小型收割機(jī)切割器可靠性測(cè)試平臺(tái)研究*

苑曉亮，謝守勇, 2，劉軍, 2，謝秋菊，宋磊

(1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶市，400715； 2. 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市，400715)

0 引言

切割器可靠性[1-2]是指切割器在規(guī)定條件及時(shí)間完成規(guī)定功能的能力，而其考核評(píng)定的依據(jù)是其自身固有缺陷所暴露的故障。根據(jù)文獻(xiàn)[3]規(guī)定的切割器6種零部件(刀片、護(hù)刃器、護(hù)刃器梁、刀桿、刀桿頭和刀桿螺栓)涉及變形、彎曲、斷損、脫落、掉齒、損壞及磨損等7種/14個(gè)故障模式，會(huì)造成收獲機(jī)械漏割、割茬雜亂及停止收割等缺陷。除去切割器因插入土壤，碰撞石塊，鐵絲等突發(fā)情況造成的護(hù)刃器、刀桿斷損及彎曲變形等故障外，其余故障多因切割器負(fù)載及機(jī)械振動(dòng)造成。

傳統(tǒng)切割器可靠性測(cè)試受制于農(nóng)作物收獲季節(jié)、田間地形差異等因素的影響，其測(cè)試周期在某些地區(qū)長(zhǎng)達(dá)一年以上，無(wú)形中給企業(yè)浪費(fèi)了不必要的人力和財(cái)力，也直接影響了產(chǎn)品投入市場(chǎng)的研發(fā)周期[4-13]。因此，如何在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，準(zhǔn)確暴露這些故障是切割器可靠性測(cè)試的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

楊方飛等[14]利用有限元仿真結(jié)合載荷譜實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)高低隙噴桿噴霧機(jī)底盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。針對(duì)丘陵山區(qū)的小型農(nóng)機(jī)具的特點(diǎn),文獻(xiàn)[15]指出產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)可在研究有限的樣本、時(shí)間和使用費(fèi)用下，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)方面的薄弱環(huán)節(jié)，可為了解、評(píng)價(jià)、分析和提高產(chǎn)品有效使用壽命奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[16]旨在建立數(shù)字化可靠性檢測(cè)系統(tǒng)，全面、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)可靠性測(cè)試評(píng)估，基于數(shù)字仿真技術(shù)，探討了可物理模擬和不可物理模擬兩種場(chǎng)景下機(jī)械產(chǎn)品可靠性測(cè)試的一般流程，對(duì)于所提出的兩個(gè)實(shí)際案例，同時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能仿真分析，并進(jìn)行了可靠性評(píng)價(jià)，較好滿足了機(jī)械產(chǎn)品可靠性測(cè)試要求，為機(jī)械產(chǎn)品可靠性提升提供了依據(jù)。

文獻(xiàn)[17]基于硬件在環(huán)技術(shù)，搭建了秸稈物料控制下的HIL系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了秸稈切割仿真試驗(yàn)平臺(tái)，較好模擬了切割機(jī)田間工作環(huán)境，利用離散單元法進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，優(yōu)化了切割機(jī)基本結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性驗(yàn)證。文獻(xiàn)[18]提出一種新的可靠性評(píng)估方法，既立足于試驗(yàn)，又借助于仿真，針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品中的兩種常用分布進(jìn)行了仔細(xì)論證，試驗(yàn)可以方便探索無(wú)法仿真的性能，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的綜合考查，極大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了可靠性測(cè)試的精度。所提出的半試驗(yàn)仿真手段，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上借助數(shù)學(xué)物理方法，降低了可靠性仿真的難度。

上述文獻(xiàn)多側(cè)重于仿真分析，進(jìn)行了一般環(huán)境下的可靠性測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果并不具備普適性，本文針對(duì)丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的特定工作環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了小型收獲機(jī)切割器可靠性測(cè)試平臺(tái)，對(duì)于該平臺(tái)的加載器、振動(dòng)臺(tái)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了有效的控制策略和簡(jiǎn)潔的測(cè)試流程，利用轉(zhuǎn)矩傳感器和加速度傳感器，得到了空載及一般工作狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的切割轉(zhuǎn)矩，模擬了收獲機(jī)械在田間工作的實(shí)際過(guò)程。

1 整體設(shè)計(jì)

新型可靠性測(cè)試平臺(tái)需滿足以下三個(gè)條件：(1)物料不間斷地供給切割器；(2)物料可以重復(fù)利用，省下更換物料的時(shí)間，提高效率；(3)需為切割器補(bǔ)償提供因路面不平整及收獲機(jī)械自身機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的振動(dòng)應(yīng)力。為了滿足以上條件，本文設(shè)計(jì)的切割器可靠性測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。在圖1中，固定收獲機(jī)械于振動(dòng)臺(tái)之上，裝載獨(dú)立動(dòng)力機(jī)構(gòu)，僅讓切割器工作，利用設(shè)計(jì)的加載器連續(xù)為切割器提供切割物料，依靠控制箱提供的控制信號(hào)設(shè)定滿足要求的控制策略，完成測(cè)試過(guò)程。

圖1 可靠性測(cè)試平臺(tái)Fig. 1 Reliability test platform1.振動(dòng)臺(tái) 2.動(dòng)力機(jī)構(gòu) 3.收獲機(jī)械 4.割臺(tái)5.加載器 6.物料槽 7.控制箱

1.1 加載器設(shè)計(jì)及運(yùn)行原理

加載器由4臺(tái)調(diào)速電機(jī)(3K-15K/5IK120RGN-CF)分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)螺旋絞龍組成，將其固定在物料槽內(nèi)，其設(shè)計(jì)圖紙如圖2所示。其中圖2(c)為圖2(a)的加載器局部剖視圖，利用螺旋絞龍的旋轉(zhuǎn)將物料拋向切割器，而秸稈物料則在物料槽內(nèi)形成渦流，不斷涌向切割器。

傳統(tǒng)秸稈物料行進(jìn)喂入切割器只需保證秸稈物料行進(jìn)速度與收獲機(jī)械行走速度相同即可，而本文設(shè)計(jì)的秸稈物料喂入切割器需要依靠螺旋絞龍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將秸稈物料拋向切割器，由于秸稈物料與物料槽及它們之間的相互碰撞等因素，使得分析秸稈物料速度的過(guò)程變得相對(duì)復(fù)雜。本文利用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型[19-22]及牛頓力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，可以獲取桿狀秸稈的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)方程

(1)

式中：mj——桿狀秸稈質(zhì)量，kg；

Vj——桿狀秸稈線速度，m/s；

Ij——為秸稈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ωj——轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；

Mt,j——切向碰撞力產(chǎn)生的力矩，N·m；

Mn,j——法向碰撞力產(chǎn)生的力矩，N·m；

Mr,j——滾動(dòng)摩擦力矩，N·m；

j——第j個(gè)單桿秸稈，取值為任意整數(shù)。

根據(jù)式(1)可以得出，當(dāng)確立某一時(shí)刻的桿狀秸稈線速度Vj，其合力即可求出，相應(yīng)的設(shè)定了秸稈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，其合力矩即可求出，將獲取的數(shù)據(jù)代入式(1)進(jìn)行反復(fù)迭代，最終可求取某處單根桿狀秸稈的速度及位置。為簡(jiǎn)化求解桿狀秸稈的臨界速度，設(shè)定單根桿狀秸稈處于加載器的某一級(jí)螺旋葉片上，如圖3所示。

(a) 供料機(jī)構(gòu)主視圖

(b) 供料機(jī)構(gòu)左視圖

(c) 局部剖視圖圖2 加載器示意圖Fig. 2 Loader diagram

(a) 桿狀顆粒受力簡(jiǎn)化圖

(b) 脫離過(guò)程圖3 簡(jiǎn)化秸稈受力圖及過(guò)程分析Fig. 3 Simplified straw stress diagram and process analysis

將桿狀秸稈之間的摩擦力和碰撞力等折算為空氣粘滯力Fn，當(dāng)桿狀秸稈與螺旋面之間的靜摩擦力fj大于空氣粘滯力Fn時(shí)，加載器角速度超過(guò)臨界角速度，此時(shí)，桿狀秸稈的離心力Fn>Fn+fj，秸稈向螺旋葉片邊緣運(yùn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)開(kāi)始之后的動(dòng)摩擦力小于靜摩擦力，故秸稈做加速運(yùn)動(dòng)，最終脫離螺旋葉片獲得相對(duì)全局坐標(biāo)系的速度，其脫離過(guò)程如圖3(b)所示。為求解桿狀秸稈臨界速度，設(shè)定桿狀秸稈處于螺旋絞龍的半徑為r處,靜摩擦系數(shù)為ξ，根據(jù)上述分析可以得到

(2)

fj=ξ·mgcosθ-ξ·FL

(3)

在臨界速度時(shí)，設(shè)定fj=Fn，則有

(4)

ω>12.94 rad/s=123.57 r/min

(5)

為保證桿狀秸稈擁有足夠的初速度，將加載器的轉(zhuǎn)速范圍控制在300～500 r/min(31.41～52.36 rad/s)。

1.2 振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

切割器相關(guān)的振動(dòng)分別為行駛時(shí)地面理想激振(不包含發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng))，行駛且不切割時(shí)的各位置振動(dòng)(包含發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng))，行駛并切割時(shí)的各位置振動(dòng)(包含發(fā)動(dòng)機(jī)、切割器及各傳動(dòng)部件振動(dòng))[23-24]。本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)臺(tái)僅需滿足行駛時(shí)的理想地面激振條件。根據(jù)文獻(xiàn)[25]規(guī)定的車輛受激振頻率的表達(dá)式

fv=fn·v

(6)

式中：fv——車輛受到的激振頻率；

fn——路面不平度的空間頻率；

v——車輛行駛速度。

設(shè)定收獲機(jī)械高速作業(yè)的行駛速度為3.6 km/h，取推薦頻率上限fn=10 Hz，即可獲取收獲機(jī)械的受激振頻率亦為10 Hz。

依據(jù)文獻(xiàn)[26]測(cè)得收獲機(jī)械行駛時(shí)底盤(pán)機(jī)架上最大的加速度均方根為13.48 m/s2，本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)臺(tái)其最大激振加速度取為20 m/s2，此外，收獲田地的不平整度標(biāo)準(zhǔn)差取收獲機(jī)械田間作業(yè)時(shí)的最大振動(dòng)位移幅值30 mm。為節(jié)省測(cè)試費(fèi)用，利用質(zhì)量不平衡物體的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)源，本文選取機(jī)械式振動(dòng)發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(a) 振動(dòng)臺(tái)組成圖

(b) 振動(dòng)臺(tái)實(shí)物圖圖4 振動(dòng)臺(tái)Fig. 4 Vibration table1.底座框架 2.啟振機(jī)構(gòu) 3.承重板 4.電機(jī)5.彈簧 6.套筒

為便于拆裝，振動(dòng)臺(tái)不再采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土基座，要求在減小基座質(zhì)量基礎(chǔ)上加大臺(tái)面和基座的剛度。因此，振動(dòng)臺(tái)采用框架聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，安裝部剛度強(qiáng)化，框架間高強(qiáng)鈑金聯(lián)結(jié)，固定框架與底座框架采用多段槽鋼85-2-GB/T707利用高強(qiáng)螺紋緊固件聯(lián)結(jié)，底部使用10 mm熱軋鋼板45-Ⅱ-S-GB/T710聯(lián)接以增加強(qiáng)度；振動(dòng)彈簧采用碳素彈簧鋼絲20-h11-GB/T342/65Mn-B-GB/T4357淬火回火制成，設(shè)計(jì)壽命超過(guò)108次；啟振機(jī)構(gòu)采用HTD-8M-30-2F系列圓弧齒同步帶輪，噪聲低、壽命長(zhǎng)。

1.3 動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)由固定于支架上的電機(jī)、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器和動(dòng)力輸出軸組成，如圖5所示。由于動(dòng)力機(jī)構(gòu)整體比較沉重，為便于搬運(yùn)，在支架下加裝帶有剎車部件的萬(wàn)向輪，測(cè)試時(shí)踩下剎車固定，如有條件亦可使用預(yù)埋固定孔安插定位釘進(jìn)行進(jìn)一步固定[27-28]。而對(duì)于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器來(lái)說(shuō)，由于對(duì)同軸度要求很高且徑向力耐受能力較差，因此，在電機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)矩傳感器連接處增加聯(lián)軸器，這樣可提升聯(lián)結(jié)剛度又可保護(hù)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器。

2 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)試方案

由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器和加速度傳感器分別實(shí)時(shí)檢測(cè)切割器負(fù)載情況和振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)位移，以驗(yàn)證：(1)平臺(tái)是否為切割器提供接近實(shí)際工作的模擬工作應(yīng)力；(2)能否暴露切割器相關(guān)故障，使其成為可靠性模擬測(cè)試的故障激發(fā)源。

測(cè)試對(duì)象：收獲機(jī)械1WG6.3-110FC-Z，配套功率為6 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 600 r/min，動(dòng)力輸出軸與收割機(jī)外接動(dòng)力軸之間減速比為3∶1。該測(cè)試過(guò)程中，均由動(dòng)力機(jī)構(gòu)向收割機(jī)恒定輸出額定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。其物料槽和切割器如圖6所示。

測(cè)試材料：高粱莖稈(稈徑：4～8 mm；長(zhǎng)度：100～200 mm；含水量：約5%)。由于測(cè)試時(shí)間為2018年3月，并非收獲季節(jié)，因此使用了已干燥的存儲(chǔ)高粱莖稈；取少量樣品，經(jīng)24 h烘干后，對(duì)比烘干前后重量，測(cè)得含水量約為5%。此外，由于莖稈沾附夾雜的砂粒和植物體內(nèi)的硅酸體是造成割刀片磨損的主要原因，因此，在高粱秸稈內(nèi)混入砂粒以模擬此種情況。其中：細(xì)砂(細(xì)度模數(shù)為2.2～1.6，平均粒徑為0.35～0.25 mm)；特細(xì)砂(細(xì)度模數(shù)為1.5～0.7，平均粒徑為0.25 mm以下)；經(jīng)多次測(cè)試，確定砂粒與莖稈的混合質(zhì)量比為1∶10。

(a) 物料槽

(b) 切割器圖6 物料槽和切割器Fig. 6 Material tank and cutter

測(cè)試時(shí)間：可靠性測(cè)試時(shí)間為24 h，每測(cè)試12 h更換高粱秸稈1次，設(shè)置轉(zhuǎn)矩傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集率分別為10 Hz和100 Hz，裝載前后試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

(a) 裝載前試驗(yàn)平臺(tái)

(b) 裝載后試驗(yàn)平臺(tái)圖7 測(cè)試平臺(tái)Fig. 7 Test platform

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

為測(cè)試收獲機(jī)械空載狀態(tài)下的切割轉(zhuǎn)矩，以及保證收獲機(jī)械的最大激振振幅達(dá)到30 mm，設(shè)置振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率分別為0 Hz及4.12 Hz，利用變頻器調(diào)節(jié)螺旋絞龍轉(zhuǎn)速使其保持在一定的轉(zhuǎn)速下，模擬收獲機(jī)械在田間行走的實(shí)際收獲速度。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下的切割轉(zhuǎn)矩Fig. 8 Cutting torque at different speeds

由圖8可以看出，隨著螺旋絞龍轉(zhuǎn)速的提高，動(dòng)力輸出軸上轉(zhuǎn)矩也在不斷提高。螺旋絞龍轉(zhuǎn)速的提高可驅(qū)動(dòng)秸稈物料向割刀運(yùn)動(dòng)的數(shù)量增加，這代表了收獲機(jī)械在田間收獲時(shí)的行走速度在不斷增大，收獲速度的增加，必然引起動(dòng)力輸出裝置輸出轉(zhuǎn)矩的增大。本文取1 min采集數(shù)據(jù)的平均值，對(duì)其進(jìn)行連線分析，結(jié)果顯示滿足上述分析過(guò)程。對(duì)于振動(dòng)臺(tái)0 Hz時(shí)的情況，數(shù)據(jù)的波動(dòng)主要由動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)自身的振動(dòng)造成，這也是收獲機(jī)械克服自身阻轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)過(guò)程。

此外，根據(jù)文獻(xiàn)[29]規(guī)定的模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，記錄各種故障對(duì)應(yīng)出現(xiàn)和修復(fù)時(shí)間，如表1所示。利用表1分別計(jì)算出首次故障前作業(yè)時(shí)間、故障間隔時(shí)間和有效度。

表1 測(cè)試故障記錄Tab. 1 Test failures recording

從表1可以看出首次故障前作業(yè)時(shí)間為18 h。對(duì)于單一樣機(jī)實(shí)驗(yàn)而言，故障出現(xiàn)3次，可明顯觀察出故障間隔時(shí)間為2 h。由于有效度是指可維修產(chǎn)品在規(guī)定的條件下使用時(shí)，某時(shí)刻具有或維持其功能的概率，也就是產(chǎn)品正常工作的概率，而對(duì)于不可維修產(chǎn)品，有效度等效于可靠度。其計(jì)算公式

(7)

式中：K——有效度；

TO i——第i臺(tái)樣機(jī)累積作業(yè)時(shí)間，h；

TG i——第i臺(tái)樣機(jī)累積維護(hù)時(shí)間，h。

經(jīng)計(jì)算，本文測(cè)試樣機(jī)其有效度達(dá)95.62%。很明顯，維護(hù)所用時(shí)間越少，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)時(shí)固化在產(chǎn)品中的可靠性越高，反之，可靠性越差。

3 結(jié)論

為提高小型農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械在適應(yīng)丘陵山區(qū)作業(yè)時(shí)的可靠性，克服田間測(cè)試時(shí)，測(cè)試周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集不方便、物料消耗大及參與人員較多的不利因素，本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了基于螺旋絞龍的連續(xù)物料供應(yīng)機(jī)構(gòu)、模擬田間行駛路面的振動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)以及為割臺(tái)提高動(dòng)力的動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，并對(duì)此三部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。而對(duì)于試驗(yàn)平臺(tái)的控制部分，本文未做詳述。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)能很好地消除實(shí)際田間測(cè)試帶來(lái)的不利因素且能完整的模擬收獲機(jī)械的田間實(shí)際收獲過(guò)程。此外，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的故障記錄，可有效評(píng)估收獲機(jī)械的有效度，測(cè)試樣機(jī)其有效度達(dá)95.62%。當(dāng)然，此試驗(yàn)平臺(tái)也可適用于不同類型收獲機(jī)械的可靠性測(cè)試。就目前測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)，可以有效預(yù)測(cè)切割器故障產(chǎn)生的可能性，這種預(yù)測(cè)可為小型收獲機(jī)械的前期測(cè)試提供一定的參考。而對(duì)于切割器實(shí)際田間的工作可靠性，受各方面的影響因素過(guò)多，如測(cè)試對(duì)象桿徑強(qiáng)度的季節(jié)性影響、操作人員的失誤碰撞等，同一型號(hào)多個(gè)小型收獲機(jī)械其可靠性也會(huì)存在差異，所以本文主要目的是根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的故障記錄，來(lái)有效評(píng)估收獲機(jī)械的有效度，亦可為產(chǎn)品的優(yōu)化、定型等提供切實(shí)可行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。