基于動態(tài)特性的甘蔗收獲機刀架仿真和模態(tài)分析

李尚平，王夢萍，莫翰寧 ，楊代云，周敬輝，陳增雄，張 可

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004； 2.廣西民族大學 計算機與信息工程學院， 南寧 530006； 3.桂林理工大學 南寧分校，南寧 530004)

0 引言

甘蔗是我國南方的主要經(jīng)濟作物。多年來，廣西[1]蔗糖業(yè)已成為廣西支柱產(chǎn)業(yè)。目前，廣西甘蔗收獲方式多為人工收獲，機械化收獲水平不到2%[2]，實現(xiàn)甘蔗收割的機械化對廣西經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。受丘陵地貌、機械技術(shù)與裝備、農(nóng)戶種植模式及糖廠榨糖工藝等因素限制，目前在廣西應(yīng)用較多的機型是小型甘蔗收獲機，此種機型存在宿根切割質(zhì)量差的問題。廣西思源及金光等有關(guān)農(nóng)場也引進了一批國外的甘蔗收獲機械，如凱斯7000、4000機型。國外機型龐大，作業(yè)效率較高，但損耗率較高，宿根切割質(zhì)量較差，甘蔗宿根破頭率可高達20%～30%，很難適應(yīng)廣西丘陵地區(qū)的甘蔗收割作業(yè)，嚴重制約了甘蔗機械化生產(chǎn)的進程[3]。現(xiàn)階段，雖然我國已有眾多企業(yè)及院校在加緊研制開發(fā)適應(yīng)于丘陵地區(qū)的小型整桿式甘蔗收獲機，但仍沒有得到大范圍的推廣。其主要表現(xiàn)在：目前研制出的機型宿根切割質(zhì)量較差，切割質(zhì)量低的甘蔗宿根在斷面處存在較多的臺階、裂紋，容易造成宿根破頭，影響翌年宿根出芽率，沒有得到蔗農(nóng)的認可。

針對宿根切割質(zhì)量差的問題，相關(guān)學者進行了深入研究。國外，C.P.Gupta等使用試驗研究的方法研究了刀盤的傾斜角度和刀盤轉(zhuǎn)速對切割質(zhì)量的影響[4]；T. C. Ripoli等基于減少甘蔗切割損失和保護土壤不被破壞的目的，研制了一種新型的切割器并與傳統(tǒng)切割器進行對比分[5]；J.razavi、M.kardany 等通過擺動裝置研究切割刀片和種植因素對甘蔗莖稈切割能量的影響[6]。國內(nèi),華南農(nóng)業(yè)大學的劉慶庭及廣西大學的麻芳蘭、王汝貴等就甘蔗材料性能、切割速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤傾角、刀片數(shù)量、切割角、刀片刃角、收割機前進速度等參數(shù)對蔗蔸破頭率的影響進行了大量試驗研究[7-14]。上述研究者多從甘蔗切割機理及收獲機靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的角度來展開研究，研究成果對提高收獲機的宿根切割質(zhì)量起了很大的作用，為收獲機的改進和完善提供了理論基礎(chǔ)，具有很好的實用價值。

課題組在前期研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了刀盤剛性與甘蔗宿根切割質(zhì)量的規(guī)律。為進一步降低刀盤振動，提高宿根切割質(zhì)量，本文從甘蔗收獲機刀架振動特性的角度分析研究不同結(jié)構(gòu)刀架的剛性，并設(shè)計了一種剛性較好的刀架結(jié)構(gòu)，為課題組研制開發(fā)適于丘陵地區(qū)的小型甘蔗收獲機提供了一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 刀架結(jié)構(gòu)

圖1為課題組自主研制的第2臺甘蔗收獲機樣機整機結(jié)構(gòu)。其中，標號4部件為切割系統(tǒng)，分別對應(yīng)圖2中刀盤、刀架及提升油缸。刀盤安裝在刀軸末端，刀軸通過軸承安裝在齒輪箱上，齒輪箱通過提升轉(zhuǎn)臂與收獲機車架物流通道連接；刀盤的升降通過安裝在齒輪箱與車架上的液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。故此時刀架(齒輪箱和提升轉(zhuǎn)臂)的剛性將直接影響到刀盤工作時的振動情況。

刀架由齒輪箱和提升轉(zhuǎn)臂組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。其中，齒輪箱為刀盤軸及動力傳動零件(齒輪)的安裝支撐架，如圖2中的深色角鋼架。提升轉(zhuǎn)臂為齒輪箱后方伸出的兩根連接桿，刀盤提升時繞著提升傳臂后支點轉(zhuǎn)動，如圖2中的淺色角鋼。

圖1 小型甘蔗收獲機切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of the cutting system of small sugarcane harvester

圖2 刀架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of tool rest

2 砍蔗機理分析

甘蔗收獲機工作時，刀盤高速旋轉(zhuǎn)。砍蔗過程中甘蔗往往不是被刀片一次性砍斷的，而是要經(jīng)過刀片的多次砍削，隨著收獲機不斷前進，逐步增大刀片對甘蔗的砍入量，最終砍斷甘蔗[15-16]。刀片第1次砍蔗后，蔗徑上會留下裂口；第2次砍蔗時，由于刀盤的振動，刀片與蔗徑的接觸位置較第1次會發(fā)生變化，兩個切口間存在高度差，差值大小會受到刀盤軸向振動劇烈程度影響，工作環(huán)境較惡劣時，刀盤軸向振動較大，位置差值增大，切口處的裂紋條數(shù)、裂紋長度、裂紋厚度及砍肩高度將會變多變厚，甘蔗切口質(zhì)量下降。同理，第3、4次砍蔗后的蔗徑切口質(zhì)量也會受到刀盤軸向振動的影響。其次，砍蔗過程中，由于刀盤存在上下振動，刀片對甘蔗的切削力方向也會改變，使得甘蔗切口不平整，出現(xiàn)臺階，甚至會導(dǎo)致蔗徑破裂。圖3為利用高速攝像儀對砍蔗過程進行的拍攝過程。

圖3 砍蔗過程的高速攝影Fig.3 High-speed photography of sugarcane cutting process

可見，刀盤在垂直方向的軸向振動將會直接影響到甘蔗宿根的切割質(zhì)量。

3 刀架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

3.1 仿真模態(tài)分析

采用ANSYS軟件對刀架結(jié)構(gòu)進行模態(tài)仿真分析，刀架有限元摸態(tài)分析第1、第2階振型圖如圖4所示，模態(tài)仿真分析的結(jié)果如表1所示。

圖4 刀架第1到2階振型圖Fig.4 The first 2 order modal shapes of the cutter support structure

表1 刀架有限元模態(tài)計算結(jié)果Table 1 Finite element modal calculation results of lifting scheme

通過對刀架的有限元模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：刀盤前3階模態(tài)固有頻率都較低；從節(jié)點最大位移及振型圖發(fā)現(xiàn)：刀架前3階振型的主要形變方向都為垂直方向，且形變較大。甘蔗收獲機的兩根蔗刀刀軸各通過1對軸承安裝在刀架上，刀架在垂直方向的形變較大時將會直接加劇刀盤在垂直方向的振動，進一步影響甘蔗宿根切割質(zhì)量。

3.2 試驗?zāi)B(tài)分析

課題組前期通過模態(tài)測試系統(tǒng)測量了刀架結(jié)構(gòu)自由模態(tài)，試驗主要方法為錘擊法，一點激勵多點響應(yīng)。實驗儀器有：比利時LMS設(shè)備1臺，電腦筆記本1臺(裝有LMS Test.lab 12A模態(tài)分析軟件)，美國PCB力錘1個(帶有力傳感器)；美國PCB三軸加速傳感器12個。試驗前3階模態(tài)振型圖如圖5所示。

圖5 刀架結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)Fig.5 The preceding three vibration models of cutter suport structure

刀架試驗?zāi)B(tài)結(jié)果如表2所示。其中，試驗?zāi)B(tài)結(jié)果與仿真模態(tài)結(jié)果相近，說明了有限元模型的正確性，可進一步用于刀架結(jié)構(gòu)的虛擬設(shè)計。

表2 試驗?zāi)B(tài)結(jié)果Table2 Experimental modal results

3.3 齒輪箱結(jié)構(gòu)改進前后模態(tài)分析

試驗?zāi)B(tài)驗證了仿真模型的合理性，基于ANSYS分析齒輪箱的結(jié)構(gòu)模態(tài)信息。

1)齒輪箱改進前結(jié)構(gòu)如圖6所示，基于Ansys模態(tài)分析結(jié)果如圖7、表3所示。

模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：改進前，連接齒輪箱左右箱體的中間連桿長度大、剛性較差，結(jié)構(gòu)改進時應(yīng)著重加強該處連桿強度。

2)齒輪箱結(jié)構(gòu)改進方案。利用5號角鋼連接左右箱體，加強齒輪箱，如圖8所示。

圖6 改進前齒輪箱結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure of gear box before improvement

圖7 齒輪箱改進前結(jié)構(gòu)的前3階模態(tài)Fig.7 The preceding three vibration models of cutter support structure before improved

表3 齒輪箱改進前仿真模態(tài)分析結(jié)果Table 3 The preceding three modal information of cutter support structure before improved

基于ANSYS模態(tài)分析結(jié)果如圖9、表4所示。

圖8 結(jié)構(gòu)改進后齒輪箱Fig.8 The structure of gear box after modification

圖9 齒輪箱結(jié)構(gòu)改進后的前三階模態(tài)Fig.9 The preceding three vibration models of gear box after modification

表4 齒輪箱改進后仿真模態(tài)結(jié)果Table 4 The preceding three models information of gear box after modification

齒輪箱結(jié)構(gòu)改進后各階主要頻率均明顯提高，垂直方向的位移變形減小，說明了改進方向的真確性。

3.4 刀架結(jié)構(gòu)改進后模態(tài)分析

齒輪箱通過上述改進，刀架的提升連桿采用8號槽鋼代替角鋼，用5號角鋼加強齒輪箱橫梁，改進后刀架的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 刀架改進后結(jié)構(gòu)Fig.10 The structure of cutter support device after modification

1)仿真分析結(jié)果。仿真結(jié)果如圖11、表5所示。

2)刀架結(jié)構(gòu)改進前后結(jié)構(gòu)模態(tài)信息對比如表6所示。

圖11 刀架改進后結(jié)構(gòu)模態(tài)的仿真分析圖Fig.11 The simulation analysis chart of model shape of cutter support device after modification

表5 刀架改進結(jié)構(gòu)后模態(tài)的仿真信息Table 5 The modal simulation information of cutter support device after modification

表6 刀架結(jié)構(gòu)改進前后模態(tài)固頻對比Table 6 The comparison of the modal information of the structure before and after modification Hz

由上分析可知：改進后刀架的固有頻率有所提高，在垂直方向的位移變形減小，剛性得到加強。

3.5 對比分析

1)改進結(jié)構(gòu)前齒輪箱的模態(tài)分析可知：改進前齒輪箱1、第2階模態(tài)在豎直方向變形較大，主要是齒輪箱的結(jié)構(gòu)變形及連接齒輪箱左右箱體的連接桿變形。

2)齒輪箱結(jié)構(gòu)改進后的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：齒輪箱的前3階模態(tài)由97.023、112.749、339.264變?yōu)?80.7、308.72、428.44Hz，各階固有頻率分別提高了86%、173% 、26%。

3)刀架結(jié)構(gòu)改進后各階模態(tài)固頻率均有明顯提高，軸向變形減少，故采用上述結(jié)構(gòu)改進方法有利于提高刀架的剛性。

4 刀架變剛度實驗

1) 試驗?zāi)康摹ｒ炞C仿真結(jié)果；研究不同剛性的刀架對于減弱齒輪箱振動的作用與影響。

2)試驗設(shè)備及儀器。試驗裝置采用課題組自行研制的甘蔗收獲機結(jié)構(gòu)激振試驗平臺(第2臺甘蔗收獲機樣機)，包括甘蔗收獲機車架、三相異步電機、機械式路面激振器、變頻器、振動電機及激光位移傳感器系統(tǒng)。

3)試驗指標。本試驗指標為齒輪箱中點的振動位移，即動態(tài)響應(yīng)。

4)試驗因素水平。試驗因素：齒輪箱結(jié)構(gòu)；齒輪箱根據(jù)結(jié)構(gòu)加強與否設(shè)置了兩個水平，分別是改進前結(jié)構(gòu)和改進后結(jié)構(gòu)，如圖12、圖13所示。

圖12 齒輪箱結(jié)構(gòu)改進前Fig.12 Head structure without improvement

圖13 齒輪箱結(jié)構(gòu)改進后Fig.13 Head structure after the improvement.

5)試驗結(jié)果及分析。本試驗測點布置在齒輪箱中部，分別測量并對比了相同振動激勵信號(路面激振器以及振動電機施加的激勵)作用下齒輪箱結(jié)構(gòu)改進前后的振動大小。

每組進行3次重復(fù)試驗，測試結(jié)果如表7所示。

表7 齒輪箱動態(tài)響應(yīng)Table 7 The dynamic response of the gear box

試驗表明：相同激勵下，刀架結(jié)構(gòu)改進后的振動位移平均減小14.3%。這說明，改進后結(jié)構(gòu)的刀架剛性高于結(jié)構(gòu)改進前的刀架剛性，也驗證了仿真結(jié)果。

5 結(jié)論

1)甘蔗收獲機刀盤在垂直方向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量有顯著影響，刀架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性對刀盤結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性具有直接影響。

2)比較仿真與實驗?zāi)B(tài)分析的結(jié)果可知：改進前刀架仿真模態(tài)3階主頻為別為19.7、20.14、41.92Hz，刀架實驗?zāi)B(tài)前3階主頻為21.2、36.16、46.24Hz，仿真與實驗?zāi)B(tài)分析的誤差在合理的范圍內(nèi)，驗證了有限元模型的可靠性。仿真與試驗?zāi)B(tài)發(fā)現(xiàn)：齒輪箱中部的連桿結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛性較差，垂直方向形變較大，會進一步加劇刀盤在垂直方向的振動。

3)齒輪箱中部連桿結(jié)構(gòu)被加強后，齒輪箱前3階模態(tài)固頻由97.023、112.749、339.264Hz變?yōu)?80.7、308.72、428.44Hz，齒輪箱剛性明顯提高。

4)齒輪箱中部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進后，刀架前3階模態(tài)由19.7、20.14、41.92Hz變?yōu)?9.697 、34.710、64.063Hz，刀架的整體動態(tài)特性明顯加強。

5)刀架結(jié)構(gòu)改機前后，在相同激勵下的動態(tài)響應(yīng)試驗發(fā)現(xiàn)：高剛性的刀架結(jié)構(gòu)有助于降低刀盤振動，并最終提高砍蔗質(zhì)量。