金政宏，陳 建，王炎林，牛 坡，王 磊，張 勉，莫 婷

西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715

電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)隨著耕作深度增加整機(jī)振動(dòng)也更強(qiáng)烈，研究表明，在耕深大于10 cm的情況下每天使用4 h，3年后有10%的操作者出現(xiàn)白指病[6-10]，但是在作業(yè)過(guò)程中耕深大于10 cm是非常必要的，因此如何在滿足耕深條件下通過(guò)對(duì)整機(jī)進(jìn)行減振保護(hù)操作者的身體健康，是電動(dòng)微耕機(jī)在丘陵山區(qū)廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素[11-12].

本文主要研究對(duì)象為一臺(tái)自主研發(fā)的耕深大于10 cm的鋰電池組電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)在快擋作業(yè)情況下的豎直方向振動(dòng)特性，電動(dòng)微耕機(jī)扶手架處的振動(dòng)直接影響操作者的身體健康，故而針對(duì)如何降低扶手架處振動(dòng)的問(wèn)題進(jìn)行研究.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

1. 扶手架； 2. 電機(jī)控制器； 3. 電動(dòng)機(jī)； 4. 鋰電池組； 5. 支撐架； 6. 行走箱； 7. 刀輥； 8. 限深桿．圖1 電動(dòng)微耕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)設(shè)備為團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的鋰電池組電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電動(dòng)微耕機(jī))，其電池組由170枚比克公司生產(chǎn)的H18650CC鋰離子單體電池，通過(guò)10組由17個(gè)單體電池串聯(lián)而成的電池串并聯(lián)而成，上下層分別呈7行10列和10行10列排列．電動(dòng)微耕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示(z方向?yàn)殡妱?dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)的豎直向上方向，y方向?yàn)榍斑M(jìn)方向)，主要由扶手架、 電機(jī)控制器、 電動(dòng)機(jī)、 鋰電池組、 支撐架、 行走箱、 刀輥、 限深桿組成．扶手架上布置有剎車裝置和控制旋鈕開關(guān)，當(dāng)鋰電池組(位于發(fā)動(dòng)機(jī)前)處于接通狀態(tài)時(shí)，鋰電池組為電動(dòng)機(jī)供電．刀輥既是耕作部件，也是行走部件，刀輥切削土壤時(shí)，土壤反作用力推動(dòng)機(jī)組前進(jìn)．行走箱連接、 支撐各個(gè)部件并與刀輥軸之間有力的傳遞．末端支架設(shè)計(jì)有扶手架、 限深裝置連接結(jié)構(gòu)，限深桿用于調(diào)節(jié)耕深．電動(dòng)微耕機(jī)設(shè)置有快檔和慢檔兩個(gè)檔位，快檔轉(zhuǎn)速較高，是電動(dòng)微耕機(jī)的耕作檔位，慢檔轉(zhuǎn)速較低，主要在轉(zhuǎn)向的時(shí)候使用，其主要性能參數(shù)如表1所示.

表1 電動(dòng)微耕機(jī)主要性能參數(shù)

試驗(yàn)的儀器包括美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的356A16型三向加速度傳感器，該傳感器使用頻率范圍為0.3～6 kHz，量程為±50 g，使用溫度范圍為-54 ℃～+80 ℃，傳感器質(zhì)量為7.4 g，x，y，x方向靈敏度分別為96.1，98.6，100.4 mV/g； 美國(guó)國(guó)家儀器有限公司生產(chǎn)的NI9234數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡和傳感器如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集卡和傳感器

1.2 模型建立

電動(dòng)微耕機(jī)的振動(dòng)由電磁激振力、 刀輥切削土壤反作用力、 被切土垡撞擊擋泥板作用力、 行走箱機(jī)械傳動(dòng)內(nèi)力等幾部分組成，電磁激振力、 刀輥切削土壤反作用力、 被切土垡撞擊擋泥板作用力是電動(dòng)微耕機(jī)主要的振動(dòng)來(lái)源，針對(duì)主要振動(dòng)來(lái)源對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將系統(tǒng)各模型部分動(dòng)力作用過(guò)程進(jìn)行組合得到系統(tǒng)豎直方向動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)豎直方向動(dòng)力學(xué)模型

m1為扶手架的質(zhì)量，m2為電動(dòng)機(jī)質(zhì)量，m3為鋰電池組電池箱質(zhì)量，m4為支撐架質(zhì)量，m5為刀輥質(zhì)量；x1為扶手架位移隨時(shí)間變化函數(shù)，x2為電動(dòng)機(jī)位移隨時(shí)間變化函數(shù)，x3為電池箱位移隨時(shí)間變化函數(shù)；x4為支撐架豎直方向振動(dòng)位移隨時(shí)間變化函數(shù)，x5為旋轉(zhuǎn)刀輥豎直方向振動(dòng)位移隨時(shí)間變化函數(shù)；k1為扶手架與支撐架之間的剛度，k2為電動(dòng)機(jī)與支撐架之間的剛度，k3為電池箱與支撐架之間的剛度，k4為刀輥與支撐架之間的剛度，k5為土壤的等效剛度；c1為土壤等效阻尼系數(shù).

F1為扶手架處作用力，F(xiàn)3為土垡撞擊力，F(xiàn)4為土壤對(duì)刀輥?zhàn)饔昧?

聽(tīng)到登子低低地對(duì)孩子嘀咕著：快點(diǎn)吃，快點(diǎn)吃，再不吃就和你死去的哥哥姐姐一樣。那孩子低低地問(wèn)著：阿爸，為什么要在這里吃啊，拿到家里吃不好嗎？登子低低地吼道：小孩家懂什么，如果鬼知道我們有肉吃，那會(huì)把我們一起吃掉的，所以千萬(wàn)別給任何人說(shuō)你吃過(guò)肉。孩子帶著哭腔：阿爸，我不會(huì)說(shuō)的，我真的不會(huì)說(shuō)的。

根據(jù)圖3，可建立電動(dòng)微耕機(jī)豎直方向一維振動(dòng)系統(tǒng)微分方程為

(1)

電動(dòng)微耕機(jī)扶手架處的振動(dòng)直接影響操作者身體健康，所以需要減輕扶手架處振動(dòng)，但是一旦優(yōu)化扶手架結(jié)構(gòu)就會(huì)導(dǎo)致整機(jī)質(zhì)量發(fā)生變化從而影響耕深這一必要因素，在整機(jī)中支撐架相比于其他部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于優(yōu)化，因此需要通過(guò)優(yōu)化扶手架和支撐架的結(jié)構(gòu)，使得整機(jī)質(zhì)量不變的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)扶手架處的減振.

根據(jù)上述分析和公式(1)，在matlab/simulink模塊中將各個(gè)零部件的程序框圖依次連接，并添加輸出端為扶手架和支撐架，可以得到仿真程序圖，如圖4所示.

圖4 電動(dòng)微耕機(jī)豎直方向一維振動(dòng)系統(tǒng)程序圖

1.3 仿真與試驗(yàn)

完成仿真參數(shù)的設(shè)置開始運(yùn)行仿真，可以得出輸出端支撐架平板與扶手架的豎直方向振動(dòng)信號(hào)圖，如圖5所示.

圖5 扶手架和支撐架平板豎直方向振動(dòng)信號(hào)圖

圖中曲線表明，旋耕刀具入土?xí)r，表現(xiàn)為振動(dòng)加速度增大，當(dāng)?shù)毒咔邢魍鳞蚁蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)加速度減小，因此刀具循環(huán)入土、 出土環(huán)節(jié)中，振動(dòng)加速度曲線與正弦信號(hào)類似．運(yùn)算結(jié)果顯示，扶手架、 支撐架平板處振動(dòng)加速度均方根值(以下簡(jiǎn)稱RMS值)分別為10.06，35.61 m/s2，其中人手連接的扶手架處的RMS值為研究的重點(diǎn)，是反映操作者健康狀況的重要參數(shù)來(lái)源.

田間試驗(yàn)在重慶市合川區(qū)試驗(yàn)田開展，如圖6所示，該試驗(yàn)田位于106°23′45″E，29°39′45″N，田寬為35 m，長(zhǎng)度為50 m，該試驗(yàn)田土地含水率為21%，土壤0～150 mm平均堅(jiān)實(shí)度為0.453 MPa.

圖6 田間試驗(yàn)圖

田間試驗(yàn)時(shí)將三向加速度傳感器安裝在電動(dòng)微耕機(jī)的扶手架與支撐架上，將檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞至LabVIEW SignalExpress軟件系統(tǒng)，得到扶手架與支撐架的振動(dòng)加速度的時(shí)域變化波形，通過(guò)對(duì)時(shí)域特征值分析獲得測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度均方根值．電動(dòng)微耕機(jī)在基于快擋工況下進(jìn)行耕作土壤試驗(yàn)，測(cè)試扶手架和支撐架平板處的振動(dòng)曲線，整機(jī)接線布局與傳感器布點(diǎn)圖如圖7所示.

圖7 整機(jī)接線布局與傳感器布點(diǎn)

田間試驗(yàn)測(cè)得的電動(dòng)微耕機(jī)扶手架和支撐架兩處測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)濾波處理如圖8所示，可以得到扶手架、 支撐架平板處RMS值分別為10.45，49.08 m/s2.

圖8 電動(dòng)微耕機(jī)兩處測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)濾波處理

1.4 結(jié)果對(duì)比

將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2中數(shù)據(jù)分析可知，仿真誤差主要源于動(dòng)力模型簡(jiǎn)化中沒(méi)有考慮部件阻尼系數(shù)、 限深桿處作用力等振動(dòng)參數(shù)以及田間振動(dòng)試驗(yàn)中的測(cè)試誤差．對(duì)于機(jī)械振動(dòng)特性仿真，一般要求仿真與實(shí)驗(yàn)誤差小于20%[13]，因此本次仿真與實(shí)驗(yàn)誤差滿足精度要求，該模型可以進(jìn)行重復(fù)利用.

表2 快擋工況下RMS值對(duì)比

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了盡量減緩操作者得白指病，一般扶手架處z軸方向振動(dòng)RMS值不超過(guò)10 m/s2，而且z軸振動(dòng)RMS值應(yīng)該盡可能減小[14]，但是前文仿真與試驗(yàn)的扶手架處RMS值均超過(guò)10 m/s2，所以需要對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)進(jìn)行減振，根據(jù)前文所述，應(yīng)對(duì)支撐架和扶手架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)扶手架處振動(dòng)減小.

結(jié)構(gòu)優(yōu)化又分為尺寸優(yōu)化、 形態(tài)優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)于支撐架而言因?yàn)槠渑c行走箱、 電動(dòng)機(jī)等相連接，所以無(wú)法進(jìn)行尺寸優(yōu)化，而且加工時(shí)又直接以整板形式與其他部件裝配，所以可以對(duì)支撐架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化； 對(duì)于扶手架而言，因?yàn)樾枰ＷC操作者在農(nóng)作時(shí)最佳的舒適性，同時(shí)與支撐架連接的空心鋼管壁厚已經(jīng)固定，所以不能對(duì)扶手架進(jìn)行尺寸優(yōu)化和對(duì)整體進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化，只能在局部進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化.

2.1 扶手架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電動(dòng)微耕機(jī)扶手架作為圓形桿件，通過(guò)采用單一引入漸變阻抗界面[15]、 一維聲學(xué)黑洞法[16-17]、 形態(tài)優(yōu)化法在尖端區(qū)域粘結(jié)阻尼材料的方法完成減振[18].

采用漸變介質(zhì)阻抗法引入連續(xù)漸變阻抗界面，在扶手架橫桿處焊接空心管，原理是橫桿加設(shè)空心管可以增加扶手架質(zhì)量吸收一部分由支撐架傳遞上來(lái)的振動(dòng)從而降低傳遞到人手處的振動(dòng)能量．采用一維聲學(xué)黑洞理論方法，在支撐架與扶手架平板連接處加工出錐狀結(jié)構(gòu)，并在錐狀結(jié)構(gòu)表面附著阻尼材料(橡膠)吸收振動(dòng)能量.

優(yōu)化后扶手架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，當(dāng)整機(jī)工作時(shí)，振動(dòng)能量匯聚到支撐架平板處，并經(jīng)過(guò)扶手架傳遞到人手．當(dāng)振動(dòng)能量信號(hào)傳遞到扶手架時(shí)，一部分匯聚到尖端部分，并被阻尼材料吸收，另一部分傳遞經(jīng)過(guò)漸變阻抗阻尼材料層，振動(dòng)能量進(jìn)一步削弱，當(dāng)傳遞到人手接觸時(shí)，振動(dòng)能量已經(jīng)減輕了一部分，從而實(shí)現(xiàn)降低振動(dòng)能量的目的，優(yōu)化后扶手架質(zhì)量增加1.25 kg，增加部分的質(zhì)量需要通過(guò)優(yōu)化支撐架來(lái)平衡.

圖9 扶手架復(fù)合減振結(jié)構(gòu)總體示意圖

2.2 支撐架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

運(yùn)用Ansys有限元方法對(duì)支撐架求解，優(yōu)化云圖結(jié)果如圖10所示，深色部分為可去除材料部分.

圖10 支撐架優(yōu)化云圖

分析支撐架結(jié)構(gòu)，可知前端支架處所受應(yīng)力不大可以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓?fù)鋬?yōu)化方案，對(duì)前端支架進(jìn)行鏤空處理節(jié)省材料并減重，鏤空處理后支撐架質(zhì)量相對(duì)減少了1.43 kg，與扶手架增加的1.25 kg質(zhì)量相近，保證了整機(jī)質(zhì)量不變而不影響耕深.

2.3 結(jié)果對(duì)比

基于上面章節(jié)中建立的Simulink仿真模型，替換掉電動(dòng)微耕機(jī)優(yōu)化前的支撐架和扶手架結(jié)構(gòu)并對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)進(jìn)行優(yōu)化后仿真，結(jié)果如圖11所示.

圖11 優(yōu)化后振動(dòng)加速度曲線圖

從仿真得到的RMS值可知，扶手架處RMS值為7.40 m/s2，支撐架平板處RMS值為66.84 m/s2，相對(duì)于支撐架和扶手架未進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前的仿真結(jié)果，扶手架處RMS值降低了21.7%.

2.4 優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證

加工出優(yōu)化后的支撐架和扶手架結(jié)構(gòu)如圖12所示，并裝配至電動(dòng)微耕機(jī)上．利用優(yōu)化后的電動(dòng)微耕機(jī)在前文試驗(yàn)的試驗(yàn)田進(jìn)行優(yōu)化后試驗(yàn)，所用儀器方法與前文試驗(yàn)一致，測(cè)得扶手架處RMS值為7.89 m/s2，支撐架平板處RMS值為59.58 m/s2，與仿真結(jié)果對(duì)比誤差為6.6%，10.9%，與裝配優(yōu)化結(jié)構(gòu)前試驗(yàn)相比扶手架處RMS值降低了24.5%.

圖12 優(yōu)化后的支撐架前端支架和扶手架

3 結(jié) 論

通過(guò)仿真與田間試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真模型建立方法的可行性，得出Matlab/simulink所建立的電動(dòng)微耕機(jī)模型精確并可以反復(fù)使用，仿真與試驗(yàn)得出的扶手架振動(dòng)RMS值均超過(guò)人手適宜的RMS值10 m/s2，需要對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)減振.

在仿真模型基礎(chǔ)上，對(duì)扶手架與支撐架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進(jìn)行優(yōu)化后的仿真分析，得到支撐架質(zhì)量相對(duì)減少了1.43 kg，扶手架質(zhì)量相對(duì)增加了1.25 kg，整機(jī)質(zhì)量未發(fā)生大的變化； 在優(yōu)化仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，加工出優(yōu)化后的支撐架和扶手架并進(jìn)行裝配，利用優(yōu)化后的電動(dòng)微耕機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得扶手架處RMS值較優(yōu)化前降低了24.5%，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)微耕機(jī)減振的目的.