寬幅割草機割刀工作特性試驗研究

賀占清,郭志平,李鳳偉,楊 莉,董忠義

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,呼和浩特 010000;2.內(nèi)蒙古華德新技術(shù)有限公司,呼和浩特 010000;3.內(nèi)蒙古華德牧草機械有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

0 引言

往復(fù)式切割器由于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便被普遍應(yīng)用于桿狀作物的收獲。其大多采用機械傳動結(jié)構(gòu)將電機、內(nèi)燃機等動力輸出部件的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為切割器動刀的往復(fù)直線運動,通過兩刀片的相對運動實現(xiàn)對桿狀作物的切割收獲工作。對于棉稈、灌木、玉米莖稈、小麥等桿狀作物的收獲,大部分學(xué)者就往復(fù)式收獲機械的各結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)進行了研究分析,如刀片結(jié)構(gòu)尺寸、曲柄轉(zhuǎn)速、切割間隙、切割速度、前進速度及切割傾角等。隨著往復(fù)式切割器被應(yīng)用于天然草場牧草的收獲,因草場面積大、牧草收獲量大,往復(fù)式割草機收獲寬幅成為提高牧草收獲效率最直接的途徑;但由于往復(fù)式切割器寬幅的增加,切割器振動及變形問題逐漸成為限制草原牧草高效、高質(zhì)量收獲的關(guān)鍵。往復(fù)式切割器寬幅大,往復(fù)慣性大,導(dǎo)致割刀工作過程中振動和變形大,加之收獲牧草水分及纖維含量等因素,切割器在收獲過程中出現(xiàn)粘草粘泥、漏割和切割失效等現(xiàn)象,如圖1所示。

1.定刀 2.動刀

對于往復(fù)式切割器振動的研究,大多學(xué)者對往復(fù)式切割器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵運動參數(shù)進行了優(yōu)化,從而降低了往復(fù)慣性力及切割器振動。2009年,吳明亮、羅海峰等人基于MatLab的SMULUNK振動模型仿真往復(fù)式稻茬切割器的振動,對比曲柄平衡塊、三角擺塊及質(zhì)心位置對機構(gòu)沖擊振動的影響關(guān)系,找到了最佳的曲柄平衡塊質(zhì)量、三角擺塊平衡塊質(zhì)量和兩者質(zhì)心位置。2011年,梁方、王德成就曲柄連桿機構(gòu)、擺環(huán)機構(gòu)、曲柄擺桿機構(gòu)等幾種往復(fù)式割草機傳動裝置對割草機振動的影響進行了仿真對比研究,為往復(fù)式割草機設(shè)計提供了減小機械振動與慣性力的方法。同年,宋占華、田富陽等人利用虛擬樣機技術(shù)針對往復(fù)棉桿切割器振動力進行了研究,確定了割刀切割速度、配重塊質(zhì)量及安裝位置等優(yōu)化參數(shù),并通過試驗驗證了切割阻力隨切割速度的變化關(guān)系。而對于草原寬幅割草機割刀工作特性的研究,還未見相關(guān)試驗報道。為此,針對草原高效寬幅往復(fù)式割草機進行工作特性分析,擬定試驗研究方案,探究空載狀態(tài)下割刀工作頻率對割刀工作狀態(tài)的影響。從割草機工作寬幅入手,分析割刀工作寬幅內(nèi)不同部位的振動及變形情況,揭示寬幅割草機振動及變形特點,旨在為牧草寬幅收獲機械的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進提供理論支撐。

1 切割器動力學(xué)分析

往復(fù)式寬幅割草機主要由機架、行走輪、切割器和傳動系統(tǒng)幾部分組成,如圖2所示。工作時,由拖拉機牽引并通過拖拉機動力輸出軸提供動力,切割器與地面緊貼,有利于割草機的地面仿形、保證割茬高度。拖拉機動力通過萬向軸、圓錐齒輪及皮帶輪傳遞到切割器,通過曲柄滑塊機構(gòu)將拖拉機后軸的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為割刀的直線往復(fù)運動。

圖2 寬幅割草機

為不影響切割器作業(yè),切割器采用偏置滑塊機構(gòu)實現(xiàn)動作。切割器緊貼地面,曲柄安裝在機架上與地面操持一定高度,曲柄通過木連桿與割刀連接并傳遞動力。圖3為往復(fù)式割草機切割器運動簡圖。切割器曲柄由拖拉機后軸提供動力,以角速度ω做勻速轉(zhuǎn)動,回轉(zhuǎn)中心與割刀往復(fù)直線偏置e,曲柄長l1,木連桿長l2。

圖3 切割器運動簡圖

圖4為割刀與木連桿連接處受力分析圖。割刀主要受到切割阻力、摩擦阻力、割刀重力、割刀慣性力、切割器對割刀的支持力及木連桿對割刀的作用力。各力之間平衡關(guān)系為

Fcosθ=F1+f+F2

(1)

Fsinθ=FN

(2)

式中F—木連桿對割刀作用力(N);

F1—割刀切割阻力(N);

F2—為割刀慣性力(N);

f—摩擦阻力(N);

FN—切割器對割刀的支持力(N);

θ—木連桿與水平線的夾角(rad)。

圖4 受力分析

木連桿對割刀的作用力在鉛垂方向的分力(Fsinθ)是割刀在鉛垂方向上跳動的主要原因。鉛垂方向的分力主要由切割器對割刀的支持力平衡,在割刀運動過程中支持力大小可由式(3)確定。割刀向右運動時割刀所受切割阻力、摩擦阻力和慣性力向左,木連桿受壓推動割刀運動,切割器對割刀支持力鉛垂向上。當割刀向左運動時割刀所受切割阻力、摩擦阻力和慣性力向右,木連桿受拉拉動割刀運動,切割器對割刀支持力鉛垂向下。由此表明,割刀工作過程中在鉛垂方向上受到方向和大小都呈周期性變化的作用力,導(dǎo)致割刀在工作時出現(xiàn)上下跳動、振動、變形等失效現(xiàn)象。

(3)

(4)

若不考慮割刀彎曲變形,割刀振動模型可簡化為一端固定、一端自由的彈性直桿的拉伸振動。割刀縱向振動方程可由式(5)表示,割刀自振頻率及振型如式(6)和式(7)確定。由于割刀工作時運動及受力復(fù)雜,振動模型只能對割刀固有頻率及振型與割刀長度及割刀材料性質(zhì)的關(guān)系進行初略顯示。割刀固有頻率與割刀材料性質(zhì)及割刀長度呈正相關(guān),割刀各位置振型與割刀長度呈負相關(guān)。

(5)

(6)

(7)

式中ρ—體密度(kg/m3);

F—截面積(m2);

E—彈性模量;

u(x,t)—距離割刀左端x垂截面處的位移(m);

p(x,t)—割刀所受拉力(N);

L—割刀長度(m);

2 割刀工作特性試驗方案

往復(fù)式割草機工作過程中割刀運動及受力復(fù)雜,在計算機仿真中很難對割刀工作特征進行仿真模擬。為了能準確地探究割刀工作特性,對9GQS-4.6型寬幅割草機進行空載試驗,去除地形環(huán)境對割刀振動及變形的影響,從割刀工作頻率和割刀不同位置兩因素入手對割刀工作特性進行試驗研究。試驗時間為2018年9月,試驗地點為內(nèi)蒙古華德牧草機械有限責(zé)任公司,試驗機型為內(nèi)蒙古華德牧草機械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的9GQS-4.6型寬幅割草機,割刀長度2 794mm,動刀及刀桿為JB/T規(guī)定的1型。試驗設(shè)備如圖5所示。

圖5 試驗設(shè)備

試驗主要從兩方面對割刀工作特性進行試驗分析:一方面通過割刀各部位跳動加速度分析割刀工作過程中的振動頻率及振動強度;另一方面通過割刀各部位局部變形量分析割刀工作過程中變形規(guī)律。圖6為割刀各測試傳感器的布置位置。在測試點1、測試點2和測試點3處各布置1個加速度傳感器,測試3個位置處割刀豎直方向上的跳動加速度;在測試點4和測試點5處各布置1個應(yīng)變傳感器,測試兩個位置處割刀的變形量。

試驗測試系統(tǒng)主要由加速度傳感器、應(yīng)變傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成。其中,加速度傳感器采用ADXL335型加速度傳感器,應(yīng)變傳感器采用BF350-3AA型應(yīng)變傳感器。各測試點的振動及變形量通過加速度傳感器和應(yīng)變傳感器采集并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡,通過虛擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)LABVIEW軟件進行數(shù)據(jù)的讀取和存儲。測試系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖6 測試點布置

圖7 測試系統(tǒng)流程

為探究不同工作頻率下割刀各位置的振動及變形情況,試驗拖拉機通過控制供油量階段性緩慢增加實現(xiàn)對后軸轉(zhuǎn)速的控制,使得割刀由較低工作頻率緩慢增長至割刀發(fā)生較大振動,全程對割刀加速度及應(yīng)變量進行采集。對測得數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析后表明,割刀工作頻率主要集中在6～12Hz。取如表1所示4種割刀工作頻率下的數(shù)據(jù)對割刀振動及變形進行分析。

表1 試驗割刀工作頻率

3 割刀振動特性分析

分析割刀不同工作頻率下的振動情況,截取割刀穩(wěn)定工作后部分數(shù)據(jù)進行分析。圖8～圖11分別為割刀工作頻率為6、7、9、12Hz時測試點1處測得割刀在鉛垂方向跳動加速度的變化曲線。

分析表明:在割刀工作頻率為6Hz時,割刀鉛垂方向上加速度在-1～1m/s2內(nèi)波動。對加速度波動曲線進行高頻濾波后發(fā)現(xiàn),割刀低頻振動與割刀工作頻率無對應(yīng)關(guān)系。割刀工作頻率為7Hz時,割刀振動較6Hz時劇烈,加速度在-2～2m/s2內(nèi)波動。經(jīng)高頻濾波后有波動趨勢,但與割刀工作頻率無對應(yīng)關(guān)系。割刀工作頻率為9Hz時,割刀振動頻率有明顯增加,且加速度幅值較6Hz和7Hz時大很多,高頻濾波后的波動頻率與割刀工作頻率略有相關(guān)性。割刀工作頻率為12Hz時割刀振動頻率較9Hz時,略有降低,加速度的波動范圍也有相應(yīng)減小,但割刀在0.15～0.175s內(nèi)出現(xiàn)1次加速度的突變,說明割刀在此時出現(xiàn)劇烈碰撞。對割刀振動進行高頻濾波后發(fā)現(xiàn),割刀在鉛垂方向的低頻波動頻率與割刀工作頻率有明顯相關(guān)性。

圖8 試驗1加速度曲線

圖9 試驗2加速度曲線

圖10 試驗3加速度曲線

圖11 試驗4加速度曲線

對割刀測試點1、測試點2、測試點3處振動對比分析,圖12～圖14分別為割刀工作頻率為12Hz下測試點1、測試點2和測試點3處割刀在鉛垂方向上的跳動加速度變化曲線。

圖12 測試點1處加速度曲線

圖13 測試點2處加速度曲線

圖14 測試點3處加速度曲線

對比割刀不同部位鉛垂方向上的振動情況可知:割刀不同部位上都表現(xiàn)為高頻振動,割刀在動力輸入處(即測試點1處)振動頻率及振幅略低,遠離動力輸入的測試點2和測試點3處割刀振動頻率高且振動幅值大。對割刀各部位加速度變化曲線進行高頻濾波后可知:在測試點1處割刀加速度低頻波動頻率與割刀工作頻率有一定相關(guān)性,測試點2處加速度低頻變化頻率與割刀工作頻率相關(guān)性降低,測試點3處相關(guān)性更弱。

4 割刀變形特性分析

截取與振動分析相同時間內(nèi)的數(shù)據(jù)對割刀測試點4處變形情況進行分析,圖15～圖18為在割刀在測試點4處工作頻率分別為6、7、9、12Hz時的變形量變化曲線。

圖15 試驗1變形量

圖16 試驗2變形量

圖17 試驗3變形量

圖18 試驗4變形量

對割刀測試點4處不同工作頻率下的變形量對比分析發(fā)現(xiàn):割刀變形量存在高頻波動,隨割刀工作頻率的增加割刀變形波動量及波動頻率都相應(yīng)增加。割刀變形量在工作頻率為6Hz時為0.025～0.005mm,工作頻率為7Hz時為0.03～0.012mm,工作頻率為9Hz時為0.035～0.015mm,工作頻率為12Hz時為0.05～0.03mm。對割刀變形量變化曲線進行高頻濾波處理后發(fā)現(xiàn),在測試點4處割刀變形量的低頻變化頻率與割刀工作頻率基本相同。

分析割刀測試點5處變形情況,圖19～圖22為割刀測試點5處工作頻率分別為6、7、9、12Hz時的變形量變化曲線。

圖19 試驗1變形量

圖20 試驗2變形量

圖21 試驗3變形量

圖22 試驗4變形量

對割刀測試點5處的變形量變化曲線進行對比分析發(fā)現(xiàn):割刀測試點5處的變形也表現(xiàn)為高頻波動,隨割刀工作頻率的增加割刀變形波動量越大、波動頻率越大。工作頻率為6Hz時變形量基本為0mm,工作頻率為7Hz時為-0.07～0.07mm,工作頻率為9Hz時為-0.015～0.015mm,工作頻率為12Hz時為-0.03～0.03mm。對割刀變形量曲線進行高頻濾波后發(fā)現(xiàn):割刀在測試點5處的變形量低頻變化頻率與割刀工作頻率存在較弱的相關(guān)性。在工作頻率為6Hz和7Hz時,變形量低頻曲線基本保持為直線;工作頻率為9Hz時,低頻曲線開始出現(xiàn)波動,波動頻率與割刀工作頻率接近;工作頻率為12Hz時,割刀低頻變形量曲線出現(xiàn)明顯的波動,且變化頻率基本與割刀工作頻率相同。

5 討論

由上述分析可知:割刀工作過程中主要表現(xiàn)為高頻振動,工作頻率越高振動強度越大。試驗中,割刀工作頻率為9Hz時,割刀低頻振動頻率與割刀工作頻率出現(xiàn)微弱相關(guān)性;當工作頻率為12Hz時,割刀低頻振動頻率與割刀工作頻率出現(xiàn)明顯相關(guān)性,且割刀出現(xiàn)劇烈振動甚至有碰撞現(xiàn)象產(chǎn)生。為保證較高的收獲效率的同時降低割刀振動,有效避免割刀劇烈振動導(dǎo)致堵草、粘泥等切割失效現(xiàn)象,割刀預(yù)設(shè)工作頻率易在9Hz附近取值。

割刀不同部位的振動及變形都表現(xiàn)為在靠近動力輸入端處的低頻變化頻率與割刀工作頻率具有一定相關(guān)性,而越遠離動力輸入端相關(guān)性越弱,但高頻變化頻率越大。寬幅割草機割刀結(jié)構(gòu)呈細長片狀結(jié)構(gòu),振動及變形很容易由振源傳遞至遠端。割草機振動主要由木連桿與割刀連接處產(chǎn)生,割刀在鉛垂平面內(nèi)受木連桿周期性變化力作用,加之割刀安裝間隙,使得割刀在動力輸入端處發(fā)生上下跳動,導(dǎo)致割刀振動。因振動的傳遞及割刀柔性變形,使得遠離動力輸入端也隨之出現(xiàn)相關(guān)性較弱,但有高頻的振動及變形。對傳動方式及割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整,可有效減小割刀振動及變形的產(chǎn)生:首先,傳動方式盡量布置為水平傳動,減少割刀鉛垂面內(nèi)的受力,使得割刀在鉛垂面內(nèi)的周期性變化力減弱,減少其跳動激勵;其次,減小動力輸入端的安裝間隙,使得割刀在鉛垂面上的跳動量減少,降低振源的振動強度;最后,提高割刀整體剛度及韌性并降低割刀的摩擦阻力,減小割刀工作過程中的變形及振動的傳遞,使得定刀與動刀始終保持有效切割力。

本文對往復(fù)式寬幅割草機空載狀況下工作特性進行了試驗研究,探究了割草機不同工作頻率及不同部位的振動及變形狀態(tài),討論分析了降低割刀振動的優(yōu)化措施,但由于機構(gòu)優(yōu)化工作量較大,需在后續(xù)設(shè)計改進后分析驗證優(yōu)化措施的可靠性。

6 結(jié)論

1)割刀振動特性試驗研究發(fā)現(xiàn):寬幅割草機割刀振動主要表現(xiàn)為高頻振動,振動強度隨工作頻率增加而增加;在靠近動力輸入端,振動略小于遠端;當割草機工作頻率為12Hz時,割刀動力輸入端低頻振動頻率與工作頻率出現(xiàn)較強相關(guān)性。

2)割刀變形量試驗研究發(fā)現(xiàn):寬幅割草機割刀變形也存在高頻波動,隨工作頻率的增加變形波動頻率及幅值都有所增加,在靠近動力輸入處略大于遠端;割刀工作頻率越大,越靠近動力輸入端割刀變形量低頻波動頻率與割刀工作頻率相關(guān)性越強。

3)對割刀不同工作頻率下工作特性試驗分析,提出割刀工作頻率設(shè)計為9Hz時存在既保持較高工作效率又降低切割失效的可能性。對割刀不同部位的工作特性進行試驗分析,提出了優(yōu)化傳動方式、降低安裝間隙、減小切割阻力、提高割刀剛度及韌性的措施。