膠輥式礱谷沖擊隔離系統隔振技術分析與仿真

粟超 ， 廖敏* ， 楊亞軍 ， 劉鵬

(1.西華大學現代農業裝備研究院， 成都 610039； 2.西華大學機械工程學院， 成都 610039)

機械領域振動問題長期存在，且振動與噪聲有著密切關系，振動可通過連接件傳遞至其他工作部件，導致其余工作部件振動[1-3]，要控制機械工作過程中產生的動力噪聲應考慮減少機械的振動[4-5]。稻谷加工中膠輥式礱谷運用廣泛，兩個膠輥安裝完之后的最小間距小于稻谷平均厚度，利用兩膠輥之間的速度差和膠輥對稻谷的擠壓作用，完成稻谷的脫殼，但膠輥在擠壓稻谷的同時也受到來自稻谷的沖擊激勵力，膠輥的沖擊激勵通過膠輥安裝座等連接件傳遞到整機上，引起其他零部件的振動從而額外產生噪聲輻射[6]；現有稻谷加工主要集中在大型糧食加工企業，企業的主要關注點主要為稻谷加工效率與加工質量上，對稻谷加工設備的振動和噪聲問題關注度較少，但稻谷加工設備噪聲大的問題又不可忽視且廣泛存在，要減少膠輥式礱谷工作時的噪聲，應首先考慮對振動源本身的控制，即減少膠輥礱谷工作時振動的傳遞，這是根本的辦法[7-8]。選取鮮米機中的膠輥式礱谷作為研究對象，首先對鮮米機中壟谷裝置工作時產生的激勵力進行測定，設計實驗分析了鑄鐵制動輥支架和礱谷機箱正面面板的振動情況，然后對礱谷輥激勵力進行理論求解，最后以減少振源振動傳遞的目的，參考膠輥的運動狀態和安裝方式，提出在膠輥內安裝振動隔離裝置的方案，并設計一種在膠輥內安裝由隔沖器對壓并聯構成的沖擊隔離系統[9]；利用軟件建立沖擊隔離系統的三維模型并導入到ADAMS中，在ADAMS中對沖擊隔離系統進行靜態下的受壓特性、扭轉特性仿真分析和脈沖沖擊下的動力學仿真分析；膠輥式礱谷沖擊隔離系統隔振技術的研究，有助于提高膠輥式礱谷碾米質量，對推動鮮米機低噪聲、低振動碾米技術的發展具有實際意義。

1 礱谷輥激勵力的檢測及計算

1.1 礱谷輥激勵力的檢測與分析

常用的激勵力測試原理為：通過測試被測物的振動加速度信號和參振質量以其乘積來確定激勵力幅[10-11]。礱谷裝置中的膠輥分為定輥和動輥[12]，定輥通過膠輥安裝座固定在壟谷裝置的機架上，動輥安裝在動輥調節支架上以便于調整膠輥之間的軋距[13]；膠輥碾米時高速旋轉，不能直接測得膠輥徑向的加速度信號，但是膠輥工作過程中受到激勵力的作用后，產生的振動通過膠輥安裝座和動輥調節支架傳遞到壟谷裝置機架上，所以可以測量動輥支架和壟谷機箱正面板的徑向加速度信號。使用S956型振動平衡分析儀檢測加速度信號，如圖1所示。

圖2為膠輥受激勵力的測試照片，先將鮮米機中的風機皮帶和碾米機皮帶拆下，僅保留壟谷裝置傳動皮帶工作，盡可能的減少其他工作部件產生的振動，從而影響測量的精度。

(1)為了更好地測量壟谷裝置工作過程動輥支架的擾動加速度，將磁座式加速度傳感器吸附在膠輥安裝座上，且位于兩輥分離的方向；啟動鮮米機后，利用振動平衡分析儀記錄下膠輥安裝座的加速度信號曲線圖如圖3所示。整理了圖3所示動輥加速度曲線中的主要頻率和對應的加速度振值如表1所示。由圖3(a)可得，開始工作時膠輥安裝座取得加速度等效單峰振值最大值為0.856 m/s2，與之對應的膠輥安裝座加速度的主要頻率為37.5 Hz；最大峰值以外的兩個較大振值為0.806 m/s2和0.531 m/s2，所對應的頻率分別為975 Hz和712.5 Hz。

圖1 S956型振動平衡分析儀Fig.1 S956 vibration balance analyzer

圖2 加速度信號檢測Fig.2 Acceleration signal detection

圖3 加速度信號曲線圖Fig.3 Acceleration signal curve

表1 加速度信號的主要頻率及振值Table 1 Main frequency and vibration value of acceleration signal

(2)礱谷裝置工作時產生的振動傳遞到機箱面板上后使面板在垂直面板的方向上產生擾動，測量礱谷裝置機箱的加速度時，需要將加速度傳感器垂直吸附于礱谷裝置機箱正面面板上。采用對比實驗的方法，首先測量壟谷裝置開啟后空轉情況下機箱面板上的振動加速度，然后測量壟谷裝置在工作情況下機箱面板的振動加速度，通過兩次實驗結果對比分析，可以得到壟谷裝置在碾米情況下產生的激勵力對機箱上零件的影響，同時驗證壟谷裝置工作時產生的激勵力是否通過軸承安裝座和動輥調節支架傳遞到了機架上。在鮮米機空轉情況下記錄礱谷裝置機箱正面板的加速度振值如圖4中CH-2曲線所示，壟谷裝置在空轉時，壟谷機箱面板受到的激勵作用僅為電機旋轉引起整機的振動，且加速度振幅值較小；壟谷裝置在實際工作碾米時記錄的面板振動加速度振值如圖4中CH-1曲線所示，由圖4可知在壟谷裝置工作碾米時，所測得的機箱面板上振動加速度幅值遠大與壟谷裝置空轉時面板上所測得振動加速度幅值，由此可以得出，壟谷裝置在工作碾米時受到的激勵力通過膠輥安裝座等連接件傳遞到了機箱面板上，引起機箱面板振動加強。由此得出，礱谷裝置實際工作碾米時稻谷對膠輥具有沖擊激勵，且沖擊激勵通過連接件傳遞到機箱面板等機架零件上造成了振動的傳遞，證明了增加隔振減振裝置對減少礱谷裝置工作時的振動向其他結構傳遞具有實際意義，對減少噪聲的產生具有有益效果。

圖4 礱谷機箱面板加速度振值對比圖Fig.4 Comparison diagram of acceleration vibration value of hulling case panel

1.2 礱谷輥激勵力的理論計算

本礱谷裝置的基參數如表2所示。由表2可知，快輥線速度為v1=11.4 m/s，慢輥線速度為v2=7.4 m/s。礱谷作業時，經過送料輥撥出的稻谷通過淌板流向快慢輥構成的軋區中，稻谷在軋區內分別與快輥和慢輥的膠面相接觸，在快慢輥膠面的作用下稻谷開始加速，由于快輥與慢輥膠面的線速度具有線速差，因此稻谷在軋距內是受到搓碾作用完成糠殼的剝離[14]，糠殼剝離后的大米從膠輥軋區拋出。膠輥的相互作用使稻谷加速然后完成脫殼，理論上脫殼后大米的拋出速度不超過快輥膠面的線速度。為便于計算，采用快慢輥的平均線速作為稻谷脫殼后的拋出速度，即

(1)

圖5為稻谷在軋區內的受軋示意圖，兩個膠輥旋轉方向相反，兩膠輥之間的最小間隙為軋距，稻谷從上往下運動，與膠輥接觸的初始點分別為A、A′點，即谷粒受軋起點，通過軋區后與膠輥接觸的終點分別為B、B′點，即受軋終點，S1和S2分別為上下軋區的工作距離，谷粒受軋起始角αq和終軋角αz分別為

(2)

(3)

式中：D為膠輥直徑；b為軋距，取b=0.4 mm；l1為稻谷平均長度；l2為糙米平均長度，這里取l1=l2=8.5 mm；δ1為稻谷平均厚度，一般為1.7～2.6 mm；δ2為糙米平均厚度，一般為1.5～2.5 mm。

根據《農業機械設計手冊》[15]，膠輥礱谷機的設計參數，稻谷在軋區內的受軋時間與軋距b、快輥角速度ω1、慢輥角速度ω2等參數有關，快輥角速度為ω1=103.5 rad/s，慢輥角速度為ω2=67 rad/s。稻谷通過軋區的受軋時間tp為

圖5 谷粒進入和退出膠輥軋區情況Fig.5 Grain entry and exit from cot rolling area

表2 膠輥基本參數Table 2 Basic parameters of cots

(4)

通過式(4)計算可得，單粒稻谷在軋距縫隙的受軋時間為0.002 s。礱谷連續作業時，可以看成是均勻排布的稻谷依次通過膠輥軋區，每一粒稻谷通過軋區時便對膠輥施加一個作用時長2 ms的力，由于作用時間極短，所以可以每粒稻谷施加給膠輥的力看成是一系列作用時間和幅值相同的脈沖沖擊。

由于膠輥質量遠大于單粒稻谷質量，且稻谷作用在膠輥上的時間極短，因此膠輥在受到單粒稻谷的脈沖沖擊后來不及產生位移，不便于直接計算和測量膠輥的速度，從能量轉換的角度，膠輥受到的沖擊勢能轉換為膠輥動能，使快、慢膠輥具有分離的位移趨勢。為便于計算稻谷通過扎區后膠輥在脈沖沖擊下獲得的動能，把每粒稻谷通過軋區的受力情況視為相同，便可計算單粒稻谷通過扎區的情況，由于膠輥對沖擊力具有緩沖作用，這里先將膠輥和稻谷視為不可壓縮的剛體，然后添加膠輥的可壓縮率作為修正。

簡化后的稻谷受軋示意圖如圖6所示，膠輥的工作軌跡為一個半徑為R的圓，將稻谷視作半徑為稻谷平均厚度δ1一半的均勻球體，即稻谷的半徑r=δ1/2；稻谷的受軋起點與膠輥回轉中心連線與兩膠輥回轉中心的連線構成的夾角為α。

圖6 稻谷受軋示意圖Fig.6 Schematic diagram of rice rolling

=130 mm/s

(5)

把谷粒的受軋時間tp設置為脈沖時間Δt，每次脈沖的大小用力幅A表示，脈沖沖擊作用的效果由沖量I表示，沖量的大小為力作用時間乘以作用力的大小，即I=AΔt，由能量的轉化可知，物體所受合外力的沖量等于它的動量的增量，物體動量的增量是指物體質量和速度增量的乘積，即Δp=mΔv，碾米時，取礱谷膠輥速度增量Δv為膠輥的水平運動速度v0，由此可得單次沖擊力幅A的計算公式為

(6)

碾米時，送料輥每撥動一次稻谷流入軋區碾米，便產生一次沖擊激勵作用在膠輥上，因此送料輥的撥送稻谷頻率可看成膠輥產生沖擊激勵的頻率；送料輥上槽口的數量與轉速大小等因素決定了稻谷流入軋區的快慢，從而引起送料輥頻率的不同，送料輥參數如表3所示。

表3 送料輥的參數Table 3 Parameters of feeding roller

由送料輥轉速和槽口數計算送料輥連續送料周期和送料輥頻率，計算公式為

(7)

(8)

式中：Tf為送料輥連續送料周期；ff為送料輥撥送稻谷頻率，因此膠輥承受沖擊激勵的頻率等于ff=33.3 Hz，與激勵力檢測出的主要頻率37.5 Hz相接近，沖擊激勵周期為0.03 s，由式(4)與式(7)可知，沖擊激勵的作用時間遠小于膠輥礱谷的沖擊激勵周期，因此可以忽略沖擊激勵的曲線形狀對膠輥礱谷運動狀態的影響，進而可以用一特定大小和周期的矩形脈沖函數代替碾米時膠輥受到的沖擊激勵[17]。

膠輥的脈沖激勵簡化為等幅矩形脈沖函數后如圖7所示，其周期Tf=0.03 s、幅值A=325 N、脈寬為tp=0.002 s。

2 沖擊隔離系統仿真及分析

2.1 沖擊隔離系統仿真模型建立

根據礱谷工作時旋轉的工作狀態，經分析設計，利用三維建模軟件建立沖擊隔離系統的整體模型，在膠輥內安裝由隔沖器對壓并聯構成的沖擊隔離系統結構如圖8所示，隔沖器的兩端分別與膠輥和膠輥安裝軸盤連接，在膠輥的的前后兩面對壓并聯裝有6個隔沖器，隔沖器內裝有彈簧，用于減緩碾米的沖擊激勵。

在ADAMS中去掉原三維模型的彈簧和螺母等對仿真結果無影響的零件，調整柵格方向與膠輥回轉方向平行，然后在膠輥個零件之間添加約束；添加膠輥安裝軸盤在柵格垂直方向的全局固定約束；在膠輥安裝軸盤和膠輥與隔沖器的連接點處分別添加轉動副[18]，分別設置隔沖器中各零件之間的運動關系；簡化彈簧模型后的隔沖器需要在ADAMS中添加彈簧柔性連接[19]，彈簧參數如表4所示，在ADAMS中添加約束后的膠輥沖擊隔離系統如圖9所示。

圖7 等幅矩形脈沖函數Fig.7 Constant amplitude rectangular pulse function

圖8 安裝隔沖器的膠輥模型Fig.8 Rubber roller model for installing impact isolator

表4 隔沖器彈簧參數Table 4 Spring parameters of shock absorber

圖9 添加約束的膠輥沖擊隔離系統Fig.9 Rubber roller impact isolation system with added constraint

2.2 沖擊隔離系統的靜力仿真及分析

2.2.1 沖擊隔離系統靜態受壓特性仿真

設置膠輥沿全局X軸坐標系的正向勻速位移，代表膠輥碾米時在沖擊激勵作用下的位移趨勢，膠輥運動擠壓隔沖器中的彈簧，彈簧壓縮后擠壓膠輥安裝軸盤，添加膠輥安裝軸盤力的檢測，獲得沖擊隔離系統在準靜態壓縮時膠輥安裝軸盤所受力隨膠輥位移變化曲線如圖10所示。

當膠輥沿全局X軸坐標正向勻速平移時，膠輥安裝軸盤所受力為階躍響應曲線，膠輥處于初始位置時，彈簧剛度較大不產生壓縮量，膠輥與膠輥安裝軸盤類似剛性連接，此時膠輥安裝軸盤所受力的階躍量為161 N，膠輥位移量逐漸增加時，膠輥對隔沖器的壓力增大，彈簧逐漸被壓縮，膠輥運動產生的擠壓力受到隔沖器的緩沖作用，膠輥安裝軸盤所受力呈緩慢線性增長。此沖擊隔離系統在初始位置由隔沖器提供穩定的161 N初始支撐力，保證了膠輥碾米時在激勵力較小情況下軋距大小不易改變，保證碾米的穩定性；膠輥承受的沖擊激勵大于隔沖器提供的初始支撐力時，隔沖器對沖擊激勵的緩沖作用使膠輥安裝軸盤所受力的增量變小，進而使得膠輥不再承受沖擊激勵時，膠輥安裝軸盤所受力的釋放時間更短，有利于沖擊隔離系統能更快的回到靜平衡狀態，使沖擊隔離系統具有較好的魯棒性。

圖10 膠輥位移-膠輥安裝軸盤受力曲線Fig.10 Cot displacement-stress curve of cot installation shaft disc

2.2.2 沖擊隔離系統靜態扭轉特性仿真

膠輥礱谷碾米時，軋區內的稻谷在搓碾作用下脫殼，脫殼時稻谷對膠輥表面施加一個周向的生產阻力，沖擊隔離系統需要提供足夠大的轉矩來克服生產阻力完成脫殼，需要對沖擊隔離系統的扭轉特性做仿真分析，設置沖擊隔離系統在膠輥安裝軸盤的軸線方向勻速轉動，測量膠輥安裝軸盤轉矩，膠輥安裝軸盤轉矩隨膠輥轉角變化曲線如圖11所示。

圖11 膠輥轉角-膠輥安裝軸盤轉矩變化曲線Fig.11 Cot rotation angle-cot installation shaft disc torque change curve

由圖11可知，沖擊隔離系統旋轉時膠輥安裝軸盤的轉矩隨膠輥轉角的變化與靜平衡的受壓特性相似性，都為階躍響應曲線，膠輥轉角較小時，隔沖器因彈簧剛度而具有保持作用使其不產生變形，膠輥安裝軸盤在此刻的轉矩階躍量為11.2 N·m，說明此沖擊隔離系統在不碾米和開始碾米時提供一個穩定的抗變形轉矩，有效防止沖擊隔離系統的擾動。當膠輥轉角逐漸增大時，膠輥安裝軸盤轉矩呈線性增長趨勢，膠輥安裝軸盤轉矩隨膠輥轉角變化的特性，能保證在較小的膠輥角度偏移量下提供足夠轉矩用于克服生產阻力，在生產阻力陡然增加不足以克服生產阻力時，膠輥轉角偏移度數增加，進一步壓縮隔沖器中的彈簧，膠輥安裝軸盤上轉矩線性增加，防止膠輥安裝軸盤上所受的生產阻力陡然增加，有利于保護電機和膠輥，降低生產風險。

2.3 沖擊隔離系統隔振減振技術仿真及分析

根據第1節分析計算結果，在ADAMS中對沖擊隔離系統添加周期Tf=0.03 s、幅值A=325 N、脈寬tp=0.002 s頻率ff=33.3 Hz的單幅周期矩形脈沖驅動，驅動力作用方向為膠輥安裝軸盤回轉軸線的法線方向，由傅里葉余弦級數對沖擊激勵合成后的脈沖驅動如圖12所示。

矩形脈沖作用下膠輥質心位置發生偏移，建立膠輥質心位移量的檢測，建立膠輥安裝軸盤受力檢測。ADAMS進行動力學仿真，為了使計算仿真能夠收斂，常需要設置合適的仿真時間和步數，一般仿真時間為整數，步數是整數且是頻率的整數倍，設置仿真時間為1 s，開始仿真后得到膠輥質心位移響應曲線如圖13所示。

由圖13可知，單幅周期脈沖驅動下膠輥質心位置主要在初始靜平衡位置周圍撥動，最大偏移量為0.29 mm，膠輥分離軋距增大，最小偏移量為-0.09 mm，膠輥靠攏軋距減小；由于稻谷平均厚度一般在1.7～2.6 mm范圍內，軋距變化值遠小于稻谷平均厚度差值，及在合適的初始軋距時，由隔離系統引起軋距的變化不影響礱谷機正常碾米。

膠輥安裝軸盤受力變化曲線如圖14所示，由圖14可知膠輥安裝軸盤受力的變化頻率與脈沖沖擊頻率相一致，由此再次證明膠輥安裝軸盤受力與膠輥所受的沖擊激勵有直接關系；單幅周期脈沖激勵幅值為325 N，在沖擊隔離系統的緩沖作用下，傳遞到膠輥安裝軸盤上最大的力為161 N，傳遞率為49.5%。

在單周期內，沖擊隔離系統中的膠輥安裝軸盤受力在承受脈沖沖擊時突然升至最大值，然后在一個脈沖周期內緩慢回零，表明膠輥沖擊激勵傳遞到膠輥安裝軸盤上以后，膠輥安裝軸盤受力的突變性減弱，進而使得傳遞到整機結構件上的力更加均勻和平穩，從而減少整機的振動和聲輻射。

圖12 單幅周期脈沖驅動Fig.12 Single amplitude periodic pulse drive

圖13 膠輥質心位移響應曲線Fig.13 Response curve of cot centroid displacement

圖14 膠輥安裝軸盤受力變化曲線Fig.14 Force variation curve of rubber roller installation shaft disc

3 結論

(1)在礱谷輥激勵力的測試和分析中，由實驗數據可知，壟谷工作碾米時機箱面板上的加速度遠大與壟谷空轉時面板上的振動加速度，可知膠輥碾米時產生的的沖擊激勵通過連接件傳遞到了機架上，引起機架上零件的振動，產生額外的噪聲輻射。

(2)安裝沖擊隔離系統的膠輥在靜態受壓和扭轉特性的仿真時，在初始位置膠輥安裝軸盤的受力和轉矩變化均為階躍響應曲線，因為彈簧剛度為沖擊隔離系統在徑向和周向均提供一個保持效果，防止膠輥在沖擊激勵較小時輕易產生擾動，工作性能可靠。

(3)在對沖擊隔離系統進行脈沖沖擊下的動力學仿真分析后，對比分析脈沖沖擊與膠輥安裝軸盤受力，得到膠輥安裝沖擊隔離系統后傳遞力的大小為原結構的49.5%，驗證了在膠輥內部對壓并聯安裝隔沖器的沖擊隔離系統對減少鮮米機工作時的振動傳遞和噪聲輻射具有有益效果。