小型甘蔗收獲機分動箱性能優化及試驗研究

李尚平，鐘家勤，葉才福，鄧　雄，楊代云，羅春周

(1.廣西民族大學 化學化工學院，南寧　530004；2.廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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小型甘蔗收獲機分動箱性能優化及試驗研究

李尚平1，鐘家勤2，葉才福2，鄧雄2，楊代云2，羅春周2

(1.廣西民族大學 化學化工學院，南寧530004；2.廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對小型甘蔗收獲機分動箱工作過程中的因受力變形而導致振動過大和工作失效問題，根據分動箱的薄弱環節，提出了分動箱結構改進方案，并對結構改進優化前后的分動箱進行振動測試分析。試驗結果表明：振動加速度強度峰峰值同比下降15.4%～32.2%,有效值下降6.5%～30.1%；改進后箱體有效避開了發動機的振動頻率，分動箱性能得到了提高，并且得出了分動箱的主要振源，為分動箱的減振處理提供了依據。

關鍵詞：甘蔗收獲機；分動箱；振動；優化

0引言

經統計顯示，自2002年起，廣西甘蔗產量超過了3 840萬t，成為國內第一；2011-2012年度，廣西甘蔗種植面積109.3萬hm2，產糖量達到了694.28萬t，在糖業市場中占據的比例超過了60%[1-3]。在我國，與甘蔗產值不成正比的是甘蔗收獲機械化程度，急切需要加快甘蔗收獲機械化研發。甘蔗收割機的分動箱是動力分配的中樞系統，起到運動的傳遞和動力分配的作用，由于甘蔗收獲時工作狀況惡劣,甘蔗種植生長的不均勻, 導致收獲時機器負荷波動大。從20世紀90年代到目前[4]，我國的許多專家對齒輪箱性能方面的相關內容做了大量的研究和探索，但鮮有對甘蔗收割機分動箱動態特性的研究。本課題組在前期試驗及仿真過程中發現，原有的分動箱在工作過程中，伴隨著較大的振動和噪聲，甚至出現了軸承內圈被壓壞、軸承滾珠脫落及傳動軸鍵槽崩裂失效等現象，這種早期的非正常損害給樣機的進一步研發造成了很大的阻力，所以急需對其動態性能進行改進與優化。

為此，通過仿真分析對小型甘蔗收割機分動進行了相關的前期分析研究，找到了有關的影響因素，提出了有關的改進建議。本文將通過試驗測試的方法對改進前后的分動箱進行動態試驗分析，驗證前期的分析結論及改進前后箱體的動態性能。

1分動箱箱體改進

在前期的試驗過程中發現了分動箱伴隨著較大的振動及工作可靠性不高、傳動部件的使用壽命不長、傳動軸軸心不同軸、齒輪軸系不平行，以及箱體結構設計不合理等問題。結合本課題組其他成員的有限元仿真分析的結果可知：分動箱箱體設計結構不合理，容易出現局部應力集中現象，并且蓋板在應力集中部位的強度也不能滿足要求，在工作動載荷的作用下易于發生變形而導致零件的破壞。

針對這些問題提出提出幾點改進方案：

1)改進定位安裝方式。動力輸出軸和泵軸采用內插式聯接，使液壓泵固定座直接與前蓋板連接，以端面定位，再對其進行加工。這樣就很容易地滿足加工的基準統一原則，可減小加工誤差，也避免了因為連接螺栓的螺紋間隙而引起的裝配誤差的出現，很好地保證泵軸和動力輸出軸的對中性。

2)改用花鍵。傳動軸在傳遞相同的扭矩時，花鍵連接要比平鍵連接產生的應力更小，更有利于應力的均勻分布，降低應力集中的危害。所以，將動力輸出軸的輸出端改為內花鍵形式，裝配時只需將泵軸伸入花鍵軸內，免去聯軸器裝置，既可以大大縮短液壓泵固定座的長度，達到減小蓋板承受的傾覆力矩的效果，也很容易滿足動力輸出軸和泵軸的對中性，保證裝配精度，提高傳遞的可靠性。

3)增加分動箱壁厚。分動箱前蓋板厚度增加4mm，達到減小應力的目的；同時在蓋板薄弱的地方增加加強筋，減小蓋板的變形，提高分動箱的傳遞效率；最后，考慮到分動箱工作環境比較惡劣，所以留有足夠的裕量來應對各種不同的工作狀況。

動力分配箱改進后前后物理樣機和裝配示意圖如圖1～圖4所示。

圖1　改進前箱體結構

圖2　改進后箱體結構

1.分動箱組件　2.分離的液壓泵固定組　3.剛性聯軸器聯接

圖4　改進后分動箱總裝

對比改進前后分動箱裝配圖可以看出：動力輸出軸和泵軸采用內插式聯接不僅縮短了液壓泵固定座的長度，減小了箱蓋的受力，提高了聯接剛性，也有利于保證輸出軸與泵軸聯接的中心同軸。

2試驗設備與方案

2.1　試驗目的

對改進前后的動力分配箱進行振動測試，對比改進前后的動態特性，分析改進后動力分配箱振動的改善效果。

2.2　試驗設備

東華振動測試儀一臺，PCI加速度傳感器3個，筆記本電腦一臺，數據線若干，如圖5所示。

圖5　試驗設備

2.3　試驗方案

為確定發動機不同轉速對動力分配箱振動的影響，選取發動機轉速1 700、1 900、2 100r/min這3個轉速下，分別測量動力分配箱3個方向(水平、垂直、軸向)的振動加速度，動力分配箱測點布置如圖6、圖7所示。

圖6　舊箱體測點布置圖

測試框圖如圖8所示。

圖8　測試框圖

2.4　采樣頻率的確定[5]

由于分動箱與發動機采用的是剛性連接，所以動力分配箱的主要激勵來自發動機的點火激勵和不平衡慣性力的干擾頻率。四缸發動機在不同轉速下的扭轉振動頻率如表1所示。

表1四缸發動機在不同轉速下的扭轉振動頻率

Table 1The torsional vibration frequency of four cylinder engine in different rotating speed

轉速/r·min-1頻率/Hz170056.6190063.3200066.7210070

點火激勵為

其中，f1為發動機點火激勵頻率(Hz)； n為發動機的轉速(r/min)； i為發動機缸數；τ為沖程系數，兩沖程為1，四沖程為2。

不平衡慣性力為

其中，Q為比例系數，一級慣性力Q=1，二級慣性力Q=2； n為發動機轉速(r/min)。

從公式可以看出：該發動機的點火激勵和二階不平衡慣性力的干擾頻率相同。結合發動機的激勵頻率和分動箱分析的模態分析結果(1階和2階固有頻率分別為396.67、653.26Hz)，所以最終確定采樣頻率為2kHz。

3分動箱箱體改進后振動試驗結果分析

3.1　時域信號分析

在發動機不同轉速下，改進前后的動力分配箱振動強度時域信號，本文選用其中一組時域信號如圖9所示。

圖9　發動機1700r/min時測點1振動加速度時域信號

統計各測點的時域信號峰峰值和均方根，得到改進前后動力分配箱的振動強度的數據如表2～表5所示，曲線圖如圖10～圖15所示。

對比表格和曲線圖可以看出：改進后的動力分配箱振動加速度的峰峰值和有效值都要比原來的小，改進后振動加速度強度峰峰值降低了229.58～545.21 m/s2,有效值降低了10.69～55.56 m/s2,峰峰值同比下降15.4%～32.2%,有效值下降6.5%～30.1%,說明了動力分配箱的振動強度得到了一定的改善，更有利于提高箱體的工作可靠性。

從加速度時域信號來看：隨著發動機的轉速增加，振動強度也隨之增加，對比同一箱體的3個位置的時域信號的均方根值可以知道，動力分配箱在垂直方向上的振動強度最大。這主要是由發動機的安裝方式決定的，所以在后期針對整機布局的高剛性研究也需重點考慮發動機垂直方向振動對車架的影響。

表2　分動箱改進前振動加速度強度

表3　分動箱改進后振動加速度強度

表4　分動箱改進前振動加速度強度差值

表5　分動箱改進前振動加速度強度降低比例

圖10　改進前后測點1峰峰值對比

圖11　改進前后測點1均方根對比

圖12　改進前后測點2峰峰值對比

圖13　改進前后測點2均方根對比

圖14　改進前后測點3峰峰值對比

圖15　改進前后測點3均方根對比

3.2　頻域信號分析

圖16～圖18為改進后的動力分配箱在發動機1 700r/min時的加速度的頻域信號。從頻域圖可以看出：各測點都存在56.78Hz的頻率，且在56.78Hz處各測點的加速度幅值都達到了最大；而56.78Hz正好與發動機在1 700r/mim附近時的二級慣性力激勵相吻合，所以發動機的二級慣性力是動力分配箱的主要振源。

圖16　發動機1700r/min測點1加速度頻域信號

圖17　發動機1700r/min測點2加速度頻域信號

圖18　發動機1700/min測點3加速度頻域信號

從各測點的前10階振動頻率來看，都較好地避開了箱體的前兩階固有頻率，僅在測點1的第6階和測點3第10階出現了375.94Hz的響應頻率，與箱體的一階固有頻率396.67Hz較為接近。其在沖擊振動能量很大時，必然會激起箱體的固有頻率。但由于其振動能量較小，故不會激起箱體的固有頻率，所以箱體的動態特性可以滿足使用的要求。

圖19～圖21為改進后的動力分配箱在發動機1 900r/min時的加速度的頻域信號。測點1和測點3的振動都有283.91Hz的頻率，這個頻率是中心軸轉頻 (為轉軸轉速)的9倍，正好等于向心球軸承6208的滾動體個數。由于測點1和測點3都較接近中心軸承座位置，故測得的該頻率信號較強；而測點2遠離了中心軸承座，所以在測點2前10階峰值中并未出現這一頻率的信號。

圖19　發動機1 900r/min測點1加速度頻域信號

圖20　發動機1 900r/min測點2加速度頻域信號

圖21　發動機1 900r/min測點3加速度頻域信號

觀察各測點加速度頻域信號可以知道，3個測點都存在64.61Hz。該頻率是發動機在1 900r/min時的二級慣性力激勵頻率，所以發動機的二級慣性力激勵和其倍頻仍然是動力分配箱的主要振源，所以對發動機的減振處理，對提高分動箱的使用性能有著重要的意義。

4結論

1)針對原有分動箱存在的轉子不對中、結構設計不合理及強度裕量不足等問題，提出了改進方案，對物理樣機進行了改進。

2)改進后的動力分配箱振動加速度的峰峰值和有效值都要比原來的小，振動加速度強度峰峰值同比下降15.4%～32.2%,有效值下降6.5%～30.1%,說明了動力分配箱的振動強度得到了一定的改善。

3)改進后的分動箱前10階振動頻率，都較好地避開了發動機的振動頻率,結果與課題組的仿真分析結果相符,說明改進后的分動箱更有利于提高箱體的工作可靠性。通過對振動試驗頻域數據的分析，得到了引起分動箱振動的主要振源，發動機的二級慣性力激勵和其倍頻仍然是動力分配箱的主要振源，為分動箱的減振處理提供了依據。

參考文獻：

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[5]蘭洋.基于adams的動力總成懸置系統的隔振仿真研究[J].現代車用動力,2009(6)：9-12.

The Performance Optimization and Experimental Research of the Small Sugarcane Harvester Transfer Case

Li Shangping1，Zhong Jiaqin2， Ye Caifu2，Deng Xiong2，Yang Daiyun2， Luo Chunzhou2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University For Nationalities，Nanning 530004, China；2. College of Mechanical Engineering, Guangxi University，Nanning 530004, China)

Abstract：In the work of small sugarcane harvester transfer case , excessive vibration and failure of work caused by mechanical deformation.to solve weak link of transfer case , the paper put forward the improvement scheme about transfer case structure,and carry on vibration test analysis. Test results show:the peak value of vibration acceleration intensity decreased from 15.4% to 32.2%, effective value decreased from 6.5% to 30.1%.The vibration frequency of the engine is effectively avoided by the improved box.transfer performance has been improved. And the result obtain the main source of the transfer case, provide the basis for the treatment of vibration transfer case.

Key words：sugarcane harvester; transfer case； vibration; optimization

中圖分類號：S225.5+3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0155-06

作者簡介：李尚平(1956-)，男，廣西博白人，教授，博士生導師，(E-mail)spli501@vip.sina.com。通訊作者：鐘家勤(1989-)，女，廣西欽州人，碩士研究生，(E-mail)zhongjiaqin2013@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(E050303)；廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室開放項目(11-031-12S04)

收稿日期：2015-11-12