周敬輝，李尚平，莫翰寧

(1. 廣西大學(xué) a.輕工學(xué)院；b.機械工程學(xué)院，南寧 530004；2.桂林理工大學(xué) 南寧分校，南寧 530004；3.廣西民族大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院,南寧 530007)

0 引言

目前在用的甘蔗收獲機主流機型的宿根破頭率在20%～30%之間[1]，過高的破頭率影響了甘蔗翌年的出芽率，成為我國主要產(chǎn)糖區(qū)甘蔗機械化收割推廣的主要瓶頸之一。針對機械化收割甘蔗宿根破頭率高的問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進行了大量的研究。S.Kroes等探討了刀片切割蔗莖時切割力的變化情況[2-5]。Gupta cp發(fā)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速小于600r/min時，甘蔗被折斷而不是砍斷[6]。劉慶庭等利用高速攝像機研究了不同切割模式下的蔗莖的破壞機理[7],并測定了甘蔗根部的剪切彈性模量、最大剪切應(yīng)力及甘蔗根部前三節(jié)的抗壓強度，以及蔗根蔗皮軸向、徑向拉伸強度和蔗芯軸向、徑向拉伸強度及彎曲彈性模量[8-9]。還有學(xué)者對甘蔗在光刃刀片下的破壞形態(tài)及破壞力學(xué)進行了探討[10-11]。劉增漢等利用計算機仿真模型，獲得了甘蔗在切割過程中最大剪應(yīng)力曲線及單元的位移曲線[12-13]。楊堅等研究了車輛前進速度等多個因素對砍蔗破頭率的影響[14-15]。以上研究成果為降低甘蔗宿根破頭率提供了研究基礎(chǔ)，但均未考慮收獲機工作時其動態(tài)特性對破頭率的影響。甘蔗收獲機作業(yè)時，受到多種外界激勵的影響，其車架、刀盤均會產(chǎn)生軸向振動，課題組前期研究表明，這種振動對甘蔗切割質(zhì)量具有較大的影響[16]。而振動與收獲機本身的動態(tài)特性有密切的聯(lián)系。因此，本文以自研的兩臺不同結(jié)構(gòu)的小型整桿式甘蔗收獲機為研究對象，進行了田間砍蔗試驗和動態(tài)特性測試試驗，探討收獲機動態(tài)特性與甘蔗宿根破頭率之間的聯(lián)系，為甘蔗收獲機的設(shè)計提供一些有益的參考。

1 不同結(jié)構(gòu)甘蔗收獲機的田間試驗

1.1 兩臺甘蔗收獲機的結(jié)構(gòu)對比

試驗測試對象為自行研發(fā)的兩代小型整桿式甘蔗聯(lián)合收割機，即樣機1(第一代)和樣機2(第二代),如圖1所示。兩臺樣機在結(jié)構(gòu)上最大的不同點在于樣機1的切割器置于車架前端(即前輪軸之前約1 000mm)，呈外伸梁結(jié)構(gòu)；發(fā)動機位于車架后部(如圖1(c)所示)，發(fā)動機功率為60kW。樣機2切割器置于車架中部靠前處(即前輪軸之后約700mm)，呈簡支梁結(jié)構(gòu)；發(fā)動機位于駕駛倉后部，發(fā)動機功率為93kW。兩臺樣機均配置雙刀盤，每個刀盤配置雙刀片，均安裝有螺旋提升裝置。

1.2 田間砍蔗對比試驗

為了對比兩臺不同結(jié)構(gòu)的甘蔗收獲機作業(yè)時的甘蔗宿根破頭率，在廣西某農(nóng)場進行了田間試驗。試驗所用甘蔗為一年宿根蔗，品種為粵糖159，試驗場地為平地。試驗時，收獲機刀盤轉(zhuǎn)速恒定為650r/min,車輛前進速度控制在0.4m/s，非入土切割。按照“《甘蔗收獲機械試驗方法》”(JB/T6275-2007 )[17]在其作業(yè)區(qū)間取10m壟長為一個樣本，統(tǒng)計指標(biāo)為甘蔗宿根破頭率，即統(tǒng)計10個樣本中甘蔗蔗根總數(shù)及裂紋過節(jié)蔗根總數(shù)。以樣本的過節(jié)蔗根總數(shù)與蔗根總數(shù)比值為破頭率，每種機型取10個樣本共計100m長度計算該機型的破頭率。所用設(shè)備為30m皮尺、秒表及激光測速儀。皮尺測量蔗壟長度，秒表測量收獲機行走一定距離的時間并以此計算車輛前進速度；激光測速儀標(biāo)定刀盤的轉(zhuǎn)速。

(a) 樣機1 (b) 樣機2

(c) 樣機1結(jié)構(gòu)簡圖 (d) 樣機2結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 田間試驗結(jié)果及分析

將田間統(tǒng)計結(jié)果作圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 樣機1及樣機2田間作業(yè)甘蔗宿根破頭率

用SPSS對樣機1和樣機2的甘蔗宿根破頭率數(shù)據(jù)進行獨立樣本t檢驗，結(jié)果表明：樣機1和樣機2 的10個樣本甘蔗宿根破頭率滿足齊次性要求(sig=0.087>0.05);t統(tǒng)計量的相伴概率值p小于0.01(sig=0.000 3<0.01),據(jù)此可以認(rèn)為樣機1和樣機2的破頭率存在顯著差異。

由圖2可知：樣機1甘蔗宿根平均破頭率為17.9%，樣機2平均破頭率為10.1%；樣機2甘蔗宿根破頭率低于樣機1，僅為后者的56%。在相同的工作參數(shù)下進行的田間試驗，樣機1和樣機2甘蔗宿根破頭率出現(xiàn)了顯著差異且樣機2比樣機1要低。

2 不同結(jié)構(gòu)甘蔗收獲機的動態(tài)特性測試

甘蔗田間切割試驗結(jié)果表明：兩臺樣機的甘蔗宿根破頭率存在顯著差異，為找出其動態(tài)特性與破頭率之間的關(guān)系，對兩臺樣機進行了一系列的動態(tài)測試試驗。

2.1 試驗設(shè)備和試驗方法

2.1.1 試驗設(shè)備

試驗由動態(tài)響應(yīng)測試及車架模態(tài)測試兩部分試驗組成，目的是研究不同結(jié)構(gòu)的兩臺樣機的動態(tài)響應(yīng)及車架模態(tài)頻率，并與上述田間試驗結(jié)果進行對比分析，找出樣機動態(tài)特性與甘蔗宿根破頭率之間的聯(lián)系。動態(tài)響應(yīng)測試試驗的測試設(shè)備為東華公司的DH5938動態(tài)振動測試分析系統(tǒng)；車架模態(tài)測試試驗的測試設(shè)備為LMS的便攜式數(shù)采前端(Scadas Mobile)，兩者的最高采樣頻率均為20kHz;三軸加速度傳感器(PCB:356A16)10個，靈敏度為2.99PC/m.s-2，測量頻率范圍為1～5 000Hz，最大測量范圍為500m/s2； 086D05型激振器兩臺；激光轉(zhuǎn)速儀測量(AR926，測量范圍1～29 999r/min)。

2.1.2 試驗方法

2.1.2.1 動態(tài)響應(yīng)測試

兩臺樣機采用相同的測試方案，即分別進行兩組單因素測試，對應(yīng)兩種激勵狀態(tài)：

1)單獨發(fā)動機激勵。該組試驗的試驗因素為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，共設(shè)置3個水平，分別為1 700、1 900、2 100r/min，對應(yīng)的測點為刀尖及車架前端，試驗指標(biāo)為兩處測點的軸向振動加速度峰峰值。

2)發(fā)動機+刀盤轉(zhuǎn)動激勵。該組試驗中發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 900r/min，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置3個水平，分別為為600、650、700r/min。對應(yīng)的測點為齒輪箱，試驗指標(biāo)為測點的軸向振動加速度峰峰值。試驗中發(fā)動機轉(zhuǎn)速由發(fā)動機轉(zhuǎn)速表直接讀取，刀盤轉(zhuǎn)速由激光轉(zhuǎn)速儀標(biāo)定。

測點布置如圖3所示。圖3(a)為樣機1的測點布置，共有3個測點，測點1為刀尖測點，測點3為車架前端測點，測點2為齒輪箱測點；圖3(b)為樣機2 的測點布置，與樣機1相同，便于對比。其中，測點1和測點3在每臺樣機的第1組測試試驗中使用，即測量在單獨發(fā)動機激勵下，刀尖點和車架前端的振動加速度；測點2在第2組測試試驗中使用。因為第2組測試試驗中存在刀盤的轉(zhuǎn)動，試驗所使用的傳感器為有線式傳感器，無法在轉(zhuǎn)動的刀盤上使用，因此將測點布置在齒輪箱上，間接表示刀尖的振動。

(a) 樣機1測點布置

(b) 樣機2測點布置

2.1.2.2 車架模態(tài)測試

采用兩臺激振器對樣機進行掃頻激振，激振頻率范圍為1～500Hz。測點布置在車架上，測點的布置采用均勻布置的方式[18]，采取每隔400mm布置一個的方法，兩臺樣機車架測點約為34個。采用移動傳感器的方法進行測量，每臺樣機共需進行3次測試。采集測點響應(yīng)信號后進行處理分析，得出測試對象的各階約束模態(tài)振型和模態(tài)頻率。

圖4 樣機的整機模態(tài)測試

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 動態(tài)響應(yīng)測試的結(jié)果與分析

2.2.1.1 刀尖測點振動

發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下，樣機1及樣機2刀尖(測點1)的部分振動加速度時域信號如圖5所示。

圖5中，發(fā)動機單獨激勵，轉(zhuǎn)速1 900r/min；由于篇幅所限，這里只列出發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 900r/min時的時域信號圖。

(a) 樣機1 1900r/min刀尖時域信號

(b) 樣機2 1900r/min刀尖振動時域信號

讀取樣機1及樣機2刀尖測點在不同轉(zhuǎn)速下的加速度峰峰值，做出對比折線圖如圖6所示。由圖6可知：兩臺樣機刀尖軸向振動加速度幅值均隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增大；在刀尖處測點，樣機1的振動加速度遠(yuǎn)比樣機2大；在發(fā)動轉(zhuǎn)速分別為1 700、1 900、2 100r/min時，樣機1的振動加速度分別是樣機2的163%、266%及150%。

圖6 兩臺樣機的刀尖振動

2.2.1.2 車架前端測點振動

發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下，部分樣機1及樣機2車架前端(測點2)振動加速度時域信號如圖7所示。讀取樣機1及樣機2車架前端測點軸向振動加速度峰峰值并作對比折線圖，如圖8所示。由圖8可知：兩臺樣機車架前端振動加速度均隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增大；在車架前端測點(測點2)，樣機1的軸向振動加速度幅值遠(yuǎn)比比樣機2大；在發(fā)動轉(zhuǎn)速分別為1 700 、1 900、2 100r/min時，樣機1的軸向振動加速度幅值分別是樣機2的162%、404%及813%。

(a) 樣機1 1900r/min車架前端時域信號

(b) 樣機2 1900r/min車架前端時域信號

Fig.7 Time-domain signal of vibration of frame front end of prototype1and 2

圖8 樣機1及樣機2車架前端測點振動加速度對比

2.2.1.3 齒輪箱測點振動

樣機1及樣機2齒輪箱測點的部分振動時域信號如圖9所示。兩臺樣機齒輪箱軸向振動加速度峰峰值對比如圖10所示。由圖10可知：當(dāng)發(fā)動轉(zhuǎn)速為1 900r/min，對應(yīng)刀盤轉(zhuǎn)速分別為600、650、700r/min時，樣機1齒輪箱測點振動加速度分別為樣機2的1 581%、1 021%、1 395%。隨著刀盤轉(zhuǎn)速的提高，齒輪箱測點軸向振動加速度隨刀盤轉(zhuǎn)速的提高而增大。

圖9為發(fā)動機+刀盤轉(zhuǎn)動混合激勵，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 900r/min，刀盤轉(zhuǎn)速為600r/min。由于篇幅所限，這里只列出刀盤轉(zhuǎn)速為600r/min時的時域信號圖。

(a) 樣機1齒輪箱振動信號

(b) 樣機2齒輪箱振動信號

圖10 兩臺樣機齒輪箱測點振動加速度

通過兩臺樣機的動態(tài)響應(yīng)測試結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)：在相同的工作參數(shù)下，在3個測點所測得的軸向振動加速度均呈現(xiàn)出樣機1比樣機2大的勢態(tài)。

2.2.2 模態(tài)測試的結(jié)果與分析

兩臺樣機的部分模態(tài)振型如圖11所示。模態(tài)測試中其坐標(biāo)系X方向沿車輛前進方向，Z方向垂直向上，Y方向按右手螺旋定則確定。樣機1及樣機2前6階模態(tài)頻率如表1所示。

從模態(tài)測試結(jié)果可知：樣機2的前6階模態(tài)頻率均比樣機1要高，其前6階模態(tài)頻率分別是樣機1的312.8%、193.4%、178.4%、139.6%、137.2%、149.1%。這說明樣機2的動態(tài)剛度遠(yuǎn)比樣機1要高。

(a) 樣機1一階模態(tài)

(b) 樣機2一階模態(tài)

階次模態(tài)頻率/Hz樣機1樣機216.38619.98214.11927.31322.43240.02432.28845.10537.50651.47644.73166.67

3 討論

在兩臺樣機的動態(tài)響應(yīng)測試試驗中，發(fā)現(xiàn)樣機1刀尖、齒輪箱、車架前端的振幅在相同條件下均比樣機2大。模態(tài)測試試驗結(jié)果表明：樣機2車架的前6階模態(tài)頻率均比樣機1的要高，即樣機2車架的動剛度比樣機1的高。這表明：從樣機2的結(jié)構(gòu)(切割器安裝位置處于前后輪之間呈簡支梁結(jié)構(gòu)，發(fā)動機位于駕駛艙后)動態(tài)特性角度來說優(yōu)于樣機1的結(jié)構(gòu)(切割器位于車架前端呈外伸梁結(jié)構(gòu)，發(fā)動機后置)。尤其是樣機1車架的1階固有頻率僅為6.386Hz。有文獻表明：當(dāng)收獲機的前進速度為0.2～0.8m/s時，蔗地路面的激勵頻率在1～10Hz之間[19]。樣機1車架的1階固有頻率正處于蔗地路面的激勵頻率范圍之內(nèi)，導(dǎo)致樣機1在田間作業(yè)時車架產(chǎn)生共振從而加大了刀盤的軸向振幅；而樣機2 的1階固頻為19.98Hz，遠(yuǎn)離路面的激勵頻率，所以在路面激勵作用下其振動遠(yuǎn)比樣機1小。收獲機作業(yè)時切割器刀盤的轉(zhuǎn)速為600～700r/min,其對應(yīng)的頻率為10～11.67Hz，樣機1的2階固頻為14.119Hz，與刀盤的轉(zhuǎn)動頻率較為接近；樣機2的1階頻率為19.98Hz,遠(yuǎn)離切割器刀盤的轉(zhuǎn)動頻率。由于制造誤差的原因，兩臺樣機刀盤上所安裝的螺旋提升裝置均有不同程度的不平衡現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動時其不平衡力激振頻率接近于樣機1 的2階固有頻率，很好地解釋了動態(tài)響應(yīng)測試中，在相同的刀盤轉(zhuǎn)速下，樣機1振動加速度遠(yuǎn)大于樣機2的原因。同時，收獲機刀盤在田間作業(yè)時由于泥土堆積、甘蔗輸送等原因，不可避免的產(chǎn)生質(zhì)量不平衡[20]，加上刀盤本身存在的不平衡，與上述理由相同，在田間試驗時樣機1刀盤軸向振動也遠(yuǎn)大于樣機2。

兩臺不同結(jié)構(gòu)的收獲機田間試驗結(jié)果表明：在相同的工作參數(shù)下(刀盤轉(zhuǎn)速、車輛前進速度下)對相同品種的甘蔗進行切割，樣機1和樣機2的甘蔗宿根破頭率存在顯著差異，樣機2的甘蔗宿根破頭率僅為樣機1的56%。結(jié)合以上分析，可以初步做出推論：樣機1甘蔗宿根破頭率遠(yuǎn)大于樣機2的原因為樣機2的動態(tài)剛度比樣機1大，導(dǎo)致作業(yè)時其刀盤軸向振動小于樣機1。因此，樣機2破頭率遠(yuǎn)比樣機1為小，兩臺樣機甘蔗宿根破頭率存在顯著差異，本質(zhì)上源自于兩者由于動態(tài)剛度不同而導(dǎo)致的切割器軸向振動的顯著差異。

4 結(jié)論

1)從結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的角度出發(fā)，可以認(rèn)為樣機2結(jié)構(gòu)優(yōu)于樣機1。

2)兩臺樣機動態(tài)響應(yīng)的顯著差異，源自于兩臺樣機動剛度的差異，即在收獲機各個激勵源的頻率范圍內(nèi)，由于樣機1的固有頻率較低而與激勵源的激勵頻率產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致樣機1的各個測點的軸向振動遠(yuǎn)大于樣機1。

3)兩臺樣機田間試驗時，破頭率存在顯著差異的原因可以認(rèn)為源自于兩者車架及刀盤的軸向振動的顯著差異，車架及刀盤的軸向振動是破頭率產(chǎn)生顯著差異的直接原因。

4)甘蔗收獲機的設(shè)計應(yīng)充分考慮作業(yè)時刀盤軸向振動對甘蔗宿根破頭率的影響，采取有效措施抑制刀盤的軸向振動。

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