項(xiàng)菲菲 項(xiàng)忠珂

【摘 要】小型甘蔗收割機(jī)砍蔗刀盤的振動(dòng)是影響甘蔗宿根破頭率的主要因素。引起砍蔗刀盤振動(dòng)的因素很多，從提高砍蔗刀盤本身的動(dòng)態(tài)性能的角度出發(fā)是解決砍蔗刀盤振動(dòng)的可行方法。基于ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言建立了砍蔗刀盤參數(shù)化模型，并以砍蔗刀盤的固有頻率作為約束條件，對(duì)砍蔗刀盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，為砍蔗刀盤是設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，對(duì)小型甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】小型甘蔗收割機(jī)；砍蔗刀盤；動(dòng)態(tài)性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

甘蔗是多年生宿根植物，目前國內(nèi)的甘蔗收割機(jī)械普遍存在甘蔗宿根破頭率較高的問題，嚴(yán)重影響甘蔗來年的發(fā)芽率。當(dāng)切割器旋轉(zhuǎn)速度和收割機(jī)前進(jìn)速度都處于理想狀態(tài)時(shí)，宿根破頭率的主要影響因素是切割器刀盤的振動(dòng)。引起刀盤振動(dòng)的因素既有路面和柴油機(jī)等外部激勵(lì)作用，也和刀盤自身高速旋轉(zhuǎn)有關(guān)，并且在切割甘蔗時(shí)受到?jīng)_擊載荷也會(huì)引起振動(dòng)。因此，我們不可能一個(gè)個(gè)消除引起振動(dòng)的因素，可行的方法是提高刀盤自身的動(dòng)態(tài)性能。

本文對(duì)已生產(chǎn)出樣機(jī)的小型甘蔗收割機(jī)的砍蔗刀盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于APDL進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。區(qū)別與常見的以最大應(yīng)變或應(yīng)力做約束條件的優(yōu)化，本文的優(yōu)化以刀盤的前3階固有頻率作為約束條件，并取得了良好的效果，為砍蔗刀盤的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，對(duì)小型甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 砍蔗刀盤參數(shù)化模型的建立

砍蔗刀盤上安裝有間隔90°角的四個(gè)刀片，并和轉(zhuǎn)軸組成切割器。采用自底向上的建模方式，建模時(shí)，簡(jiǎn)化掉四個(gè)刀片，并以位移約束代替轉(zhuǎn)軸上聯(lián)軸器，得到最簡(jiǎn)模型，如圖1所示?？痴岬侗P的的半徑與切割系統(tǒng)半徑及刀片的懸伸長(zhǎng)度有關(guān)，為不考慮優(yōu)化的參數(shù)，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強(qiáng)盤半徑為R，直接影響刀盤的動(dòng)態(tài)性能，為待優(yōu)化參數(shù)，取為95mm，厚度H2=15mm。

砍蔗刀盤的模型有ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）建立，為方便施加聯(lián)軸器對(duì)轉(zhuǎn)軸的位移約束，用ASBW命令將轉(zhuǎn)軸的外圓柱面分為兩個(gè)面。

3 砍蔗刀盤的模態(tài)分析

考慮到后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化，選取ANSYS優(yōu)化模塊支持的solid92號(hào)單元和Block Lanczos模態(tài)提取方法。由于影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的是前面幾階低頻模態(tài)，所以提取前砍蔗刀盤的前5階固有頻率，如表1所示。

砍蔗刀盤的第1、2階振型是繞X軸和Y軸的傾斜偏轉(zhuǎn)變形，第3階是四周翹起的彎曲變形，第4、5階是很大的前后或左右的彎曲變形。這些都對(duì)甘蔗宿根切割質(zhì)量造成很大影響。

此外，柴油機(jī)的工作頻率為36.43HZ，刀盤的工作轉(zhuǎn)速為900r/min，頻率為15HZ?？痴岬侗P的前5階固有頻率雖然避開了柴油接的工作頻率，但和刀盤的工作頻率都很接近，亟待提高。

4 砍蔗刀盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想是以最少的材料獲得最好的結(jié)構(gòu)性能。常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能為約束，有以最大節(jié)點(diǎn)位移的[7]，也有以綜合應(yīng)力或特征應(yīng)力的[8]，很少有以反應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的固有頻率作為約束的。

5 結(jié)論

以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能作為約束，對(duì)砍蔗刀盤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后刀盤的前5階固有頻率均有提高，說明刀盤的動(dòng)態(tài)性能得到了改善。此外，刀盤的前5節(jié)固有頻率差值也得到了擴(kuò)大，這有利于減少刀盤工作時(shí)越過共振區(qū)。

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作者簡(jiǎn)介：

項(xiàng)菲菲（1988-），女，漢族，江西豐城人，講師，碩士，研究方向： 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

項(xiàng)忠珂（1984-），男，漢族，江西上饒人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)仿真

基金項(xiàng)目：

江西科技學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：ZR12YB04）