路面不平度對甘蔗收獲機刀盤振動特性探究

姜建瑋，李尚平，李 冰，解向陽

(1.廣西科技大學 機械工程系，廣西 柳州 545006；2. 廣西民族大學，南寧 530006)

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路面不平度對甘蔗收獲機刀盤振動特性探究

姜建瑋1，李尚平2，李 冰1，解向陽1

(1.廣西科技大學 機械工程系，廣西 柳州 545006；2. 廣西民族大學，南寧 530006)

運用項目前期試驗獲得的蔗地路面不平度的功率譜密度(PSD)曲線，并借助多體動力學軟件ADAMS中ADAMS/Vibration這個模塊，對小型整桿式甘蔗收獲機的簡化模型進行振動仿真，得到了刀盤的振動特性曲線。通過對比試驗與仿真結果分析刀盤的幅頻曲線，驗證了模型與仿真結果的正確性，對后期耦合激勵源對刀盤振動特性的探究有重要意義。

甘蔗收獲機；路面不平度；功率譜密度；ADAMS/Vibration

0 引言

農業機械化是未來發展的必然趨勢，這就要求機械化生產要有更高的效率。用甘蔗機收割甘蔗時，不僅可以提高勞動生產的效率，還可以降低甘蔗生產的成本。但是，在我國甘蔗的主要產地在南方，由于多是丘陵地，所以起伏不平的道路必會引起切割系統中的刀盤振動，因而對甘蔗機的切割系統的性能要求較高，這也是我國目前甘蔗機存在的主要問題之一。小型整桿式甘蔗收獲機在收割過程中，切割甘蔗的質量受到刀盤振動、刀盤傾角及刀片數量等因素的影響[1-2]，而切割質量直接關系著甘蔗的破頭率[3]，破頭率的高低嚴重影響著甘蔗的產量。破頭率高的蔗兜容易影響甘蔗第2年生長狀況，而刀盤振動因素的影響因子最大。廣西大學賴曉[4]通過復現路面不平度并在ADAMS中建立路面模型來獲得刀盤振動曲線。由于路面構造隨機性比較強，路面長度短距離內難以真正探究出刀盤實際振動特性，而且ADAMS簡化模型中忽略了車架模型，不能夠更精確地獲得實際刀盤的振動特性。本文通過項目之前所采集的甘蔗地的實際路面不平度的功率譜密度數據在ADAMS中作為一種能量的輸入，并以實際甘蔗機的CAD模型在ADAMS中進行簡化保留車架這一關鍵部分，在頻域上得到了刀盤的振動特性，并通過試驗驗證證明了方法的可靠性。

1 功率譜密度和Adams/Vibration概述

1.1 路面不平度功率譜密度(PSD)

功率譜密度是每單位密度頻率譜上的功率總和，描述了時間序列上的功率在頻率范圍內是如何分布的，也可以理解為頻域中能量強度的衡量標志。從數學角度來看，功率譜密度定義為時間序列自相關傅里葉變化，也可以描述為時間序列傅里葉變換的平方，并乘以相應的常數因子。具體計算方法如下[5]：

假設蔗地路面不平度函數為s(x),做一維傅里葉變換，則

由于路面不平度采集的數據都是一些隨機分布的離散點，離散化后得到

上述公式中，令L=nΔx、k=2πfm、fm=m/(NΔx)，得到功率譜密度函數的離散估計公式為

其中，L為平均頻譜范圍；N為采樣點數目；Δx為取樣間隔；W(n)為窗口函數；K(n)為邊界因子。

應用上述原理，并借助MatLab軟件，對前期所采集路面不平度數據進行處理，得到了蔗地的功率譜密度曲線，如圖1所示。

從圖1中可以看出：不論是坡地，還是平地的路面，不平度所激勵的能量主要集中在5Hz左右，與路面不平度加速度頻譜得到的結果相符，后期仿真分析主要對平地功率譜密度進行研究。

圖1 蔗地功率譜密度曲線

1.2 Adams/Vibration工具簡介[6]

Adams/Vibration是多體動力學軟件ADAMS中的一個插件，也可以認為是集成在ADAMS/View的一個附件，其功能主要用于振動仿真分析，通過定義輸入通道、輸出通道和激勵來獲取目標點的響應。其中，激勵可以用系統默認正弦掃頻信號，也可以自己定義需要的頻率信號；同時，可以通過輸入外部采集的功率譜密度(PSD)數據；最后，通過后處理模塊可以獲取目標點的頻響曲線、功率譜密度曲線、傳遞函數及模態頻率等。其工作模型如圖2所示。

激勵 輸入通道 輸出

2 收獲機刀盤振動仿真分析

2.1 收獲機ADAMS模型簡化

將僅保留切割系統與車架的甘蔗收獲機的CAD模型，以通用格式導入到ADAMS中，并在ADAMS中建立輪胎模型，有效地反映了輪胎-車架-切割器-刀盤的振動傳遞路線。

甘蔗收獲機的簡化模型的連接關系在ADAMS中進行如下處理：①切割器與車架用鉸鏈連接;②車架與輪胎用轉動副連接;③在切割器兩刀軸之間用齒輪副模擬;④在整車重心處加一集中質量;⑤輪胎與大地之間連接用bushing連接模擬，得到的簡化模型如圖3所示。

圖3 甘蔗收獲機模型簡化

2.2 振動仿真建模與結果

在ADAMS/View中加載Adams/Vibration模塊，導入事先獲取的蔗地路面不平度功率譜密度曲線，以此數據來創建樣條曲線作為路面不平度的激勵；并以各個輪胎的質心處的marker點作為振動的輸入通道，方向為垂直大地向上，兩刀盤刀尖處的marker點作為輸出通道，最后選取刀尖處的marker點位移作為輸出，方向為全局坐標系的Z向。具體參數如表1所示。

表1 具體參數

在振動仿真建模完成之后建立振動分析，把輸入通道、輸出通道加載到分析界面，通過查看功率譜密度的曲線并設置起始頻率和終止頻率，并設置迭代步為200步，到此完成了振動分析的建立，如圖4所示。

待仿真結束后，通過后處理模塊的PostProcessing查看所得結果的頻響曲線，可以得到仿真目標點的刀尖處的頻響曲線。仿真結果的頻響曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出：在2 3Hz左右處有一個明顯的峰值存在，此時刀盤受路面不平度的影響最大。由圖6的曲線對比也可以發現：蔗地路面不平度的能量主要集中在5Hz左右，而刀尖處的功率譜密度的輸出主要集中在2～3Hz。這進一步說明：在蔗地路面不平度的影響下，輸入能量不是輸出的決定性因素，輸出的決定性因素是收獲機車架等的結構因素，使得在2～3Hz左右刀盤的垂向振動能量最大。

圖4 振動仿真分析模型

圖5 仿真結果刀尖處的頻響曲線

圖6 仿真功率譜密度曲線

3 收獲機樣機試驗驗證

為了探究路面不平度對刀盤的振動特性、驗證仿真結果的可靠性，針對現有樣機進行了對應的試驗測試。測試時，采用比利時LMS數據采集系統，并結合相應測試軟件LMS Test.lab和美國的PCB三向加速度傳感器，采集刀盤的垂向加速度數據。測試設備如圖7所示。

圖7 試驗設備

具體的測試方法主要分兩步進行：①在正常工作發動機轉速下，采集怠速下刀盤的垂向振動的加速度；②采集在怠速相同轉速下甘蔗收獲機不作業時刀盤的垂向加速度。由于要采集刀盤處的振動數據，受到采集設備的限制，同時為了保護設備的安全，刀盤不能轉動，因此在機具以正常工作速度行走、刀盤不轉時測取刀盤的垂向振動加速度。由于只采集刀盤的垂向振動，刀盤上粘貼的傳感器只需要保證z方向向上即可。考慮粘貼方便，其它兩方向不需要嚴格保證。測試時傳感器粘貼的位置如圖8所示。

圖8 傳感器的貼裝

把兩次采集的加速度數據導入到在LMS test.lab軟件[7]的Compare Runs 模塊中，查看兩次采集的數據的一致性，對兩次采集的兩組數據進行求平均處理；然后，再在LMS test.lab軟件[6]中做傅里葉變換，把測試得到時域數據轉化為頻域數據，得到頻譜圖如圖9所示。

圖9 刀盤垂向振動頻譜圖

由圖9可以看出：發動機在怠速下對刀盤振動的主要貢獻頻率在8.5Hz和17Hz兩處；而在行走時，由路面不平度引起的刀盤振動的頻率主要集中在0～6Hz,并且在2～3Hz時的加速度貢獻最大，與之前的仿真結果吻合。

4 結論

1)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。由文中可以發現：該能量不是由激勵輸入能量引起的，所以很有可能是由甘蔗收獲機切割器或者車架的結構頻率耦合引起的。

2)通過實驗與仿真的結果的對比，證明了ADAMS模型建立的有效性和準確性，能夠為后期更深入地研究路面不平度對甘蔗收獲機切割系統振動的優化提供可靠的仿真模型。同時，可為項目后期路面不平度、發動機和砍蔗3種激勵源對刀盤振動特性提供強大的數據支撐。

[1] 楊堅，梁兆新，莫建霖，等.甘蔗切割器切割質量影響因素的試驗研究[J]．農業工程學報，2005，21(5):60-64．

[2] 戴小標.小型甘蔗收獲機切割器結構設計、動力學分析及試驗研究[D].南寧：廣西大學，2008:28-43.

[3] 薛斌,李尚平,楊曲,等.甘蔗收獲機切割系統執行構對剛性的影響[J].農機化研究,2015,37(8):36-39.

[4] 賴曉，李尚平，麻芳蘭,等.甘蔗機激勵對砍蔗質量的影響[J].農業機械學報，2011,42(12):97-101.

[5] Xuejun Zhang,Jingchi Yu.Analysis of residual fabrication errors for computer controlled pollishing aspherical mirrors[J].Opt.Eng,1997(12):3386-3391.

[6] 王國強.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[7] 沃德·海倫.模態分析理論與試驗[M].白化同, 郭繼忠，譯.北京：北京理工大學出版社,2001.

Road Roughness on Cutter of the Sugarcane Harvester Vibration Characteristics of the Disc Inquiry

Jiang Jianwei1, Li Shangping2, Li Bing1, Xie Xiangyang1

(1.Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China; 2.Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

With sugarcane road roughness power spectral density(PSD) curve obtained in pre-project, and combined the multi-body dynamics software ADAMS and it’s module ADAMS / Vibration, to analysis the vibration of simplified model for small-scale sugar cane harvester, finally got the amplitude-frequency curve of the cutter vibration. Then through the experiment to verify the correctness of the model and simulation results, all researches above have great significance to the analysis of the coupled excitation source effect for the cutter.

sugarcane harvester; road roughness; power spectral density; ADAMS/Vibration

2016-01-07

廣西碩士研究生創新計劃項目(YCSZ2015206)；國家自然科學基金項目(54165006)；廣西高校科學技術研究項目(KY2015YB167)

姜建瑋(1991-),男，江西德興人，碩士研究生，(E-mail) 874601142@qq.com。

李 冰(1978-)，女，廣西柳州人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)gxgxyjxxlb@163.com。

S225.5+3;S220.3

A

1003-188X(2017)02-0071-04