凌旭，趙春花

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

苜蓿是一種分布范圍廣泛、栽培面積大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值量高的優(yōu)良飼草，因其良好的適口性和豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，更被譽(yù)為“牧草之王”[1]。苜蓿蛋白質(zhì)含量分布不均勻，總體呈現(xiàn)“葉多莖少，上多下少”的分布[2]。研究表明，在收獲的過程中，通過機(jī)械壓扁機(jī)構(gòu)壓裂搓揉過的苜蓿植株比普通未經(jīng)過壓扁的苜蓿植株干燥速度快，干燥效果較明顯，粗蛋白的損失率可降低2.4%[3-6]，壓扁裝置在割草壓扁機(jī)中起著至關(guān)重要的作用。

為了有效減少苜蓿壓扁后的營(yíng)養(yǎng)損失，提高干草質(zhì)量，通過分析影響壓扁效果的各種因素，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)式苜蓿壓扁試驗(yàn)臺(tái)，可以方便地模擬實(shí)際苜蓿壓扁過程，分析各因素對(duì)苜蓿壓扁的影響。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 組成結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由機(jī)架、電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、剎車輪、上下壓輥、雙鏈輪、張緊輪、V 型浮動(dòng)架、前調(diào)節(jié)裝置、后調(diào)節(jié)螺桿、彈簧、喂料機(jī)構(gòu)等組成。

1.2 工作原理

研究表明，在壓扁過程中，苜蓿壓扁效果主要受到壓輥間隙、彈簧的初始拉力、壓扁輥轉(zhuǎn)速、喂入量等因素的影響[7]。在本試驗(yàn)臺(tái)中，上壓輥設(shè)置在V 型浮動(dòng)架上，V 型浮動(dòng)架一端采用鉸接固定，一端放置在前調(diào)節(jié)裝置中的滑塊上，通過后調(diào)節(jié)螺桿推動(dòng)浮動(dòng)架轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓扁間隙粗調(diào)節(jié)，再通過前調(diào)節(jié)裝置中的螺桿調(diào)節(jié)滑塊位置，實(shí)現(xiàn)壓輥間隙精調(diào)節(jié)[8]。改變彈簧的初始拉力可以通過采用不同規(guī)格的彈簧來實(shí)現(xiàn)。喂入量的大小受到機(jī)具前進(jìn)速度、苜蓿田間密度等因素的影響。試驗(yàn)臺(tái)中的喂入機(jī)構(gòu)是一種速度可調(diào)的傳送帶，傳送帶的運(yùn)輸速度用來模擬機(jī)具前進(jìn)速度，苜蓿均勻分布在傳送帶上表示苜蓿田間密度，試驗(yàn)時(shí)可以改變傳送帶的速度和苜蓿分布厚度來改變喂入量的大小。試驗(yàn)臺(tái)通過電機(jī)帶動(dòng)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)壓輥轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)裝有剎車輪，可方便地進(jìn)行移動(dòng)。

圖1 壓扁試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of flattening test bench

2 機(jī)架模態(tài)分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

在SolidWork 中建立壓扁試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架的三維模型，其主要由方管與角鐵焊接而成，為提高模態(tài)分析的運(yùn)算速度，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化處理：機(jī)架材料被認(rèn)為是各向同性的，密度分布均勻，且焊接對(duì)機(jī)架整體性能的影響都忽略不計(jì)；將焊縫和各部件看作一個(gè)整體，V 型浮動(dòng)架上裝配用的孔均忽略不計(jì)；刪除后調(diào)節(jié)螺桿、螺母、定位銷、剎車輪等對(duì)機(jī)架模態(tài)分析影響很小的零部件。完成后直接進(jìn)入Simulation 分析中。機(jī)架規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）1 200 mm×420 mm×900 mm，選用Q235 鋼材質(zhì)，材料屬性如下：Q235 鋼彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為235 MPa。劃分網(wǎng)格時(shí),選用高品質(zhì)基于曲率的網(wǎng)格器進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，采用實(shí)體網(wǎng)格類型，劃分結(jié)果如圖2 所示，整個(gè)模型有20 563 個(gè)單元數(shù)，40 603 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.2 施加約束

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架的裝配方式和工作情況，機(jī)架與地面的接觸部分起固定支撐作用。模態(tài)分析時(shí)在機(jī)架底部設(shè)置固定約束。V 型浮動(dòng)架一端采用鉸接與機(jī)架固定連接，因此，該處設(shè)置固定鉸鏈約束，另一端搭在滑塊上，在浮動(dòng)架與滑塊的接觸部分設(shè)置面與面的接合約束。工作過程中，通過后調(diào)節(jié)螺桿推動(dòng)浮動(dòng)架轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在接觸處設(shè)置點(diǎn)與面無穿透接觸約束。本次模態(tài)分析主要是求得試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架固有自身頻率，振動(dòng)視為無阻尼自由振動(dòng)，因此不需要添加其它的外載荷。約束設(shè)置如圖3 所示

圖2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架網(wǎng)格化Fig.2 Test bench rack meshing

圖3 約束設(shè)置Fig.3 Constraint set

2.2 結(jié)果分析

由于低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，且結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際工作情況，提取非0 的前10階模態(tài)振型和頻率進(jìn)行分析即可。機(jī)架的固有頻率及振型見表1，相對(duì)應(yīng)各階振幅如圖4 所示，振型云圖如圖5 所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架固有頻率及振型Tab.1 Natural frequency and vibration mode of test bench rack

從試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架模態(tài)分析前10 階固有頻率的模態(tài)振型結(jié)果（表1、圖4、圖5）可以看出，試驗(yàn)臺(tái)工作過程中，機(jī)架的變形主要表現(xiàn)為波動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，可見對(duì)機(jī)架的剛度和強(qiáng)度有較高要求。機(jī)架的前10 階固有頻率在151.83～269.09 Hz 之間，范圍集中，固有頻率值呈現(xiàn)依次遞增趨勢(shì)，但振幅沒有規(guī)律可言，表現(xiàn)出模態(tài)分析無阻尼振動(dòng)的隨機(jī)性。而機(jī)架在第4 階固有頻率186.77 Hz 處出現(xiàn)最大振幅為1.461 mm，主要是機(jī)架上端橫梁沿Z 軸上下波動(dòng),前橫梁波峰向上，后橫梁波峰向下，最大振幅出現(xiàn)在后橫梁中間部位（圖5（d））；同時(shí)，在第2 階固有頻率180.44 Hz 處出現(xiàn)第2大振幅1.41 mm，振型同樣是機(jī)架上端橫梁沿Z軸上下波動(dòng)，但前后橫梁波峰都是向上，前橫梁中間部位振幅較大（圖5（b）），這兩個(gè)地方發(fā)生振動(dòng)，將影響機(jī)架形狀及壓輥試驗(yàn)效果。與第1，6，7，8，9，10 階頻率相比，第3，5 階頻率處振幅同樣較為明顯，主要表現(xiàn)為機(jī)架上端橫梁沿Z 軸上下波動(dòng)，最大振幅為1.347 mm（圖5（c））、機(jī)架上端后橫梁沿Z 軸上下波動(dòng)，最大振幅為1.322 mm（圖5（e）），這兩階振型同2，4 階振型基本相同，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)架發(fā)生變形，影響試驗(yàn)效果。相比第1、10 階頻率，第6，7，8，9 階頻率處振幅也較明顯，發(fā)生的主要振型基本相同，主要變形是機(jī)架下橫梁沿Z 軸上下波動(dòng)（圖5（f，g，h，i）），而第1 階頻率處發(fā)生的主要變形為機(jī)架前端沿X軸扭（圖5（a）），第10 階頻率處主要變形體現(xiàn)了機(jī)架空間特性，機(jī)架橫梁沿Z 軸上下波動(dòng)和左右機(jī)架沿X 軸扭轉(zhuǎn)（圖5（j））?？傮w來看，除第10 階頻率下機(jī)架出現(xiàn)了整體變形，其他頻率下，機(jī)架都沒有出現(xiàn)整體變形，只是局部的波動(dòng)；第2，3，4，5 階頻率處不僅整體變形基本相同，主要都是機(jī)架上橫梁沿Z 軸上下波動(dòng)，而且振幅也基本接近，差距很??；第6，7，8，9 階頻率處也是基本振型相同，振幅相差不大。

圖4 前10 階固有頻率及對(duì)應(yīng)振幅Fig.4 The first 10 natural frequencies and corresponding amplitudes

圖5 機(jī)架前10 階模態(tài)云圖Fig.5 The first ten order vibrational modal diagram

模態(tài)分析反映出了該試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架的各階固有頻率，為試驗(yàn)臺(tái)的安全工作提供參考，在實(shí)際試驗(yàn)中，各部件的工作頻率應(yīng)避免與機(jī)架的各階固有頻率相靠近，以免引發(fā)機(jī)架與工作部件產(chǎn)生共振現(xiàn)象，影響作業(yè)安全。

3 外部激勵(lì)頻率分析

通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架進(jìn)行外部激勵(lì)頻率分析，確定其各階固有頻率與外界動(dòng)載荷所產(chǎn)生的頻率不一致，從而有效避免共振的發(fā)生，確保試驗(yàn)臺(tái)安全穩(wěn)定工作。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際工作情況，其機(jī)架會(huì)受到來自地面、壓扁輥、電機(jī)等外部激振的影響，現(xiàn)將各激振頻率分析如下：路面激振由道路平整度決定，試驗(yàn)臺(tái)可以在室內(nèi)或室外工作，其作業(yè)時(shí)認(rèn)為機(jī)架與地面完全接觸，故激振頻率可認(rèn)為是0 Hz；根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為900～1 200 r/min，激振頻率為15～20 Hz；實(shí)際工作中，苜蓿輸送到壓扁裝置中，壓扁輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行壓扁工作，其轉(zhuǎn)速為500～700 r/min，激振頻率為8.33～11.67 Hz。將試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架受到的各外部激振頻率與分析計(jì)算出的自身固有頻率對(duì)比分析可以得出：機(jī)架最低頻率為151.83 Hz，各外部激振頻率遠(yuǎn)比其小，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)架安全性沒有影響，試驗(yàn)臺(tái)可以安全穩(wěn)定地作業(yè)。

4 結(jié)論

結(jié)合苜蓿壓扁效果的影響因素:壓輥間隙、彈簧的初始拉力、壓扁輥轉(zhuǎn)速、喂入量等，設(shè)計(jì)了一種苜蓿壓扁試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)可以方便地進(jìn)行壓扁間隙調(diào)節(jié)、壓扁輥轉(zhuǎn)速設(shè)置、調(diào)整喂入量大小，并且機(jī)架底部裝有剎車輪，可以方便地進(jìn)行移動(dòng)。

在SolidWork Simulation 中對(duì)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明：機(jī)架前10 階固有頻率范圍在151.83～269.09 Hz，機(jī)架在第4 階固有頻率186.77 Hz 處出現(xiàn)最大振幅為1.461 mm，在第2 階固有頻率180.44 Hz 處出現(xiàn)第2 大振幅1.41 mm。整體而言，除第10 階頻率下機(jī)架出現(xiàn)了整體變形，其他頻率頻率下，機(jī)架都沒有出現(xiàn)整體變形，只是局部的波動(dòng)；第2，3，4，5 階頻率處變形基本相同，第6，7，8，9 階頻率處振型基本相同。外部激勵(lì)頻率分析顯示，各外部激振頻率遠(yuǎn)比機(jī)架最低頻率151.83 Hz 小，因此不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)架安全性沒有影響，試驗(yàn)臺(tái)可以安全穩(wěn)定地作業(yè)。