電動微耕機振動特性分析與減振研究

金政宏，陳 建，王炎林，牛 坡，王 磊，張 勉，莫 婷

西南大學 工程技術學院，重慶 400715

電動微耕機作業時隨著耕作深度增加整機振動也更強烈，研究表明，在耕深大于10 cm的情況下每天使用4 h，3年后有10%的操作者出現白指病[6-10]，但是在作業過程中耕深大于10 cm是非常必要的，因此如何在滿足耕深條件下通過對整機進行減振保護操作者的身體健康，是電動微耕機在丘陵山區廣泛應用的一個關鍵因素[11-12].

本文主要研究對象為一臺自主研發的耕深大于10 cm的鋰電池組電動微耕機樣機在快擋作業情況下的豎直方向振動特性，電動微耕機扶手架處的振動直接影響操作者的身體健康，故而針對如何降低扶手架處振動的問題進行研究.

1 材料與方法

1.1 試驗設備與儀器

1. 扶手架； 2. 電機控制器； 3. 電動機； 4. 鋰電池組； 5. 支撐架； 6. 行走箱； 7. 刀輥； 8. 限深桿．圖1 電動微耕機整機結構

試驗設備為團隊自主研發的鋰電池組電動微耕機樣機(以下簡稱電動微耕機)，其電池組由170枚比克公司生產的H18650CC鋰離子單體電池，通過10組由17個單體電池串聯而成的電池串并聯而成，上下層分別呈7行10列和10行10列排列．電動微耕機整機結構簡圖如圖1所示(z方向為電動微耕機作業時的豎直向上方向，y方向為前進方向)，主要由扶手架、 電機控制器、 電動機、 鋰電池組、 支撐架、 行走箱、 刀輥、 限深桿組成．扶手架上布置有剎車裝置和控制旋鈕開關，當鋰電池組(位于發動機前)處于接通狀態時，鋰電池組為電動機供電．刀輥既是耕作部件，也是行走部件，刀輥切削土壤時，土壤反作用力推動機組前進．行走箱連接、 支撐各個部件并與刀輥軸之間有力的傳遞．末端支架設計有扶手架、 限深裝置連接結構，限深桿用于調節耕深．電動微耕機設置有快檔和慢檔兩個檔位，快檔轉速較高，是電動微耕機的耕作檔位，慢檔轉速較低，主要在轉向的時候使用，其主要性能參數如表1所示.

表1 電動微耕機主要性能參數

試驗的儀器包括美國國家半導體公司生產的356A16型三向加速度傳感器，該傳感器使用頻率范圍為0.3～6 kHz，量程為±50 g，使用溫度范圍為-54 ℃～+80 ℃，傳感器質量為7.4 g，x，y，x方向靈敏度分別為96.1，98.6，100.4 mV/g； 美國國家儀器有限公司生產的NI9234數據采集卡，數據采集卡和傳感器如圖2所示.

圖2 數據采集卡和傳感器

1.2 模型建立

電動微耕機的振動由電磁激振力、 刀輥切削土壤反作用力、 被切土垡撞擊擋泥板作用力、 行走箱機械傳動內力等幾部分組成，電磁激振力、 刀輥切削土壤反作用力、 被切土垡撞擊擋泥板作用力是電動微耕機主要的振動來源，針對主要振動來源對電動微耕機模型進行簡化，將系統各模型部分動力作用過程進行組合得到系統豎直方向動力學模型，如圖3所示.

圖3 系統豎直方向動力學模型

m1為扶手架的質量，m2為電動機質量，m3為鋰電池組電池箱質量，m4為支撐架質量，m5為刀輥質量；x1為扶手架位移隨時間變化函數，x2為電動機位移隨時間變化函數，x3為電池箱位移隨時間變化函數；x4為支撐架豎直方向振動位移隨時間變化函數，x5為旋轉刀輥豎直方向振動位移隨時間變化函數；k1為扶手架與支撐架之間的剛度，k2為電動機與支撐架之間的剛度，k3為電池箱與支撐架之間的剛度，k4為刀輥與支撐架之間的剛度，k5為土壤的等效剛度；c1為土壤等效阻尼系數.

F1為扶手架處作用力，F3為土垡撞擊力，F4為土壤對刀輥作用力.

聽到登子低低地對孩子嘀咕著：快點吃，快點吃，再不吃就和你死去的哥哥姐姐一樣。那孩子低低地問著：阿爸，為什么要在這里吃啊，拿到家里吃不好嗎？登子低低地吼道：小孩家懂什么，如果鬼知道我們有肉吃，那會把我們一起吃掉的，所以千萬別給任何人說你吃過肉。孩子帶著哭腔：阿爸，我不會說的，我真的不會說的。

根據圖3，可建立電動微耕機豎直方向一維振動系統微分方程為

(1)

電動微耕機扶手架處的振動直接影響操作者身體健康，所以需要減輕扶手架處振動，但是一旦優化扶手架結構就會導致整機質量發生變化從而影響耕深這一必要因素，在整機中支撐架相比于其他部件結構簡單易于優化，因此需要通過優化扶手架和支撐架的結構，使得整機質量不變的前提下，實現對扶手架處的減振.

根據上述分析和公式(1)，在matlab/simulink模塊中將各個零部件的程序框圖依次連接，并添加輸出端為扶手架和支撐架，可以得到仿真程序圖，如圖4所示.

圖4 電動微耕機豎直方向一維振動系統程序圖

1.3 仿真與試驗

完成仿真參數的設置開始運行仿真，可以得出輸出端支撐架平板與扶手架的豎直方向振動信號圖，如圖5所示.

圖5 扶手架和支撐架平板豎直方向振動信號圖

圖中曲線表明，旋耕刀具入土時，表現為振動加速度增大，當刀具切削土垡向上運動時，振動加速度減小，因此刀具循環入土、 出土環節中，振動加速度曲線與正弦信號類似．運算結果顯示，扶手架、 支撐架平板處振動加速度均方根值(以下簡稱RMS值)分別為10.06，35.61 m/s2，其中人手連接的扶手架處的RMS值為研究的重點，是反映操作者健康狀況的重要參數來源.

田間試驗在重慶市合川區試驗田開展，如圖6所示，該試驗田位于106°23′45″E，29°39′45″N，田寬為35 m，長度為50 m，該試驗田土地含水率為21%，土壤0～150 mm平均堅實度為0.453 MPa.

圖6 田間試驗圖

田間試驗時將三向加速度傳感器安裝在電動微耕機的扶手架與支撐架上，將檢測到的振動信號經數據采集卡傳遞至LabVIEW SignalExpress軟件系統，得到扶手架與支撐架的振動加速度的時域變化波形，通過對時域特征值分析獲得測點的振動加速度均方根值．電動微耕機在基于快擋工況下進行耕作土壤試驗，測試扶手架和支撐架平板處的振動曲線，整機接線布局與傳感器布點圖如圖7所示.

圖7 整機接線布局與傳感器布點

田間試驗測得的電動微耕機扶手架和支撐架兩處測點豎直方向振動加速度時域信號濾波處理如圖8所示，可以得到扶手架、 支撐架平板處RMS值分別為10.45，49.08 m/s2.

圖8 電動微耕機兩處測點豎直方向振動加速度時域信號濾波處理

1.4 結果對比

將仿真與試驗結果進行對比，如表2中數據分析可知，仿真誤差主要源于動力模型簡化中沒有考慮部件阻尼系數、 限深桿處作用力等振動參數以及田間振動試驗中的測試誤差．對于機械振動特性仿真，一般要求仿真與實驗誤差小于20%[13]，因此本次仿真與實驗誤差滿足精度要求，該模型可以進行重復利用.

表2 快擋工況下RMS值對比

2 結構優化

為了盡量減緩操作者得白指病，一般扶手架處z軸方向振動RMS值不超過10 m/s2，而且z軸振動RMS值應該盡可能減小[14]，但是前文仿真與試驗的扶手架處RMS值均超過10 m/s2，所以需要對電動微耕機進行減振，根據前文所述，應對支撐架和扶手架進行結構優化從而實現扶手架處振動減小.

結構優化又分為尺寸優化、 形態優化以及拓撲優化，對于支撐架而言因為其與行走箱、 電動機等相連接，所以無法進行尺寸優化，而且加工時又直接以整板形式與其他部件裝配，所以可以對支撐架進行拓撲優化； 對于扶手架而言，因為需要保證操作者在農作時最佳的舒適性，同時與支撐架連接的空心鋼管壁厚已經固定，所以不能對扶手架進行尺寸優化和對整體進行形態優化，只能在局部進行形態優化和拓撲優化.

2.1 扶手架的結構優化

電動微耕機扶手架作為圓形桿件，通過采用單一引入漸變阻抗界面[15]、 一維聲學黑洞法[16-17]、 形態優化法在尖端區域粘結阻尼材料的方法完成減振[18].

采用漸變介質阻抗法引入連續漸變阻抗界面，在扶手架橫桿處焊接空心管，原理是橫桿加設空心管可以增加扶手架質量吸收一部分由支撐架傳遞上來的振動從而降低傳遞到人手處的振動能量．采用一維聲學黑洞理論方法，在支撐架與扶手架平板連接處加工出錐狀結構，并在錐狀結構表面附著阻尼材料(橡膠)吸收振動能量.

優化后扶手架的結構示意圖如圖9所示，當整機工作時，振動能量匯聚到支撐架平板處，并經過扶手架傳遞到人手．當振動能量信號傳遞到扶手架時，一部分匯聚到尖端部分，并被阻尼材料吸收，另一部分傳遞經過漸變阻抗阻尼材料層，振動能量進一步削弱，當傳遞到人手接觸時，振動能量已經減輕了一部分，從而實現降低振動能量的目的，優化后扶手架質量增加1.25 kg，增加部分的質量需要通過優化支撐架來平衡.

圖9 扶手架復合減振結構總體示意圖

2.2 支撐架的結構優化

運用Ansys有限元方法對支撐架求解，優化云圖結果如圖10所示，深色部分為可去除材料部分.

圖10 支撐架優化云圖

分析支撐架結構，可知前端支架處所受應力不大可以采用結構優化的拓撲優化方案，對前端支架進行鏤空處理節省材料并減重，鏤空處理后支撐架質量相對減少了1.43 kg，與扶手架增加的1.25 kg質量相近，保證了整機質量不變而不影響耕深.

2.3 結果對比

基于上面章節中建立的Simulink仿真模型，替換掉電動微耕機優化前的支撐架和扶手架結構并對電動微耕機進行優化后仿真，結果如圖11所示.

圖11 優化后振動加速度曲線圖

從仿真得到的RMS值可知，扶手架處RMS值為7.40 m/s2，支撐架平板處RMS值為66.84 m/s2，相對于支撐架和扶手架未進行結構優化之前的仿真結果，扶手架處RMS值降低了21.7%.

2.4 優化后試驗驗證

加工出優化后的支撐架和扶手架結構如圖12所示，并裝配至電動微耕機上．利用優化后的電動微耕機在前文試驗的試驗田進行優化后試驗，所用儀器方法與前文試驗一致，測得扶手架處RMS值為7.89 m/s2，支撐架平板處RMS值為59.58 m/s2，與仿真結果對比誤差為6.6%，10.9%，與裝配優化結構前試驗相比扶手架處RMS值降低了24.5%.

圖12 優化后的支撐架前端支架和扶手架

3 結 論

通過仿真與田間試驗，驗證了仿真模型建立方法的可行性，得出Matlab/simulink所建立的電動微耕機模型精確并可以反復使用，仿真與試驗得出的扶手架振動RMS值均超過人手適宜的RMS值10 m/s2，需要對電動微耕機優化實現減振.

在仿真模型基礎上，對扶手架與支撐架進行結構優化，并進行優化后的仿真分析，得到支撐架質量相對減少了1.43 kg，扶手架質量相對增加了1.25 kg，整機質量未發生大的變化； 在優化仿真結果基礎上，加工出優化后的支撐架和扶手架并進行裝配，利用優化后的電動微耕機進行試驗，測得扶手架處RMS值較優化前降低了24.5%，實現了電動微耕機減振的目的.