姜建瑋，李尚平，李 冰，解向陽

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

?

路面不平度對甘蔗收獲機(jī)刀盤振動(dòng)特性探究

姜建瑋1，李尚平2，李 冰1，解向陽1

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

運(yùn)用項(xiàng)目前期試驗(yàn)獲得的蔗地路面不平度的功率譜密度(PSD)曲線，并借助多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中ADAMS/Vibration這個(gè)模塊，對小型整桿式甘蔗收獲機(jī)的簡化模型進(jìn)行振動(dòng)仿真，得到了刀盤的振動(dòng)特性曲線。通過對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析刀盤的幅頻曲線，驗(yàn)證了模型與仿真結(jié)果的正確性，對后期耦合激勵(lì)源對刀盤振動(dòng)特性的探究有重要意義。

甘蔗收獲機(jī)；路面不平度；功率譜密度；ADAMS/Vibration

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是未來發(fā)展的必然趨勢，這就要求機(jī)械化生產(chǎn)要有更高的效率。用甘蔗機(jī)收割甘蔗時(shí)，不僅可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還可以降低甘蔗生產(chǎn)的成本。但是，在我國甘蔗的主要產(chǎn)地在南方，由于多是丘陵地，所以起伏不平的道路必會引起切割系統(tǒng)中的刀盤振動(dòng)，因而對甘蔗機(jī)的切割系統(tǒng)的性能要求較高，這也是我國目前甘蔗機(jī)存在的主要問題之一。小型整桿式甘蔗收獲機(jī)在收割過程中，切割甘蔗的質(zhì)量受到刀盤振動(dòng)、刀盤傾角及刀片數(shù)量等因素的影響[1-2]，而切割質(zhì)量直接關(guān)系著甘蔗的破頭率[3]，破頭率的高低嚴(yán)重影響著甘蔗的產(chǎn)量。破頭率高的蔗兜容易影響甘蔗第2年生長狀況，而刀盤振動(dòng)因素的影響因子最大。廣西大學(xué)賴曉[4]通過復(fù)現(xiàn)路面不平度并在ADAMS中建立路面模型來獲得刀盤振動(dòng)曲線。由于路面構(gòu)造隨機(jī)性比較強(qiáng)，路面長度短距離內(nèi)難以真正探究出刀盤實(shí)際振動(dòng)特性，而且ADAMS簡化模型中忽略了車架模型，不能夠更精確地獲得實(shí)際刀盤的振動(dòng)特性。本文通過項(xiàng)目之前所采集的甘蔗地的實(shí)際路面不平度的功率譜密度數(shù)據(jù)在ADAMS中作為一種能量的輸入，并以實(shí)際甘蔗機(jī)的CAD模型在ADAMS中進(jìn)行簡化保留車架這一關(guān)鍵部分，在頻域上得到了刀盤的振動(dòng)特性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證證明了方法的可靠性。

1 功率譜密度和Adams/Vibration概述

1.1 路面不平度功率譜密度(PSD)

功率譜密度是每單位密度頻率譜上的功率總和，描述了時(shí)間序列上的功率在頻率范圍內(nèi)是如何分布的，也可以理解為頻域中能量強(qiáng)度的衡量標(biāo)志。從數(shù)學(xué)角度來看，功率譜密度定義為時(shí)間序列自相關(guān)傅里葉變化，也可以描述為時(shí)間序列傅里葉變換的平方，并乘以相應(yīng)的常數(shù)因子。具體計(jì)算方法如下[5]：

假設(shè)蔗地路面不平度函數(shù)為s(x),做一維傅里葉變換，則

由于路面不平度采集的數(shù)據(jù)都是一些隨機(jī)分布的離散點(diǎn)，離散化后得到

上述公式中，令L=nΔx、k=2πfm、fm=m/(NΔx)，得到功率譜密度函數(shù)的離散估計(jì)公式為

其中，L為平均頻譜范圍；N為采樣點(diǎn)數(shù)目；Δx為取樣間隔；W(n)為窗口函數(shù)；K(n)為邊界因子。

應(yīng)用上述原理，并借助MatLab軟件，對前期所采集路面不平度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了蔗地的功率譜密度曲線，如圖1所示。

從圖1中可以看出：不論是坡地，還是平地的路面，不平度所激勵(lì)的能量主要集中在5Hz左右，與路面不平度加速度頻譜得到的結(jié)果相符，后期仿真分析主要對平地功率譜密度進(jìn)行研究。

圖1 蔗地功率譜密度曲線

1.2 Adams/Vibration工具簡介[6]

Adams/Vibration是多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中的一個(gè)插件，也可以認(rèn)為是集成在ADAMS/View的一個(gè)附件，其功能主要用于振動(dòng)仿真分析，通過定義輸入通道、輸出通道和激勵(lì)來獲取目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)。其中，激勵(lì)可以用系統(tǒng)默認(rèn)正弦掃頻信號，也可以自己定義需要的頻率信號；同時(shí)，可以通過輸入外部采集的功率譜密度(PSD)數(shù)據(jù)；最后，通過后處理模塊可以獲取目標(biāo)點(diǎn)的頻響曲線、功率譜密度曲線、傳遞函數(shù)及模態(tài)頻率等。其工作模型如圖2所示。

激勵(lì) 輸入通道 輸出

2 收獲機(jī)刀盤振動(dòng)仿真分析

2.1 收獲機(jī)ADAMS模型簡化

將僅保留切割系統(tǒng)與車架的甘蔗收獲機(jī)的CAD模型，以通用格式導(dǎo)入到ADAMS中，并在ADAMS中建立輪胎模型，有效地反映了輪胎-車架-切割器-刀盤的振動(dòng)傳遞路線。

甘蔗收獲機(jī)的簡化模型的連接關(guān)系在ADAMS中進(jìn)行如下處理：①切割器與車架用鉸鏈連接;②車架與輪胎用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接;③在切割器兩刀軸之間用齒輪副模擬;④在整車重心處加一集中質(zhì)量;⑤輪胎與大地之間連接用bushing連接模擬，得到的簡化模型如圖3所示。

圖3 甘蔗收獲機(jī)模型簡化

2.2 振動(dòng)仿真建模與結(jié)果

在ADAMS/View中加載Adams/Vibration模塊，導(dǎo)入事先獲取的蔗地路面不平度功率譜密度曲線，以此數(shù)據(jù)來創(chuàng)建樣條曲線作為路面不平度的激勵(lì)；并以各個(gè)輪胎的質(zhì)心處的marker點(diǎn)作為振動(dòng)的輸入通道，方向?yàn)榇怪贝蟮叵蛏希瑑傻侗P刀尖處的marker點(diǎn)作為輸出通道，最后選取刀尖處的marker點(diǎn)位移作為輸出，方向?yàn)槿肿鴺?biāo)系的Z向。具體參數(shù)如表1所示。

表1 具體參數(shù)

在振動(dòng)仿真建模完成之后建立振動(dòng)分析，把輸入通道、輸出通道加載到分析界面，通過查看功率譜密度的曲線并設(shè)置起始頻率和終止頻率，并設(shè)置迭代步為200步，到此完成了振動(dòng)分析的建立，如圖4所示。

待仿真結(jié)束后，通過后處理模塊的PostProcessing查看所得結(jié)果的頻響曲線，可以得到仿真目標(biāo)點(diǎn)的刀尖處的頻響曲線。仿真結(jié)果的頻響曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出：在2 3Hz左右處有一個(gè)明顯的峰值存在，此時(shí)刀盤受路面不平度的影響最大。由圖6的曲線對比也可以發(fā)現(xiàn)：蔗地路面不平度的能量主要集中在5Hz左右，而刀尖處的功率譜密度的輸出主要集中在2～3Hz。這進(jìn)一步說明：在蔗地路面不平度的影響下，輸入能量不是輸出的決定性因素，輸出的決定性因素是收獲機(jī)車架等的結(jié)構(gòu)因素，使得在2～3Hz左右刀盤的垂向振動(dòng)能量最大。

圖4 振動(dòng)仿真分析模型

圖5 仿真結(jié)果刀尖處的頻響曲線

圖6 仿真功率譜密度曲線

3 收獲機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了探究路面不平度對刀盤的振動(dòng)特性、驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，針對現(xiàn)有樣機(jī)進(jìn)行了對應(yīng)的試驗(yàn)測試。測試時(shí)，采用比利時(shí)LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并結(jié)合相應(yīng)測試軟件LMS Test.lab和美國的PCB三向加速度傳感器，采集刀盤的垂向加速度數(shù)據(jù)。測試設(shè)備如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備

具體的測試方法主要分兩步進(jìn)行：①在正常工作發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，采集怠速下刀盤的垂向振動(dòng)的加速度；②采集在怠速相同轉(zhuǎn)速下甘蔗收獲機(jī)不作業(yè)時(shí)刀盤的垂向加速度。由于要采集刀盤處的振動(dòng)數(shù)據(jù)，受到采集設(shè)備的限制，同時(shí)為了保護(hù)設(shè)備的安全，刀盤不能轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在機(jī)具以正常工作速度行走、刀盤不轉(zhuǎn)時(shí)測取刀盤的垂向振動(dòng)加速度。由于只采集刀盤的垂向振動(dòng)，刀盤上粘貼的傳感器只需要保證z方向向上即可?？紤]粘貼方便，其它兩方向不需要嚴(yán)格保證。測試時(shí)傳感器粘貼的位置如圖8所示。

圖8 傳感器的貼裝

把兩次采集的加速度數(shù)據(jù)導(dǎo)入到在LMS test.lab軟件[7]的Compare Runs 模塊中，查看兩次采集的數(shù)據(jù)的一致性，對兩次采集的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均處理；然后，再在LMS test.lab軟件[6]中做傅里葉變換，把測試得到時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，得到頻譜圖如圖9所示。

圖9 刀盤垂向振動(dòng)頻譜圖

由圖9可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速下對刀盤振動(dòng)的主要貢獻(xiàn)頻率在8.5Hz和17Hz兩處；而在行走時(shí)，由路面不平度引起的刀盤振動(dòng)的頻率主要集中在0～6Hz,并且在2～3Hz時(shí)的加速度貢獻(xiàn)最大，與之前的仿真結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

1)路面不平度對收獲機(jī)振動(dòng)能量最大的頻率集中在2～3Hz左右。由文中可以發(fā)現(xiàn)：該能量不是由激勵(lì)輸入能量引起的，所以很有可能是由甘蔗收獲機(jī)切割器或者車架的結(jié)構(gòu)頻率耦合引起的。

2)通過實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果的對比，證明了ADAMS模型建立的有效性和準(zhǔn)確性，能夠?yàn)楹笃诟钊氲匮芯柯访娌黄蕉葘Ω收崾斋@機(jī)切割系統(tǒng)振動(dòng)的優(yōu)化提供可靠的仿真模型。同時(shí)，可為項(xiàng)目后期路面不平度、發(fā)動(dòng)機(jī)和砍蔗3種激勵(lì)源對刀盤振動(dòng)特性提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 楊堅(jiān)，梁兆新，莫建霖，等.甘蔗切割器切割質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(5):60-64．

[2] 戴小標(biāo).小型甘蔗收獲機(jī)切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析及試驗(yàn)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2008:28-43.

[3] 薛斌,李尚平,楊曲,等.甘蔗收獲機(jī)切割系統(tǒng)執(zhí)行構(gòu)對剛性的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(8):36-39.

[4] 賴曉，李尚平，麻芳蘭,等.甘蔗機(jī)激勵(lì)對砍蔗質(zhì)量的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011,42(12):97-101.

[5] Xuejun Zhang,Jingchi Yu.Analysis of residual fabrication errors for computer controlled pollishing aspherical mirrors[J].Opt.Eng,1997(12):3386-3391.

[6] 王國強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[7] 沃德·海倫.模態(tài)分析理論與試驗(yàn)[M].白化同, 郭繼忠，譯.北京：北京理工大學(xué)出版社,2001.

Road Roughness on Cutter of the Sugarcane Harvester Vibration Characteristics of the Disc Inquiry

Jiang Jianwei1, Li Shangping2, Li Bing1, Xie Xiangyang1

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

With sugarcane road roughness power spectral density(PSD) curve obtained in pre-project, and combined the multi-body dynamics software ADAMS and it’s module ADAMS / Vibration, to analysis the vibration of simplified model for small-scale sugar cane harvester, finally got the amplitude-frequency curve of the cutter vibration. Then through the experiment to verify the correctness of the model and simulation results, all researches above have great significance to the analysis of the coupled excitation source effect for the cutter.

sugarcane harvester; road roughness; power spectral density; ADAMS/Vibration

2016-01-07

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?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KY2015YB167)

姜建瑋(1991-),男，江西德興人，碩士研究生，(E-mail) 874601142@qq.com。

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

S225.5+3;S220.3

A

1003-188X(2017)02-0071-04