shí)，變形區(qū)則為撥禾輪支撐臂；當(dāng)固有頻率超過39 Hz 后，變形區(qū)則轉(zhuǎn)變至彈齒支撐架和撥幅盤處。而對(duì)于割臺(tái)框架的前8 階模態(tài)，當(dāng)固有頻率為5.1 Hz~6.3 Hz 時(shí)，最大變形區(qū)為分禾器縱向變動(dòng)；當(dāng)其固有頻率為7.09 Hz~7.1 Hz 時(shí)，變形區(qū)為分禾器和框架連接位置，出現(xiàn)扭曲變形情況；當(dāng)固有頻率超過11.11 Hz后，變形區(qū)則轉(zhuǎn)變?yōu)榉趾唐骱退暮蠓轿恢每蚣堋８钆_(tái)結(jié)構(gòu)中的喂入攪龍模態(tài)，不管固有頻率處于如何的區(qū)間范圍，最大變形都為螺旋葉片彎曲以及與筒體同步脫離。

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

3.1 割臺(tái)結(jié)果

通過所得到的割臺(tái)框架模態(tài)和模態(tài)振型，可定義切割平臺(tái)框架的前8 階自振頻率在5 Hz~11 Hz 范圍內(nèi)。由于收割機(jī)切割平臺(tái)框架屬于懸挑梁結(jié)構(gòu)范疇，其撓度大，出現(xiàn)變形的概率也同樣較大。因此，當(dāng)它處于低頻狀態(tài)時(shí)，最容易發(fā)生變形情況且變形最嚴(yán)重的區(qū)域集中在收割機(jī)的前側(cè)板和切割平臺(tái)，常見變形形式為分禾器扭轉(zhuǎn)與變形。當(dāng)割臺(tái)框架的分禾器被去除后，高階固有頻率分布會(huì)發(fā)生改變，總階數(shù)為4 階時(shí)，固有頻率范圍在12 Hz~76 Hz，而10 階的固有頻率則在25 Hz~90 Hz。隨著振動(dòng)頻率幅度增加，割臺(tái)框架上的振動(dòng)也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，割臺(tái)底板開始產(chǎn)生不同程度的扭曲。當(dāng)再次增加振動(dòng)頻率，割臺(tái)框架上的所有結(jié)構(gòu)都會(huì)出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，變形中較為突出的部位為切割箱的撥禾輪支撐板部位，對(duì)割臺(tái)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部件安裝位置關(guān)系會(huì)帶來消極影響，使得履帶式聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)質(zhì)量以及割臺(tái)整體壽命大打折扣[9]。

3.2 割臺(tái)振動(dòng)來源

對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)振動(dòng)來源進(jìn)行深層次分析，可以得知割臺(tái)框架所受到的外界激勵(lì)主要涵蓋割刀循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)、攪龍自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、撥禾輪自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)，不同激勵(lì)頻率的計(jì)算方式也不盡相同，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率是2 倍發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)與π 的比值。因?yàn)槁膸铰?lián)合收割機(jī)所應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速是2 400 r/min~2 600 r/min，可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下的激勵(lì)頻率為80 Hz~80.76 Hz。而切割器所產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因?yàn)楦畹对谧鐾鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，割刀的曲柄轉(zhuǎn)速為450 r/min~750 r/min，其激勵(lì)頻率是由曲柄轉(zhuǎn)速與60 的比值所得到的，范圍為7.5 Hz~12.5 Hz。撥禾輪和攪龍振動(dòng)頻率計(jì)算方式與切割器等同，撥禾輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為10.7 r/min~28.7 r/min，激勵(lì)頻率范圍為0.17 Hz~0.47 Hz，攪龍驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為150 r/min~200 r/min，激勵(lì)頻率為2.5 Hz~3.33 Hz。

3.3 撥禾輪結(jié)果

根據(jù)上文的撥禾輪模態(tài)振型可以明確撥禾輪振動(dòng)特點(diǎn)，其振動(dòng)穩(wěn)定性的強(qiáng)弱分布狀態(tài)和固有頻率不同，所產(chǎn)生的振動(dòng)變形特點(diǎn)也不盡相同，撥禾桿的彎曲處和輪盤位置彎曲情況格外明顯。因?yàn)閾芎梯喬幱谡Ｗ鳂I(yè)狀態(tài)下時(shí)，出現(xiàn)振動(dòng)的源頭是撥禾輪本身存在的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)，它的振動(dòng)頻率范圍為0.17 Hz~0.47 Hz，所以可以看出，在正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)速區(qū)間下，撥禾輪本身的驅(qū)動(dòng)激振頻率還不會(huì)引發(fā)共振情況。但是為了可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升撥禾輪的可靠穩(wěn)定系數(shù)，則要立足于容易出現(xiàn)變形情況的區(qū)域來重點(diǎn)強(qiáng)化其強(qiáng)度。

3.4 喂入攪龍結(jié)果

深層次分析喂入攪龍的6 階模態(tài)振型可以明確，當(dāng)喂入攪龍?zhí)幱诠舱駹顟B(tài)下時(shí)，攪龍滾筒上所焊接的螺旋葉片出現(xiàn)脫落可能性較高，對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)的實(shí)際使用壽命會(huì)產(chǎn)生消極影響。在得知喂入攪龍的固有頻率和驅(qū)動(dòng)激振頻率范圍后，能夠發(fā)現(xiàn)激勵(lì)頻率范圍和第2 階固有振動(dòng)頻率十分相近。因此，在履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于喂入攪龍的參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)躲避第2 階振動(dòng)頻率及轉(zhuǎn)速。在該方式下，喂入攪龍的安全可靠系數(shù)得以增強(qiáng)，在保證其轉(zhuǎn)速合理的前提下，可以著重提高螺旋葉片焊接強(qiáng)度[10]。

3.5 割臺(tái)激勵(lì)頻率和固有頻率結(jié)果

當(dāng)履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)下每一部件所承受激勵(lì)頻率都無限趨近甚至等同于固有頻率時(shí)，割臺(tái)各部件會(huì)出現(xiàn)共振情況，且振動(dòng)幅度較大。當(dāng)割臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)也同樣產(chǎn)生共振問題時(shí)，激勵(lì)頻率和固有頻率之間會(huì)存在一定規(guī)律關(guān)系，具體為激勵(lì)頻率處于0.8~1.2 倍結(jié)構(gòu)固有頻率區(qū)間范圍內(nèi)。所以為了從源頭上避免履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振情況，合理把控振動(dòng)是最佳的手段。對(duì)振動(dòng)加以把控的方法主要集中在對(duì)激勵(lì)進(jìn)行控制，在原有的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)卦黾咏Y(jié)構(gòu)阻力，只要對(duì)相關(guān)動(dòng)力源轉(zhuǎn)速做到有效控制就可以達(dá)成激勵(lì)源把控核心目標(biāo)?？梢酝ㄟ^強(qiáng)化割臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼板或是在割臺(tái)薄弱處設(shè)加強(qiáng)筋的方式，提升結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)和阻力系數(shù)。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)中的割臺(tái)框架、撥禾輪和喂入攪龍進(jìn)行模態(tài)分析，以此分別明確其固有的振動(dòng)頻率范圍。構(gòu)建割臺(tái)部件模態(tài)振型，對(duì)割臺(tái)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的問題有著正確的認(rèn)識(shí)，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化履帶式聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)框架，最大程度上規(guī)避出現(xiàn)共振情況，平衡激勵(lì)頻率和固有頻率之間的關(guān)系，提升割臺(tái)框架強(qiáng)度，延長(zhǎng)收割機(jī)整體使用壽命。