小型甘蔗收獲機物流架隔振分析與研究

林嘉豪,李 冰,李尚平

(1.廣西科技大學 機械與工程學院,廣西 柳州 545006;2. 廣西民族大學 信息科學與工程學院,南寧 530006)

0 引言

從1960年至今,我國對機械化甘蔗收獲機一直處于深入研究階段,目前,小型甘蔗收獲機可一次性完成切梢、扶倒、切割、喂入、切段、輸送、清選及裝載等一整套工序[1]。小型甘蔗收獲機主要由切頂器、扶分蔗系統、壓蔗輥、切割系統、喇叭狀喂入裝置、喂入系統、剝葉系統及輸出系統等組成,各系統的設計優化[2]和切割系統的動態性能[3]都得到了不同程度的提升,但切割質量仍然達不到要求,導致破頭率極高[4-7],影響第2年甘蔗的產量。根據調查可知:機械在收獲之后存在宿根破頭率高達20%以上[8]。甘蔗破頭率是衡量甘蔗收獲機性能好壞的標準[9],切割質量的好壞與切割器的振動密切相關,振動的控制成為目前的主要研究內容。

機具在凹凸不平的田間作業時,受到發動機和路面的激勵,引起刀盤的軸向振動(即刀盤的Z向振動)[10]。為了達到較好的振動控制效果,課題組從振動傳遞路徑出發,從激勵源到響應點,振動傳遞路徑為“車架-物流架-刀架”。因此,對物流架的隔振控制尤為關鍵,可以有效控制振動的傳遞,降低切割器的振動幅值,提高切割質量。為此,從車架與物流架和物流架與刀架兩個連接點出發,通過仿真分析,設計隔振裝置,借助振動測試儀器進行試驗驗證。結果表明:方案有效地降低了振動傳遞,達到較好的減振效果,提高了切割質量,降低了甘蔗切割的破頭率。

1 隔振裝置設計

1.1 隔振材料與連接方式

一個理想的隔振器應是在低頻時有較高的剛度,在高頻時有較低的剛度。為了達到較好的隔振效果,在低頻時阻尼可以大,但高頻時阻尼越小越好。根據理想隔振剛度曲線,為了提高隔振率,取得更好的隔振效果,應使支架與隔振機構的剛度滿足要求。因此,本文的隔振裝置材料選用Q235普通碳素結構鋼,又稱作A3鋼。

目前應用于連接的方式有很多,主要歸納為一字扣、十字扣、對接扣、轉角扣、轉向扣、旋轉扣及定向扣等方式。基于小型甘蔗收獲機的實際情況,連接物流架與刀架的桿件要隨著刀盤的切割上下移動,連接的桿件與隔振機構需要有轉動的角度,單一種扣件滿足不了本設計機構的要求,需要結合不同扣件的特點,靈活地設計出一套能滿足條件并實現轉角的連接扣件。為了實現轉角功能,桿件與連接位置通過設計支架為支撐,使連接桿與隔振器處于垂直方向。因此,連接方式選用將十字扣與轉角扣結合方式,設計出滿足要求的連接扣件。

1.2 隔振方法

隔振方法主要分為4類,即彈性隔振、液壓隔振、主動隔振、半主動隔振。

綜合多方面考慮,包括減振效果預測、加工零件的成本及減振機構的實用性等,采用彈性隔振的方法,并通過橡膠進行設計隔振。橡膠的特點決定其剛度和阻尼:當剛度和阻尼都大時,有利于隔離低頻振動,不利于隔離高頻振動,能抵抗隔離沖擊;剛度大時,對外界的沖擊和曲軸的扭矩有抵抗作用;阻尼大時,可以對外界的沖擊吸收更多的沖擊能量;當剛度和阻尼同時小時,起著振動隔離的作用;若剛度越小,激勵的頻率和固有的頻率比值較高,因此在隔振區域內阻尼越小效果越好,其不利因素在于難以抵抗低頻的沖擊。

為了達到較好的減振效果,在進行橡膠隔振的設計時,不僅要考慮防止沖擊還要考慮減小振動,才能達到較好的減振效果,設計時要在這兩者之間尋找到其一個平衡點。同時,橡膠隔振具有結構簡單、價格低、壽命長及性能強等特點。

1.3 隔振裝置模型建立

三維模型的建立通過Pro/Engineer軟件來實現,建模分為兩部分,包括減振器連接扣件和減震器支架。建模前期,在三維草圖上繪制,合理設計尺寸,并對草繪進行拉伸、旋轉、平移、鏡像等一系列的操作,完成兩個零件的模型設計。減振器連接扣件三維圖如圖1所示,減震器支架三維圖如圖2所示。

圖1 減振器連接扣件三維圖Fig.1 The shock absorber is connected to the fastener。

圖2 減震器支架三維圖Fig.2 Shock Absorber Bracket。

減振器連接扣件與減振器支架連接,并放置減震器支架之上,中間用橡膠隔開,連接方式如圖3所示。4個角設計M11的螺栓孔,將通過M10的螺栓進行固定連接,支架側壁與物流架固定連接。減震器連接扣件上的“耳朵”分別設計M19的軸孔,穿過M18的軸與連接桿連接,可變角度靈活旋轉。

圖3 隔振裝置連接方式Fig.3 Connection of vibration isolation device。

完成三維模型的建立,并通過計算機輔助設計軟件CAD進行二維圖紙的繪制,再次確定尺寸的合理性,最終確定設計方案,得出減振器連接扣件和減震器支架的二維圖紙,如圖4、圖5所示。

圖4 減振器連接扣件二維圖Fig.4 2d drawing of shock absorber couplings。

圖5 減震器支架二維圖Fig.5 2d drawing of shock absorber bracket。

2 振動傳遞仿真

2.1 甘蔗收獲機模型

通過前處理軟件建立了小型甘蔗收獲機的有限元模型,如圖6所示。

圖6 小型甘蔗收獲機模型Fig.6 Miniature cane harvester model。

2.2 有限元仿真

2.2.1 網格劃分及材料參數和屬性定義

采用Hypermesh對整個模型進行網格劃分,焊接采用共節點方式處理,螺栓連接采用剛性單元模擬,單元基本尺寸為5mm,網格形式以四邊形網格為主、三角形網格為輔,總共有262 582個單元、272 510個節點,骨架結構材料為鋼材。

2.2.2 載荷及邊界條件

車架前端兩側和后端兩側車輪位置做6個自由度的全約束,與路面接觸處約束除了z方向的剩余5個自由度。

在發動機處和路面接觸的左右兩處施加z方向的激勵,創建載荷參數,頻率范圍為0～30Hz,幅值為定值1.0。創建動載荷及響應求解的頻率列表,并以刀架為響應點,創建輸出結果的節點。

2.2.3 提交求解及后處理

對構架進行頻率響應分析,將HyperMesh中建立的有限元模型導人分析模塊進行計算,得出響應點的變形和頻率相位輸出特性。為了對比隔振前后的響應效果,通過更改連接方式,增加隔振機構,并且在車架與物流架連接處添加橡膠墊,橡膠墊用彈簧單元代替,進行仿真對比,如圖7所示。

圖7 隔振前后的連接方式Fig.7 Connection before and after vibration isolation。

2.3 分析結果

以刀架為響應點,分析得出刀架隔振前后的振動位移響應,如圖8、圖9所示。

圖8 隔振前刀架的位移響應Fig.8 Displacement response of the tool rest before vibration isolation。

圖9 隔振后刀架的位移響應Fig.9 Displacement response of the tool rest after vibration isolation。

由圖8、圖9可看出:隔振前刀架的位移響應約為0.735mm,隔振后的位移響應約為0.395mm,刀架響應減少了0.34mm,降低了46%。這表明,隔振機構對甘蔗收獲機的物流架起到了隔振效果。

3 振動試驗驗證

3.1 隔振裝置的加工制造

隔振裝置選用材料為Q235普通碳素結構鋼進行加工,加工零件實體如圖10、圖11所示。

圖10 減振器連接扣件實體Fig.10 The shock absorber is connected to the fastener body。

圖11 減振器連接扣件實體Fig.11 The shock absorber is connected to the fastener body。

3.2 測試設備

振動試驗驗證在自主研發的小型甘蔗收獲機實驗平臺上進行,以刀架為響應點,振動測試試驗的設備采用比利時的 LMS 數據采集前端,如圖12所示。數據采集軟件為LMS Test．lab,美國 PCB 三向加速度傳感器,同時借助激光位移傳感器(見圖13),測試刀架的Z向振幅,保證測試數據的準確性。

圖12 LMS便攜式數采前端Fig.12 LMS Portable data acquisition front end。

圖13 激光位移傳感器Fig.13 Laser displacement sensor。

3.3 發動機激勵和路面激勵

樣機在真實激勵(即發動機激勵、路面激勵)作用下,檢測刀架的響應情況。樣機正常工作轉速為1 500～2 000r/min,轉速與頻率計算公式為

(1)

式中n—電機的轉速;

60—每分鐘60s;

f—電源頻率;

p—電機旋轉磁場的極對數。

計算得出,工作頻率f=25～33.3Hz。考慮到試驗的安全性,選取26Hz的發動機激勵進行試驗[12]。

甘蔗收割田地里平地的主要頻率成分2.5～4Hz,用變頻電機模擬發動機的正常工作頻率,路面不平度對收獲機振動能量最大的頻率集中在 2～3Hz 左右[13],因此選取路面激勵為3Hz進行試驗。

3.4 試驗方案及試驗過程

3.4.1 試驗方案

以刀架為響應點,測試刀架的Z向振動。為了確保數據的可靠性,測試在發動機激勵和路面激勵穩定工況下采集5組數據,檢查數據的一致性。選取較為穩定的數據,將采集較好的幾組數據求平均,最終得出一組試驗精度較高且可靠的數據。

試驗分兩次進行:一是在不加隔振裝置的狀態在進行試驗,如圖14所示;二是在加隔振裝置的狀態下進行試驗,如圖15所示。

圖14 不加隔振裝置的狀態Fig.14 The condition without vibration isolation device。

15 加隔振裝置的狀態Fig.15 The state of adding vibration isolation device。

方案測試數據表格如表1所示。

3.4.2 試驗過程

在設備檢查工作完成之后,便可進行相關的測試工作。加速度振動測試采用LMS.test.lab軟件中信號采集模塊進行數據采集,測試前先施加小型甘蔗機收獲機路面激勵和發動機激勵,使其達到穩定的狀態,以保證數據的準確性。正確設置好傳感器的類型、輸入傳感器的靈敏度,并對其傳感器方向進行讀取,采用加速度傳感器。每個傳感器坐標有X、Y、Z等3個方向,測試采樣時間為10s,采樣頻率為512Hz,分辨率為1Hz。為減少能量的泄露,對時域信號做FFT前添加漢寧窗。測試試驗一、二得出刀架振動評價的頻譜圖如圖16、圖17所示。

圖16 隔振前刀架振動的頻譜圖Fig.16 Frequency spectrum of vibration of the tool holder before vibration isolation。

圖17 隔振后刀架振動的頻譜圖Fig.17 Frequency spectrum of vibration of tool holder after vibration isolation。

3.5 試驗結果分析

試驗在穩定工況下完成,測試數據取其平均值后得刀架Z向的加速度RMS值和振動幅值試驗數據如表2所示。

由表2可知:不管是從加速度角度評價還是從刀架振幅角度出發,試驗二的的振動明顯小于試驗一。刀架的加速度RMS值從6.98m/s2降低至3.04m/s2,減少了3.94m/s2,降低了56.4%。從頻譜圖可看出:增加隔振裝置后,50Hz的振動峰值消除了,避開了第3階模態頻率共振;刀架Z向幅值從0.9mm降低至0.33mm,減少了0.57mm,降低了63.3%。與仿真數據對比,隔振前后的刀架振動幅值相近,在誤差的合理范圍內,證明了仿真模型的準確性。數據說明,該方案取對物流架起到了明顯的隔振效果,有效地控制了物流架到刀架的振動傳遞。

4 結論

1)基于理想隔振器的剛度和阻尼曲線,選取Q235普通碳素結構鋼作為隔振裝置材料。為了實現機構轉動功能及滿足機構連接特點,連接方式的設計選用十字扣與轉角扣相結合,并采用彈性隔振的隔振方法。

2)設計隔振裝置的尺寸及公差配合,借助Pro/Engineer軟件建立隔振裝置三維模型和CAD軟件畫二維圖紙,為零件的加工做好前期準備。

3)對隔振前后的甘蔗收獲機進行仿真,并通過試驗加以驗證。以刀架為響應點,借助LMS振動測試設備和位移傳感器測試設備同時測試,保證了數據的可靠性。測試數據顯示:隔振前后刀架的加速度RMS值減少了3.94m/s2,降低了56.4%;刀架Z向幅值減少了0.57mm,降低了63.3%。這說明,該方案取得明顯的隔振效果,可為類似結構體振動控制提供一種可靠的方法。