基于車架模態的蔗地路譜對刀盤振動的影響

李尚平，張 彪，葉才福，周敬輝，楊代云

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004；2.廣西民族大學 化學化工學院，南寧 530008)

基于車架模態的蔗地路譜對刀盤振動的影響

李尚平1,2，張 彪1，葉才福1，周敬輝1，楊代云1

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004；2.廣西民族大學 化學化工學院，南寧 530008)

小型甘蔗收獲機刀盤振動對甘蔗宿根切割質量有著顯著影響，蔗地路譜激勵是影響刀盤振動的主要因素之一，車架是傳遞振動的主要路徑，因此有必要探究蔗地路譜對刀盤振動的影響和車架的振動特性。為此，通過試驗模態和有限元模態的對比分析，提取車架的固有頻率及振型，建立車架的剛彈耦合虛擬樣機模型；通過刀盤振動采集試驗，驗證了蔗地路譜對刀盤振動影響顯著；實地采集典型甘蔗地貌振動路譜，獲取激勵位移信號。受迫振動分析表明：8.0Hz頻率下的蔗地路譜對刀盤軸向振動影響最大。

甘蔗收獲機；車架；振動；路譜

0 引言

甘蔗是我國南方的重要經濟作物，目前國內甘蔗聯合收獲機的研制和推廣面臨諸多挑戰[1-2]。近幾年，我國甘蔗機械化收獲試驗結果表明：機械收割甘蔗后，甘蔗宿根損傷嚴重，導致翌年宿根發芽減少或不能發芽，極大影響了甘蔗產量和經濟效益。在國內應用的各型號甘蔗收獲機中破頭率一般都高達20%以上[3]，過高的破頭率意味著農民種植成本的翻倍提高。所以，降低破頭率、提高甘蔗宿根切割質量是亟待解決的問題。凱斯A4000型甘蔗收獲機是華南地區甘蔗收獲的主力機型[4]，其針對丘陵地區甘蔗中小地塊的種植模式結構做了簡化，尺寸較小，在各機型中具有較優的代表性。

在我國，甘蔗廣泛種植在南方丘陵地區，起伏不平的蔗地路譜會引起機械的振動，特別是切割系統的振動。甘蔗收獲機車架是整機的主要支座部件，承載和支撐駕駛室、發動機、剝葉機及物流輸送裝置等部件，承受各種交變載荷，也是地面不平度引起切割系統振動的主要傳遞路徑。甘蔗收獲機車架在復雜蔗地環境中作業時受到的路譜激勵將引起其結構的動態響應。當路面不平度引起的振動與沖擊的振動頻率接近車架的固有頻率時，將導致車架振動加劇進而影響車架上的安裝部件刀盤的振幅，降低甘蔗的宿根切割質量，影響整機的結構動態特性和可靠性。通過課題組前期大量的試驗研究發現，切割器在砍蔗時會產生極大的振動。由于切割效果是在短時間內刀盤與甘蔗相互作用形成的，因此刀盤振動會直接影響切割力的大小和方向，進而影響甘蔗的宿根切割質量和破頭率。廣西大學賴曉等通過虛擬仿真分析和試驗驗證，針對丘陵地貌路譜激勵對砍蔗質量的影響進行了有益的探索。試驗表明：蔗地路譜激勵對砍蔗質量有一般顯著的影響，且隨著激勵頻率的增大砍蔗質量有降低的趨勢[5]。

目前，虛擬樣機技術已廣泛應用于農機產品的設計和開發中。姚艷春等利用模態分析與試驗結合的方法，優化了玉米收獲機車架結構，改善了振動頻率[6]；陳樹人等利用振動測試方法研究了谷物聯合收獲機割臺的振動特性[7]；周敬輝利用虛擬樣機技術對小型履帶式甘蔗聯合收獲機進行了建模，對臺架的動態特性進行了較為深入的研究[8]。

本文通過建立車架的剛彈耦合虛擬樣機模型，并實地采集典型甘蔗地貌振動路譜，采用模態分析和受迫振動分析方法，探究蔗地路譜對刀盤振動的影響和車架的振動特性。

1 車架模態分析

1.1 試驗模態

凱斯A4000型甘蔗收獲機整機如圖1所示。車架模態試驗采用單點激勵多點響應的方法，激勵方式為發動機怠速激勵，加速度傳感器分別置于車架的21個測點位置。試驗設備利用LMS SCADAS Ⅲ便攜式數據采集前端，PCB公司的356A16型三軸加速度傳感器及LMS Test.Lab軟件進行數據采集。

圖1 凱斯A4000型整機Fig.1 CASE A4000 machine

按照車架上的測點編號，在LMS Test.Lab軟件的Geometry工作表中創建對應的節點，再連接節點創建線，完成車架的幾何模型，如圖2所示。該模型將車架簡化為具有6根橫梁的結構，橫梁位置分別在前方送蔗棍、駕駛室下方、發動機下方、后輪兩側和后方物料輸送機構。將傳感器與數據采集前端聯接，對傳感器通道進行量程和靈敏度設置，車架模態試驗結果如表1所示。

圖2 車架試驗模型Fig.2 Test model of frame表1 車架試驗模態Table 1 Test modality of frame

階數試驗模態頻率/Hz振型描述143.669車架駕駛室下方梁輕微扭轉268.013車架整體扭轉3295.068左側板的擺動4342.169發動機下方板的扭轉5371.371發動機后方梁的扭轉6450.992車架兩側板的扭轉

由于車架的低頻振動波長較長，低階振型對結構的穩定性具有重要作用，因此車架的第1、2階固有頻率及振型對車架振動特性影響較大。由表1可知：高階振頻遠離低階振頻，同時由于高頻成分振幅較小，瞬態響應分量衰減迅速，因此高階模態對車架的動態特性影響較小。

1.2 有限元模態

根據測量得到的凱斯A4000型甘蔗收獲機車架的外形尺寸，在三維造型軟件UG中建立車架的三維實體模型，之后將生成的prt文件導入有限元分析軟件ANSYS中建立車架的有限元模型，如圖3所示。有限元單元類型為Solid 185，最小單元尺寸10mm，最終生成94 147個單元和22 532個節點。車架結構材料為Q235，材料屬性參數如表2所示。

圖3 車架有限元模型Fig.3 Finite element model of frame表2 車架材料屬性Table 2 Material properties of the frame

材料彈性模量/GPa泊松比密度/kg·m-3屈服強度Q2352070.297850220

通過收斂速度較快的Block Lanczos法提取前4階模態[9]，模態計算結果如表3所示。第1、2階模態振型如圖4所示。

表3 有限元模態計算結果

圖4 第1、2階模態振型Fig.4 The first and second order modal shapes

1.3 模態結果對比分析

當所建立的有限元模型準確可靠時，分析結果才能真實反映樣機的動態特性進而用于進一步的受迫振動分析。因此，對車架的有限元模型與物理樣機試驗模型進行相關性分析，只有滿足相關性要求，才能驗證模型的準確性。由于試驗模型簡化了車架，因此相對于有限元試驗模態會有多個模態丟失。選擇振型相近的3個模態進行對比分析，結果如表4所示。

表4 模態結果對比

由表4可知：有限元模態頻率與試驗模態頻率誤差最大值為5.3%，接近顯著性相關。這說明，所構建的有限元模型較為準確，具有較高的可靠性，能夠很好地反映實際結構的振動特性。

2 蔗地路譜信號采集試驗

2.1 刀盤振動信號采集與分析

試驗在廣西甘蔗主產區金光農場進行，試驗儀器為LMS SCADAS Ⅲ數據采集前端、PCB型加速度傳感器和凱斯A4000型甘蔗收獲機。將傳感器貼裝在刀盤上，設置LMS采樣頻率為1 024Hz,傳感器靈敏度為100mV/g。選擇一壟蔗地樣本，分別測試發動機怠速情況下和保持怠速發動機轉速下以0.8m/s勻速行走的刀盤振動加速度信號。數據采集處理結果如圖5所示，圖中實線表示怠速加速度信號，虛線表示勻速行走時的刀盤振動加速度信號。

圖5 刀盤振動加速度信號Fig.5 Vibration acceleration signal of cutter

圖5表明：從整體振動水平上看，路面影響刀盤的振動總量級較大，振動幅值增長范圍為15.1%～27.8%。這說明，蔗地路面對刀盤振動影響顯著。

2.2 蔗地路譜信號采集與分析

蔗地路譜采集試驗采用五輪儀法[5]。五輪儀的安裝示意圖如圖6所示，原理示意圖如圖7所示。

圖6 五輪儀安裝圖Fig.6 Installation figure of fifth-wheel tester

圖7 五輪儀原理示意圖Fig.7 Principle diagram of fifth-wheel tester

在金光農場選取有代表性的一壟200m長蔗地，將加速度傳感器安裝在五輪儀車軸上，五輪儀固定在農用車后輪一側，行駛速度為0.8m/s。使用LMS數據采集前端和東華DH5922N動態信號測試系統進行數據采集，根據采樣定律，設置采樣頻率為100Hz，采樣時間為60s。

分別測試怠速情況下五輪儀車軸的加速度信號，保持怠速發動機轉速下以0.8m/s勻速行走的加速度信號，對所采集的數據進行傅里葉變換得到頻譜圖，如圖8所示。由圖8可知：頻譜曲線大致吻合，并且蔗地路譜頻率主要集中在0～10Hz之間，符合軟路面的頻率范圍，進一步證明了所采集數據的正確性。

圖8 頻譜圖Fig.8 Frequency spectrogram

2.3 路譜信號處理

利用MatLab進行數據處理排除發動機的干擾，得到一壟的加速度時域信號如圖9所示。

圖9 加速度時域信號Fig.9 The time domain signal of acceleration

由于受五輪儀自身特性的影響，與路面的實際激勵信號存在一定的偏差，為了消除這種偏差，需要測量五輪儀結構的傳遞函數。用柔性繩將五輪儀吊起，分別在車軸頭和接觸路面處安裝兩個加速度傳感器，并在底部用力錘激勵。通過LMS數據采集前端測量這兩點間的加速度傳遞函數h(k)，即

h(k)=ai/ap

其中，ai為輸出信號；ap為力錘激勵信號。

假設采集到的加速度信號為ar，則路面實際激勵信號H(k)為

H(k)=h(k)*ar

運用上述方法，將五輪儀車軸加速度信號經過傳遞函數還原成蔗地路譜激勵加速度信號，并經過濾波降噪和積分處理，獲得蔗地路譜激勵位移信號，如圖10所示。

圖10 蔗地路譜激勵位移信號Fig.10 Excitation displacement signals of road spectrum of cane fields

3 車架受迫振動分析

為探究蔗地路譜對刀盤振動的影響，對車架作受迫振動分析。將車架的有限元模型導入動力學仿真軟件ADAMS中建立車架的剛彈耦合虛擬樣機模型，如圖11所示。在車架前輪連接處設置一對蔗地路譜激振臺，輸入位移激勵信號；車架與激振臺、地面、刀盤均通過BUSHING連接；激振臺與地面設置有垂直方向的移動副。由于蔗地路譜激勵位移信號為非穩定、非線性信號，所以采用EMD分解法對其進行平穩化處理[10]，將分解后得到的各IMF分量位移信號分別輸入激振臺作為激勵信號，驅動車架發生受迫振動，測量車架上刀盤的軸向振動位移。

圖11 虛擬樣機模型Fig.11 Virtual prototype model

通過虛擬樣機分析，獲取車架在蔗地路譜激勵下的振動響應。5種線型表示分解后獲取5個IMF分量激振信號，如圖12所示。圖12顯示：有3個IMF分量均在激振頻率為8.0Hz時刀盤振幅達到最大值，其它IMF分量對振幅影響不顯著。由疊加原理可知，8.0Hz頻率下的蔗地路譜對刀盤軸向振動影響最大。

圖12 受迫振動響應Fig.12 The response of forced vibration

4 結論

1)對試驗模態和有限元模態進行對比分析，驗證了有限元模型的準確性，得到車架的各階固有頻率及振型。

2)通過刀盤振動信號采集與分析，表明蔗地路面對刀盤振動影響顯著。通過蔗地路譜信號采集試驗和信號處理，獲取蔗地路譜激勵位移信號。

3)在蔗地路譜激勵下對車架進行受迫振動分析，結果表明：8.0Hz頻率下的蔗地路譜對刀盤軸向振動影響最大。

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Effect of Road Spectrum on Vibration of Cutter Based on Frame Modality

Li Shangping1,2, Zhang Biao1, Ye Caifu1, Zhou Jinghui1, Yang Daiyun1

(1.College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004, China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530008, China)

Vibration of small sugarcane harvester's cutter has a significant impact on the ratoon cutting quality. And road spectrum excitation is one of the main factors influcing vibration of cutter. At the same time, frame is the main path of vibration. So it is necessary to explore the effect of road spectrum on vibration of cutter and vibration characteristics of frame. Through the contrast of experimental modal and finite element modal, this paper obtains the natural frequency and vibration mode, and establishes the rigid-elastic coupling virtual prototype model of frame. It's verified that road spectrum has significant effects on cutter's vibration through cutter vibration test. And typical sugarcane geomorphic vibration road spectrum and excitation displacement signal are acquired. Through forced vibration analysis, it is found that road spectrum of 8.0Hz motivate the biggest influences on axial vibration of cutter.

sugarcane harvester; frame; vibration; spectrum

2016-09-23

國家自然科學基金項目(51465006)；廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室項目(GXLH2014KF-04)

李尚平(1956-)，男，廣西博白人，教授，博士生導師，(E-mail)spli501@vip.sina.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)12-0043-05