陳少江，李尚平，李 冰，解向陽，姜建瑋

(1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；2.廣西民族大學(xué)，南寧 530006)

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某甘蔗機(jī)刀盤橫向擺動問題研究

陳少江1，李尚平2，李 冰1，解向陽1，姜建瑋1

(1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；2.廣西民族大學(xué)，南寧 530006)

為了更深入地了解某甘蔗機(jī)刀盤的振動，以某樣機(jī)為試驗(yàn)對象，對引起刀盤的振動的兩個(gè)主要因素進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)研究可知，發(fā)動機(jī)的激勵(lì)和路譜激勵(lì)對刀盤的振動確實(shí)有很大的貢獻(xiàn)；在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100r/min時(shí)，無論勻速行駛還是怠速刀盤的橫向擺動都很嚴(yán)重，通過對測試數(shù)據(jù)的分析得出此峰值可能不主要是由發(fā)動機(jī)這單一因素引起的，可能與刀盤本身有關(guān)。對該刀盤做了模態(tài)測試，由模態(tài)試驗(yàn)分析的結(jié)果可知，刀盤在該發(fā)動機(jī)的激勵(lì)頻率處確實(shí)存在橫向擺動的模態(tài)。為了解決刀盤橫向擺動問題對刀盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，經(jīng)過對加筋后的刀盤進(jìn)行試驗(yàn)測試，由分析結(jié)果可知，在此激勵(lì)的頻率下刀盤無橫向擺動問題。此優(yōu)化方案解決了甘蔗機(jī)刀盤振動問題，對后期進(jìn)行切割系統(tǒng)的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。

甘蔗機(jī)；刀盤；激勵(lì)；模態(tài)；優(yōu)化

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化是未來發(fā)展的必然趨勢,要求機(jī)械化的生產(chǎn)要有更高效率。用甘蔗收獲機(jī)收割甘蔗時(shí)，不僅能提高勞動生產(chǎn)率，還可以降低甘蔗的生產(chǎn)成本。但我國甘蔗的產(chǎn)地主要在南方，而南方多是丘陵地，這就要求甘蔗機(jī)要有較好的切割性能。因?yàn)榍懈罡收岬馁|(zhì)量直接關(guān)系著砍蔗的破頭率，破頭率高的蔗兜容易影響甘蔗來年生長狀況和來年甘蔗的發(fā)芽率,進(jìn)而影響著甘蔗的產(chǎn)量。在甘蔗機(jī)收割過程中，影響砍蔗質(zhì)量的因素有很多，如刀盤的轉(zhuǎn)速、刀盤的直徑、前進(jìn)的速度、刀片的數(shù)量和路面激勵(lì)等等[1-3]。這些因素都會造成刀盤的振動，而刀盤的振動是造成切割質(zhì)量較低的最直接的因素,也是我國目前甘蔗機(jī)存在的主要問題之一，故刀盤的振動成為影響砍蔗質(zhì)量的一個(gè)不容忽略的因素。

由賴曉和范志達(dá)[4-5]利用虛擬樣機(jī)仿真分析的結(jié)果可知，路譜激勵(lì)和刀盤轉(zhuǎn)速對刀盤的振動影響顯著。刀盤的振動對路譜激勵(lì)和刀盤轉(zhuǎn)速都會直接影響刀盤的振幅[4]，從而影響砍蔗的質(zhì)量，兩者對刀盤振幅的貢獻(xiàn)都比較顯著，因此有必要對甘蔗收獲機(jī)在行駛和發(fā)動機(jī)在正常工作轉(zhuǎn)速時(shí)刀盤的振幅進(jìn)行研究。本文為了更深入地了解樣機(jī)開發(fā)前期刀盤的振動性能，以該樣機(jī)為研究對象對這兩種工況進(jìn)行了測試。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

此次試驗(yàn)的采集設(shè)備為：比利時(shí)的LMS數(shù)據(jù)采集前端、數(shù)據(jù)采集軟件LMS Test.lab和美國PCB三向加速度傳感器。以某型號的樣機(jī)為試驗(yàn)的測試對象，采集樣機(jī)在兩種工況下工作時(shí)刀盤的振動加速度數(shù)據(jù)。因?yàn)橐杉侗P的振動信號，所以要在刀盤上布置傳感器，但由于信號的采集設(shè)備(加速度傳感器)是有線的，便不能使刀盤轉(zhuǎn)動，如果刀盤轉(zhuǎn)動便會損壞試驗(yàn)采集設(shè)備。為了更深入地了解該樣機(jī)的振動特性，分別在發(fā)動機(jī)被動端(與車架連接處)、齒輪箱內(nèi)外側(cè)和刀盤處各布置一個(gè)傳感器，如圖1所示。故本次試驗(yàn)定為試驗(yàn)1：刀盤不轉(zhuǎn)動且發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為工作轉(zhuǎn)速下采集刀盤的振動信號。試驗(yàn)2：在路上勻速行駛且發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)1相同的工況下采集刀盤的振動信號。

試驗(yàn)時(shí)，為了減小采集設(shè)備本身帶來的誤差并保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性，在試驗(yàn)之前有必要對三向加速度傳感器的靈敏度用標(biāo)定器進(jìn)行重新標(biāo)定。

1.2 數(shù)據(jù)采集

具體的測試流程和測試步驟主要分以下3步進(jìn)行：

1)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100r/min且刀盤不轉(zhuǎn)動，采集兩個(gè)刀盤、齒輪箱內(nèi)外側(cè)和發(fā)動機(jī)被動端的振動數(shù)據(jù)；

2)以同樣的轉(zhuǎn)速且刀盤不轉(zhuǎn)動時(shí)在平直的道路上勻速行走(見圖2)，采集傳感器處的振動數(shù)據(jù)；

3)以同樣的轉(zhuǎn)速且刀盤不轉(zhuǎn)動時(shí)在自制的搓板路上勻速行走(見圖3)，采集傳感器處的振動數(shù)據(jù)。

為了減小試驗(yàn)的誤差，每個(gè)試驗(yàn)工況采集3～5組數(shù)據(jù)。

圖2 平直路Fig.2 The flat straight road

圖3 搓板路Fig.3 The washboard road

1.3 數(shù)據(jù)分析

對采集的加速度數(shù)據(jù)在LMS Test.lab軟件中先做傅里葉變換[6]，把時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，再在Compare run中檢查測試數(shù)據(jù)的一致性，最后對較好的數(shù)據(jù)求平均，得出一組實(shí)驗(yàn)精度最高的可靠數(shù)據(jù)，得到頻譜圖，如圖4所示。

圖4 刀盤振幅Fig.4 The amplitude of the cutter

由圖5可以清楚的看出：在怠速、直板路勻速行駛和搓板路勻速行駛的3種工況下，兩個(gè)刀盤的頻譜曲線的走勢幾乎是一致的，且振幅的RMS值也相差不大，說明了兩個(gè)刀盤具有相同的振動特性，進(jìn)而證明了此樣機(jī)刀盤的安裝位置的選擇是正確可行的，為同等型號的樣機(jī)提供了參考。

圖5 1100rpm/min時(shí)頻譜圖Fig.5 The frequency spectrum of 1100rpm/min

由圖5可發(fā)現(xiàn)：在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100r/min下刀盤、發(fā)動機(jī)被動側(cè)和齒輪箱內(nèi)外側(cè)的振動曲線有一個(gè)特別明顯峰值，并且刀盤的Y向振動的幅值相對較大。造成此異常峰值的原因可能有：①采集數(shù)據(jù)的問題；②發(fā)動機(jī)引起的；③車架或齒輪箱引起的。但這個(gè)結(jié)果是幾組一致性較好數(shù)據(jù)的平均之后的曲線，故第1種情況的可能性非常小。

通過下面頻率與轉(zhuǎn)速關(guān)系的公式[7]可知：此轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的激勵(lì)頻率為55Hz左右，所以初步判斷刀盤的在這個(gè)轉(zhuǎn)速下的峰值可能主要是由發(fā)動機(jī)的激勵(lì)引起的。由此可知，發(fā)動機(jī)的激勵(lì)對刀盤的振動響應(yīng)貢獻(xiàn)比較大，間接說明了刀盤的轉(zhuǎn)速對刀盤的振動也有比較大的貢獻(xiàn)。

式中f—激勵(lì)頻率；

N—刀盤轉(zhuǎn)速；

Z—發(fā)動機(jī)缸數(shù)，本樣機(jī)為6缸機(jī)。

由圖6和圖7中分析的結(jié)果可清楚地看出：除了可能是發(fā)動機(jī)激勵(lì)引起的峰值之外，在低頻1～2Hz處也出現(xiàn)了明顯的峰值，又因路面的激勵(lì)都是0～10Hz低頻的[8]，這也說明了路面對刀盤的低頻激勵(lì)也是不可忽略的。同時(shí)，由分析結(jié)果可知：自制的搓板路相對平直路對刀盤的影響較大。

在兩種路面上勻速行走時(shí)刀盤受到的主要是來自路面垂向的激勵(lì)，而從圖6和圖7中的分析結(jié)果可清楚的看出，在53～54Hz之間也出現(xiàn)了怠速時(shí)的異常峰值，排除了測試中的錯(cuò)誤操作和怠速時(shí)采集的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)造成的結(jié)果。這說明了刀盤的橫向擺動這個(gè)異常峰值可能不主要是由發(fā)動機(jī)的激勵(lì)這單一因素引起的。通過分析3種工況測試的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機(jī)被動側(cè)和齒輪箱內(nèi)外側(cè)的振幅都沒有刀盤的振幅大，這也排除了車架和齒輪箱對刀盤的影響，由此猜想可能與刀盤本身的性質(zhì)有關(guān)。

圖6 平直路時(shí)頻譜圖Fig.6 The frequency spectrum of the flat straight road

圖7 搓板路時(shí)頻譜圖Fig.7 The frequency spectrum of the washboard road

2 模態(tài)試驗(yàn)

2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的特性。若通過模態(tài)分析方法分析出了結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)的特性, 就可能預(yù)測結(jié)構(gòu)在此頻頻率范圍內(nèi)受外部或內(nèi)部的各種激勵(lì)源作用下的振動響應(yīng)。因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要的途徑和方法。具有N個(gè)自由度系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程[9]為

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了進(jìn)一步研究此異常峰值，對刀盤進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。由上面數(shù)據(jù)分析可知：兩個(gè)刀盤的振動性能基本相同再加上兩個(gè)刀盤的材料和形狀都一樣，故選取刀盤1為模態(tài)試驗(yàn)的對象。

常見的激勵(lì)儀器有力錘和激振器，力錘實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是簡單快捷，適用于較小的構(gòu)件；激振器實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是快捷可靠，在結(jié)構(gòu)上能量分布均勻，適用于結(jié)構(gòu)比較大的構(gòu)件。由于刀盤結(jié)構(gòu)比較小，力錘足可以激振起全部模態(tài)，所以實(shí)驗(yàn)激勵(lì)的勵(lì)方式選用力錘激勵(lì)。

理想的激勵(lì)點(diǎn)的位置是剛度較大而又能激出所有模態(tài)的地方，同時(shí)要注意避開模態(tài)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榧ふ顸c(diǎn)選在模態(tài)節(jié)點(diǎn)上，該階模態(tài)將不能被激勵(lì)出來，所以選擇刀盤上剛度比較大的地方進(jìn)行激勵(lì)。在刀盤上均勻布置5個(gè)傳感器，根據(jù)傳感器布置的位置在LMS中建立模態(tài)的幾何模型，如圖8所示?？紤]到刀盤的結(jié)構(gòu)比較特殊和刀盤的安裝等因素，激勵(lì)點(diǎn)的方向?yàn)閅向和Z向。

圖8 測點(diǎn)布置線架圖Fig.8 Sampling points on the experimental machinery

2.3 結(jié)果分析

在得到模態(tài)測試的數(shù)據(jù)后，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各測點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理同步進(jìn)行,每采好一批信號,首先對其進(jìn)行相關(guān)分析,只有相干函數(shù)在0.8以上的信號才有效;再對符合要求的信號進(jìn)行傳遞函數(shù)處理,以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。相干性分析如圖9所示。

圖9 相干性Fig.9 Coherence

LMS軟件中模態(tài)分析默認(rèn)算法是Time MDOF，但本文選擇LMS公司提出的更加準(zhǔn)確PolyMAX方法對模態(tài)極點(diǎn)的識別[10]。LMSTest.Lab軟件中Po lyMAX算法測量的FRFs作為原始數(shù)據(jù),而逆傅里葉最小二乘復(fù)指數(shù) ( LSCE )方法使用的是脈沖的反應(yīng)獲得的FRFs變換作為原始的數(shù)據(jù)；Poly MAX算法可以同時(shí)處理高、低阻尼結(jié)構(gòu)[11]。同時(shí)，PolyMAX算法不會受到數(shù)值不穩(wěn)定性和頻率范圍限制的影響,數(shù)值不穩(wěn)定性和頻率范圍的限制是由于較大的模型及與其他方法(如直接頻域參數(shù)辨識[FDPI]或正交多項(xiàng)式技術(shù) )相關(guān)頻域大范圍的頻率范圍影響造成的。Poly MAX的測試能夠得到清晰的穩(wěn)態(tài)圖。Poly MAX是使自動選擇極點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素,并且它同樣被視為單帶寬分析的通用方法，識別結(jié)果如圖10所示。

O.表示未找到極點(diǎn) V.表示頻率和模態(tài)參與因子穩(wěn)定 S.表示3 種參數(shù)在給定的精度范圍之內(nèi)全部穩(wěn)定圖10 刀盤模態(tài)分析穩(wěn)態(tài)圖Fig.10 Stability diagram of modal analysis of the cutter

由圖10可知：刀盤在53～54Hz處確實(shí)存在某階模態(tài)，且圖11所示的刀盤振動運(yùn)動矢量圖也可以看出，在53～54Hz處的模態(tài)的振型主要是Y向。結(jié)合前面的分析可判斷引起Y向這個(gè)異常峰值的主要原因是發(fā)動機(jī)的激勵(lì)頻率與刀盤本身的模態(tài)頻率發(fā)生了耦合，致使刀盤Y向擺動嚴(yán)重。

圖11 振型圖Fig.11 Modal shape

3 優(yōu)化

由于模態(tài)是系統(tǒng)本身的固有屬性，為解決上面刀盤的問題，必須對刀盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)?？紤]到實(shí)際加工與成本再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，對刀盤不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，選擇的改進(jìn)方案為在刀盤上焊上加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋均勻分布，來改變刀盤的結(jié)構(gòu)傳函，新刀盤如圖12所示。為了驗(yàn)證此優(yōu)化方案的合理性，用新的刀盤換掉以前的刀盤安裝在同一臺樣機(jī)上，然后再對其進(jìn)行模態(tài)分析和與實(shí)驗(yàn)1相同情況下測試刀盤振幅。為了與之前的模態(tài)試驗(yàn)和測試的刀盤振幅進(jìn)行對比，傳感器粘貼的位置、刀盤的響應(yīng)點(diǎn)位置、敲擊方法和數(shù)據(jù)分析的方法都與之前的測試盡量保持一致，這里不再進(jìn)行敘述。

圖12 改進(jìn)后的刀盤Fig.12 The improved cutter

由圖13可清楚地看出測試數(shù)據(jù)的相干性比較好，基本都在0.8以上，符合要求模態(tài)試驗(yàn)的測試要求，說明此模態(tài)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是可用的。

圖13 相干性Fig.13 Coherence

把此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PloyMAX中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，進(jìn)而選擇穩(wěn)定的模態(tài)極值點(diǎn)，其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖如圖14、圖15所示。

由圖14可看出：改進(jìn)后的刀盤在53～54Hz處沒有出現(xiàn)模態(tài)，這證明了此改進(jìn)方案是有效的。在與之前試驗(yàn)條件相同的情況下對改進(jìn)后的刀盤在怠速1 100r/min時(shí)刀盤的振動進(jìn)行了測試，優(yōu)化后的結(jié)果如圖15所示。與之前的測試結(jié)果比較可清楚看出：改進(jìn)后刀盤的Y向振幅降低了很多，再次證明了此改進(jìn)方案是可行的。

圖 14 刀盤模態(tài)分析穩(wěn)態(tài)圖Fig.14 Stability diagram of modal analysis of the cutter

圖15 優(yōu)化前后頻譜圖Fig.15 The frequency spectrum of the optimized front and rear

4 結(jié)論

通過本試驗(yàn)研究可知：本樣機(jī)發(fā)動機(jī)和路面對刀盤的激勵(lì)是兩個(gè)不容忽視的因素，這為后期更深入的研究以該樣機(jī)刀盤的振動性能及優(yōu)化該樣機(jī)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

通過對樣機(jī)在正常工作轉(zhuǎn)速下刀盤振動響應(yīng)和刀盤模態(tài)的測試，發(fā)現(xiàn)刀盤在53～54Hz處與發(fā)動機(jī)激勵(lì)頻率發(fā)生共振，致使Y向擺動嚴(yán)重。通過對該刀盤的進(jìn)行加筋處理來改變刀盤的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變刀盤的結(jié)構(gòu)傳函。對改進(jìn)后的刀盤進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)和同樣工作條件下測試刀盤的振動響應(yīng)，由測試后的分析結(jié)果可知：在53～54Hz處的未出現(xiàn)模態(tài)且在發(fā)動機(jī)頻率1 100r/min時(shí)刀盤Y向的振幅確實(shí)比以前降低了許多。

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Study on the Lateral Swing of a Sugarcane Cutter

Chen Shaojiang1, Li Shangping2, Li Bing1, Xie Xiangyang1, Jiang Jianwei1

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

In order to understand the vibration of a sugarcane cutter,taking a prototype as the test object,the two major factors that cause the vibration of the cutter are tested.According to the experimental study shows that the engine excitation and road excitation of the cutter does a great contribution.Concurrent now the engine speed is 1100rpm regardless of when constant speed or idling cutter horizontal swing very serious,through the analysis of the test data, it is concluded that this peak may not be caused by the single factor of the engine, which may be related to the cutter itself.The cutter made a modal test,results from the modal test analysis can know that there is a transverse oscillation mode in the excitation frequencies of the engine.To solve the problem of cutter cutter transverse swing,so the structure of cutter are improved,to test the cutter of reinforced bar,we can know that there is no transverse oscillation in the excitation frequencies of the engine from the analysis results.The optimization scheme solved the problem of the vibration of the sugarcane cutter and it has guiding significance to the improvement of the cutting system in the later period.

sugarcane harvester; the cutter;modal; excitation;optimization

2016-01-06

廣西碩士研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(YCSZ2015206)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(54165006)；廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KY2015YB167)；廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(GXLH2014KF-03)

陳少江(1991-),男，河北遷安人，碩士研究生，(E-mail)641109743@qq.com。

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

S225.5+3

A

1003-188X(2017)03-0207-06