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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某甘蔗切割器系統(tǒng)的振動性能試驗研究

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)

甘蔗機切割器的振動直接影響砍蔗的效果。根據(jù)試驗研究可知：切割器安裝位置和刀盤的轉(zhuǎn)速與切割器的振動有直接的關(guān)系，因此有必要對這兩個因素進(jìn)行試驗研究。為此，使用LMS前端采集切割器的振動，選擇相關(guān)的因素和水平建立正交試驗設(shè)計表，通過正交試驗設(shè)計處理測試的數(shù)據(jù)，并結(jié)合直觀分析的結(jié)果得出了切割器振動量最小的工作條件。在此條件下對刀盤進(jìn)行模態(tài)測試，試驗結(jié)果表明：刀盤的低階頻率成功地避開了刀盤轉(zhuǎn)速的激勵頻率，該方案案下切割系統(tǒng)的工作性能比較穩(wěn)定。此結(jié)果對工程實際應(yīng)用的甘蔗機切割器的安裝和選擇刀盤工作的條件具有指導(dǎo)意義。

甘蔗機；切割器；正交試驗設(shè)計

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化是未來發(fā)展必然的趨勢,這就要求機械化的生產(chǎn)要有更高效率。用甘蔗機收割甘蔗時不僅能提高生產(chǎn)的效率，還可以降低甘蔗的生產(chǎn)成本。我國甘蔗的主要產(chǎn)地在南方，而南方多是丘陵地，起伏不平的道路會引起切割系統(tǒng)的振動，對甘蔗機的切割系統(tǒng)的性能要求較高，這也是我國目前甘蔗機存在的主要問題之一。甘蔗機收割過程中刀盤的振動會直接造成切割質(zhì)量降低,而切割質(zhì)量直接關(guān)系著砍甘蔗的破頭率[1-2]。破頭率越高，第2年甘蔗的發(fā)芽率越低,嚴(yán)重影響了甘蔗的產(chǎn)量。影響刀盤振動的最直接因素之一就是切割器系統(tǒng)的振動，因而切割器系統(tǒng)的穩(wěn)定性能成為影響砍蔗質(zhì)量的一個不容忽略的因素。試驗研究發(fā)現(xiàn)：切割器安裝的位置和刀盤的轉(zhuǎn)速[3]是影響切割器振動最直接的因素。

目前，國內(nèi)外對甘蔗機切割器的研究還比較少，尤其是對切割器安裝位置的研究更少。本文對某模仿甘蔗機的臺架的切割器進(jìn)行試驗研究，對采集的數(shù)據(jù)借助正交試驗設(shè)計的方法處理，并對其結(jié)果進(jìn)行分析，得出切割器最佳的工作條件。在此工作條件下，對刀盤進(jìn)行模態(tài)試驗，由模態(tài)分析結(jié)果可知：刀盤模態(tài)頻率成功避開了在最優(yōu)方案的轉(zhuǎn)速下刀盤的激勵頻率。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

本試驗的研究對象(試驗臺及其簡圖)如圖1所示。

圖1 臺架

此試驗臺的砍蔗系統(tǒng)采用雙刀盤，刀盤的轉(zhuǎn)動采用液壓馬達(dá)驅(qū)動。試驗要測量切割系統(tǒng)的振動量，因切割系統(tǒng)都是由剛性材料連接，所以在兩個刀盤中間的切割器的橫梁上布置一個三向加速度傳感器，來測量切割器振動的加速度的信號。同時，用比利時的LMS前端和配套的LMSTest.lab采集軟件來采集振動的時域信號。LMS設(shè)備及傳感器如圖2所示。

圖2 試驗設(shè)備

1.2 試驗方案與結(jié)果

可供選擇的切割器安裝的4個位置分別距地面77、83、98、113cm，根據(jù)臺架砍蔗時刀盤的工作轉(zhuǎn)速，選取刀盤的轉(zhuǎn)速分別為500、550、600、650r/min。為了探究這兩個因素與切割器振動性能的關(guān)系，用LMS采集系統(tǒng)采集了切割器在相同轉(zhuǎn)速、不同位置下的切割器振動的信號。

由于加速度傳感器的靈敏度對測試結(jié)果有一定的影響，所以在測試驗之前對試驗采用的傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。試驗時，對每個工況采集3～5組數(shù)據(jù)，對采集的加速度數(shù)據(jù)在LMS test.lab軟件[3]中做傅里葉變換，把時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，然后在compare runs觀察試驗數(shù)據(jù)的一致性，去掉偏差比較大數(shù)據(jù)然后對其進(jìn)行平均，得到頻譜圖如圖3所示。

因為切割器受到的振動主要來自發(fā)動機和路面的激勵[4]，而兩者的激勵頻率又都是低頻的，所以只關(guān)注100Hz以內(nèi)的切割器的振動量。

圖3 振動信號

由圖3試驗結(jié)果的RMS值很難看出這兩個因素與切割器振動性能的關(guān)系，也不利于找出使的切割線振動量最小的最優(yōu)方案。因此，提出利用正交試驗的方法來研究切割器的振動性能。把切割器安裝位置和刀盤轉(zhuǎn)速這兩個影響因素作為正交試驗設(shè)計的兩個水平，把4個位置和4種轉(zhuǎn)速作為因素，這樣就建立了四因素兩水平的正交表[5]。從圖3算出的RMS值可清楚地看出：切割器的Z向即垂向(方向與整車坐標(biāo)一樣)振動量較大，x和y向的振動量相對影響較小，所以把Z向的振動量作為正交設(shè)計的評價指標(biāo)。

2 正交試驗

以切割器安裝的位置和刀盤的轉(zhuǎn)速為試驗因素，以切割器的Z向的振動加速度信號的RMS值為評價指標(biāo)組成的正交試驗設(shè)計的正交表，如表1所示。

表1 試驗方法和試驗結(jié)果

續(xù)表1

為了更準(zhǔn)確地分析試驗結(jié)果，從而找出最優(yōu)的設(shè)計方案，對指標(biāo)進(jìn)行直觀分析，結(jié)果如表2所示。

表2 直觀分析

同時，也分別畫出了刀盤轉(zhuǎn)速與切割器系統(tǒng)的振幅的關(guān)系圖和切割器安裝位置與切割器系統(tǒng)振幅的關(guān)系圖，如圖4和圖5所示。

圖4 相同位置不同轉(zhuǎn)速

圖5 相同轉(zhuǎn)速不同位置

通過觀察表1中的評價指標(biāo)(Z向)可看出：Z向在切割器安裝位置為77cm和83cm且刀盤轉(zhuǎn)速為500r/min時振動量相對較小；但在兩個位置不同刀盤轉(zhuǎn)速時Z向的振動量相差比較大，再加上真實工作時刀盤的轉(zhuǎn)速不可能控制得那么準(zhǔn)確。所以，從表1中很難選擇最優(yōu)方案。

根據(jù)表2的分析結(jié)果可知:刀盤轉(zhuǎn)速的極差比切割器安裝位置的極差要大。這說明，刀盤轉(zhuǎn)速的貢獻(xiàn)量相對較大。

由圖4可清楚地看出：4個安裝位置的Z向的振動量都是隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。這與表2分析的結(jié)果(刀盤轉(zhuǎn)速的貢獻(xiàn)量較大)相一致。

由圖5可看出：在4個安裝位置都是刀盤的轉(zhuǎn)速為500r/min時Z向的振動量最小。這與表一分析的結(jié)果相一致，都分析出刀盤轉(zhuǎn)速為500r/min時為最佳工作轉(zhuǎn)速。

由表2得出的最優(yōu)方案為：切割器安裝位置在83cm且刀盤為500r/min。此方案也滿足圖4和圖5的分析結(jié)果，由此可以確定正交試驗的直觀分析的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

3 刀盤模態(tài)試驗

3.1 模態(tài)試驗方案

為了進(jìn)一步驗證此方案下刀盤的穩(wěn)定性對刀盤進(jìn)行了模態(tài)試驗，在LMS Test.lab中建立刀盤的模型，如圖6所示。圖6中，正方形的每個角各布置1個三向加速度傳感器。在2號點的Z向和Y向用力錘進(jìn)行激勵，每個方向敲擊3次，然后對其結(jié)果進(jìn)行篩選和平均值處理。

圖6 刀盤幾何模型

3.2 模態(tài)結(jié)果分析

把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模態(tài)識別模塊在PolyMAX模塊中進(jìn)行模態(tài)識別，結(jié)果如圖7所示。

為了驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析了模態(tài)的置信因子(MAC值)，MAC是大于等于0且小于等于1的數(shù)。MAC值等于0，表示兩者線性無關(guān)；MAC值等于1，說明兩者線性相關(guān)[6-7]。由此可知：MAC值越接近0越好。此次模態(tài)分析的MAC矩陣如圖8所示。

圖7 模態(tài)識別

圖8 MAC關(guān)系

由圖8可知:只有對角線上模態(tài)的MAC值最高且為100%，旁邊的MAC值都比較低。因此，可認(rèn)為模態(tài)之間是線性無關(guān)的，說明此次模態(tài)分析較為準(zhǔn)確。

刀盤轉(zhuǎn)速為500r/min時，根據(jù)下面公式[8]可算出刀盤的激勵頻率為8.3Hz,刀盤的一階模態(tài)17.1Hz,所以不會與刀盤轉(zhuǎn)速的激勵頻率發(fā)生耦合。

其中，f為激勵頻率；N為刀盤轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

通過用LMS測試系統(tǒng)采集臺架的切割器振動信號得出切割器Z向振動相對比較大，并以這個方向作為評價指標(biāo)建立了兩因素四水平正交試驗表。借助正交試驗設(shè)計分析的方法得出切割器在安裝位置為83cm和刀盤轉(zhuǎn)速在500r/min時切割器的振動量最小。對刀盤進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)分析，結(jié)果表明：刀盤的頻率不會和刀盤在500r/min時的激勵頻率發(fā)生耦合。因此，刀盤在該轉(zhuǎn)速下不會發(fā)生共振，說明在此轉(zhuǎn)速下刀盤的工作比較穩(wěn)定。此結(jié)果對工程實際中甘蔗機切割器的安裝和選擇刀盤的工作轉(zhuǎn)速具有一定的指導(dǎo)意義。

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

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

[3] 向家偉,楊連發(fā),李尚平.小型甘蔗收獲機切割器試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,35(11):158-163.

[4] 賴曉,李尚平,麻蘭芳,等.甘蔗地面激勵對砍蔗質(zhì)量的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,45(12):97-101.

[5] 陳魁.實驗設(shè)計與分析(2 版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[6] 傅志方,華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，2000:246-247.

[7] 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015:79-80.

[8] 韓清凱.機械振動系統(tǒng)的現(xiàn)代動態(tài)設(shè)計與分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010:119-125.

An Experimental Study on the Vibration Performance of the Sugarcane’s Cutter System

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)

The vibration of the sugarcane machine cutter directly affects the effect of cutting sugarcane ，according to the experimental study，cutter installation position and the speed of the cutter has direct influence on the vibration of the cutter,therefore, it is necessary to study these two factors.Using LMS front-end test the vibration of the cutter，select the relevant factors and levels to establish a table of orthogonal experimental design，using the orthogonal experiment design processing the data of the test,combined with the intuitive analysis results, it is concluded that the cutter vibration quantity minimum working conditions.Modal test was carried out on the cutter , the test results show that the low order frequency of cutter successfully avoids the excitation frequency of the cutter head.It is also proved that the performance of the cutting system is relatively stable.The result has a guiding significance for the installation of sugar cane machine’s cutter and select the speed of the cutter.

the sugarcane harvester; the cutter; orthogonal test design

2015-12-24

廣西碩士研究生創(chuàng)新計劃項目(YCSZ2015206)；國家自然科學(xué)基金項目(54165006)；廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(KY2015YB167)

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，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)gxgxyjxxlb@163.com。

S225. 5+3

A

1003-188X(2017)02-0138-05