麻芳蘭，蔡　力，楊代云，范志達，趙　靜，鐘家勤，葉才福

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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基于刀盤動剛性的甘蔗收獲機布局試驗研究

麻芳蘭，蔡力，楊代云，范志達，趙靜，鐘家勤，葉才福

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：通過振動測試與理論分析找出小型甘蔗收獲機在田間和模擬試驗中出現的高破頭率問題，結合虛擬樣機技術，采用基于刀盤動態(tài)剛性的整機布局優(yōu)化仿真，得出切割器簡支梁安裝方式、發(fā)動機中置、剝葉系統(tǒng)軸負式布局方式利于增大刀盤的剛性。據此研制出改進樣機，最后通過振動測試試驗對比分析兩臺樣機，得出刀盤的振動幅度由原來的2mm下降到0.8mm，刀盤的動態(tài)性能有了很大的改善，從而驗證了此布局方式的可行性。

關鍵詞：甘蔗收獲機; 整機布局; ADAMS; 動態(tài)剛性

0引言

我國南方主要以丘陵地區(qū)為主，且種植甘蔗地塊面積小，小型甘蔗收獲機在很長一段時間內仍將是甘蔗收獲機發(fā)展的主流方向[1]。而受到中國甘蔗種植模式和制糖廠工藝等因素的影響，整稈式甘蔗收割機是中國目前甘蔗收獲機研制的重要機型[2-7]。但是，整稈式甘蔗收獲機存在著高破頭率和切割損失等缺點，嚴重影響其性能和推廣使用[8]。

甘蔗機械化收獲過程中主要完成切割任務，對甘蔗宿根質量有直接的關系。切割系統(tǒng)是關系甘蔗收獲機能否連續(xù)有效工作、能否平穩(wěn)順暢輸送甘蔗及降低破頭率的關鍵部件[9]。楊堅[10]等研究了刀片切割角度、刀盤傾角、刀片數量對破頭率的影響，而且通過對單刀盤切割器的研究得出了振幅和頻率對破頭率有顯著影響，提出設計時應該考慮減振措施。國外對甘蔗收割機進行了較全面的基礎和應用研究，如Norris等[11]研究在切割器前方增加喂入輥的方式來提高甘蔗的輸送能力，來保證甘蔗順利通過物流通道，以免影響砍蔗質量；但甘蔗破頭率還較高，一般在20%左右[12]。以上都是通過改變切割器的工作參數或者增加輔助結構來降低對宿根破頭率的影響，而目前對刀盤切割器的動態(tài)剛性對于破頭率的影響研究卻很少。

本文根據課題組已經研制的第一臺物理樣機在現場收割過程中存在的問題，通過基于刀盤動態(tài)剛性的整機布局優(yōu)化仿真分析，研發(fā)出新的物理樣機。同時，通過對新的收獲機進行試驗研究，揭示了基于刀盤動態(tài)剛性的整機布局方式對降低宿根破頭率的意義，提高了砍蔗質量。

1原樣機高破頭率原因分析

廣西大學研制出的第一臺小型整稈式甘蔗收割機物理樣機，如圖1所示。針對物理樣機進行模擬試驗，對不同轉速下切割后的蔗根情況進行統(tǒng)計分析。以30簇為統(tǒng)計樣本，對統(tǒng)計項取平均值，當裂紋過節(jié)或裂紋長度大于15mm時就認為蔗根損壞。試驗結果如表1所示。

1.壓蔗稈　2.提升缸　3、6.喂入輥　4、5輸送輥　7.切割器

從表1的統(tǒng)計結果可以看出：原樣機的破頭率均在15%以上，甚至超過了20%，并且裂紋的平均長度也比較長。課題組前期研究成果表明[13]：切割質量是隨著刀盤振動幅值的增加而下降，當刀盤振動幅值從0.461mm增大到1.054mm時，切割損失評分從4.71增大到7.21，也就是切割損失增加了46.5%。

表1　切割后蔗根情況統(tǒng)計

由于切割器刀盤的振幅與破頭率密切相關，現通過振動測試系統(tǒng)對樣機進行振動測試。試驗儀器選用江蘇東華測試技術有限公司的DH-5938動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，配套上海歐多儀器電子有限公司的HZ891XL電渦流傳感器。當切割器不轉動時，發(fā)動機對刀盤的振動影響最大[13]，而當發(fā)動機轉速為1 900r/min時，其功率匹配最好[14]。因此，測試發(fā)動機轉速為1 900r/min。在其他系統(tǒng)正常工作下的刀盤和刀片的測試結果如圖2和圖3所示。

圖2　刀盤振動信號

圖3　同一刀盤兩片刀片振動信號

通過圖2和圖3可以看出：刀盤的振動最大幅度有2mm左右，而兩刀片的高度差有3mm左右。前課題組研究結果[13]表明：原樣機影響切割質量的主要原因就是刀盤的振動幅值大和同一刀盤上兩處刀片的高度差較大，當甘蔗被兩刀或兩刀以上切割時，很容易形成臺階使切割質量下降。

綜上得出切割器剛度不夠和車載振源是致使刀盤振動過大、破頭率高的主要原因。刀盤切割器是甘蔗收獲機的重要部件，其動態(tài)性能直接影響收獲機的工作性能[15]，因此基于刀盤動態(tài)剛性的整機布局優(yōu)化設計顯得非常重要。

2整機布局優(yōu)化仿真

2.1甘蔗收獲機振源分析

根據前期研究發(fā)現，甘蔗收獲機的振源主要來自5個方面：發(fā)動機、切割器、輸送系統(tǒng)、剝葉斷尾機構及路面的隨機激勵。整個輸送系統(tǒng)運轉速度低[16]，所具有的振動能量也比較小，在對整機進行動態(tài)分析時，不考慮輸送系統(tǒng)引起的振動對整機動態(tài)性能的影響。路面隨機激勵也是收獲機產生振動的主要原因之一，這種振動直接影響到甘蔗收獲機刀盤切割甘蔗的質量[17]。課題組的范志達[18]指出了要提高砍蔗質量可以通過避開蔗地路面不平度引起的3.0Hz以上的刀盤振動，所以路面的隨機激勵已經作過了相關研究，這里便不再重復這類的工作。因此，本文主要考慮發(fā)動機、剝葉機和切割器引起刀盤振動的3大振源。

2.2甘蔗收獲機模型建立與仿真

為了有效快速地分析各個振源對不同的布局安裝形式的影響，在虛擬樣機軟件ADAMS中模擬現實中甘蔗收獲機的動力學狀態(tài)，對其進行實時分析。甘蔗收獲機是一個復雜的多自由度非線性系統(tǒng)，研究其振動特性時，必須進行適當的簡化[19]。整機的各模塊都看成獨立的振源，不考慮自身的變形和阻尼，將各個振源視為正弦振動，只考慮垂直方向的振動，忽略縱向和側向的振動[20-21]。其部件總成之間連接視為彈簧阻尼參數[22-24]，設置仿真參數如表2所示。

表2　仿真參數

2.2.1發(fā)動機安裝位置對刀盤切割器安裝位置的動態(tài)分析

在仿真分析中，由于車架與前后輪的連接是通過剛性相連，所以將每個輪胎和地面組成的系統(tǒng)簡化為一個彈簧和阻尼，發(fā)動機的每個懸置塊也簡化成彈簧阻尼系統(tǒng)。同時，對車架進行柔性化處理，建立底盤-車架-發(fā)動機組成的8自由度系統(tǒng)模型[25-26]，如圖4所示。

得出發(fā)動機不同布置形式(發(fā)動機前置和發(fā)動機后置)的車架前端和中部響應結果如圖5和圖6所示。

從圖5、圖6可以看出：無論是車架的前端還是中部， 中置式發(fā)動機比后置式發(fā)動機所引起的振動響應要小。無論是后置式發(fā)動機安裝方式還是中置式發(fā)動機安裝方式，車架前端的響應都大于車架中部的響應，所以將刀盤切割器布置在車架的中部可以有效地降低發(fā)動機對其振動的影響。

圖4　發(fā)動機與車架的動力學模型

圖5　兩種安裝方式下的車架中部響應對比

圖6　兩種安裝方式下的車架前端響應對比

2.2.2剝葉機不同安裝位置對刀盤切割器安裝位置的動態(tài)分析

由于甘蔗收獲機的收割流程決定了切割系統(tǒng)與剝葉系統(tǒng)是緊密銜接的，根據刀盤的安裝位置的不同，剝葉機在車架的布置形式為簡支式和軸負式。模型的建立與發(fā)動機與車架模型的建立類似，剝葉機也是采用四點懸浮，建立多自由度的數學模型。由于剝葉機的結構基本對稱布置，所以剝葉機振源就簡化為正弦作用力，剝葉機不同布置方式的仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7　軸負式剝葉機布置方式下的車架前部與中部響應對比

圖8　簡支式剝葉機布置方式下的車架前部與中部響應對比

從圖7可以看出：軸負式的安裝方式，車架前端的振動幅值比車架后端要大，原因是軸負式安裝方式，在振動力的作用下會引起車架的扭轉，導致前后端振動幅值不同。從圖8中可看出：簡支式的安裝方式，車架前端與車架中部的振動幅值小些，但是不太明顯；主要是因為前后輪質量分布比較均勻，加之引起振動的慣性力不大，所以車架的變形不明顯導致前端與中部的振幅相差不大。對比兩種不同安裝方式所引起車架的振動幅值，軸負式的布置方式剝葉機所引起的振幅要小于簡支式的安裝方式，所以結合切割器的布置位置，剝葉機選用軸負式布置較好。

Gupta C P等[27]通過中置切割器來改善其動態(tài)剛度，課題組研究[9]也發(fā)現，切割系統(tǒng)布置在收割機的前后輪之間，能夠有效降低振動，降低破頭率，因此切割器布置在車架的中部。

綜上仿真分析可得出：發(fā)動機中置式布置、剝葉機選用軸負式布置、切割器布置在車架中部，這種方式布局振動最小。因此，新樣機的整機布局如圖9所示。

3改進后的甘蔗收獲機試驗研究

3.1測試儀器與方法

利用振動測試系統(tǒng)對整機進行振動測試，分析改進后樣機振動的改善效果。所采用儀器與前述的振動測試系統(tǒng)一樣。分別測試甘蔗收獲機在非工作狀態(tài)下只有發(fā)動機轉動、發(fā)動機和剝葉機同時轉動、發(fā)動機和輸送系統(tǒng)同時轉動、發(fā)動機和切割器同時轉動和工作狀態(tài)時切割器的振動情況[28]。測試工況水平如表3所示。

1.扶分蔗輥　2.甘蔗　3.切梢器　4.壓蔗輥　5.輔助喂入輥

工況發(fā)動機轉動/r·min-1剝葉機轉動發(fā)動機1900r/min輸送系統(tǒng)轉動發(fā)動機1900r/min切割器轉動發(fā)動機1900r/min工作狀態(tài)時發(fā)動機1900r/min測試水平1700800175500空載1900900200600負載2100——700—

根據前期的研究發(fā)現[29]：垂直方向的振動是產生破頭率的主要原因，所以割臺的振動測試主要是垂直方向的振動。因此，垂直振動測點分別布置在車架前部、砍蔗刀片處、齒輪箱的上部、車架中部和發(fā)動機處。

3.2測試結果與分析

3.2.1發(fā)動機對刀盤振動的影響

發(fā)動機在不同的轉速下，得到原樣機和改進樣機的刀片振動強度如表4所示。

表4　兩臺樣機發(fā)動機引起刀片振動的幅值

從表4中可以看出:發(fā)動機作為整機的主要激勵源，隨著轉速的提高，刀盤振動強度越大;但是在改進的樣機中引起的刀片振動強度比原樣機要小很多，主要原因是刀盤切割器簡支梁的安裝方式提高了刀盤的動態(tài)剛性，有效降低了刀盤的振幅。

3.2.2發(fā)動機對車架振動的影響

測試發(fā)動機在不同的轉速下不同布局方式下，車架前端振動強度如表5所示。

表5　發(fā)動機中置與后置車架前端振動強度

由表5可以看出：發(fā)動機轉速的提高，振動強度也隨著增加；但是中置式(改進樣機)發(fā)動機安裝方式所引起的車架前端響應要小于后懸臂式(原樣機)的安裝方式，說明刀盤安裝在前輪的后部有利于提高切割器的剛性。

3.2.3剝葉系統(tǒng)對刀盤振動的影響

測試工況為發(fā)動機固定轉1 900r/min，剝葉系統(tǒng)轉引起對刀片的振動強度如表6所示。

表6　發(fā)動機、剝葉機、輸送系統(tǒng)轉動引起刀片的振動強度

從表6中可以看出：無論是剝葉系統(tǒng)中的剝葉機還是輸送機構轉動，所引起的刀盤振動與發(fā)動機在1 900r/min轉速下引起的刀盤振動強度基本一樣，所以在空載狀態(tài)下，剝葉輸送系統(tǒng)對刀盤的振動幾乎沒有影響。因此，結合切割器的布置位置，剝葉系統(tǒng)選用軸負式布局較好。

3.2.4切割器轉動對自身振動影響

由于前面已闡述切割系統(tǒng)簡支梁的布局方式利于增加切割器的動態(tài)剛度，這里不再做過多的試驗驗證，只將測試切割器在600r/min時的振動強度。將發(fā)動機轉速固定在1 900r/min，由于刀盤轉動時，刀片處的振動不能通過有線的加速度傳感器進行采集，鑒于設備的局限性，測量切割器齒輪箱部位的振動強度來反應刀片處的振動強度，得到結果如表7所示。

表7　兩臺樣機切割器自身轉動引起齒輪箱的振動強度

從表7中可以看出：原有樣機切割器自身轉動時產生的振動強度要比改進樣機大得多。這主要是因為原有樣機切割器與車架的連接部位連接剛度不夠，由于切割器傾斜安裝引起的回正力不能被克服，所以旋轉時產生的周期性的動不平衡力，引起了刀盤的晃動是產生這一現象。而改進樣機與車架的連接方式進行了優(yōu)化，通過測試對比發(fā)現，比原有樣機的振動幅值要小很多，所以切割器與車架的連接剛性高于原有樣機。

3.2.5整機空載狀態(tài)下刀盤振動

最后測試整機空載狀態(tài)下的刀盤振動，發(fā)動機以最優(yōu)轉速工作，其他工作部件也在最優(yōu)條件下工作，通過位移傳感器測試刀盤的振動幅值，如圖10所示。

圖10　改進樣機的刀盤振動信號

從圖10中可以看到：刀盤的振動幅值有了大幅度的減小，從原來的2mm下降到0.8mm。經過整機布局優(yōu)化而得到的改進樣機的切割器，其動態(tài)剛性有了較大的提高。根據課題組前期研究發(fā)現[9,29]，提高切割器的動態(tài)剛度，利于減小刀盤振動幅值，降低破頭率，提高了砍蔗質量。因此，通過對原樣機的整體布局優(yōu)化，收獲機工作時能夠達到較好的性能指標。

4結論

通過基于刀盤動態(tài)剛性的原有樣機的整機布局優(yōu)化仿真，得到改進的樣機，并對改進樣機進行試驗研究。結果表明：改進樣機的振動幅值有了較大的減小，刀片的振動位移由原來的2mm，下降到0.8mm，增大了切割器的動態(tài)剛度，提高了砍蔗質量，驗證了此布局優(yōu)化方式的可行性。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0213-EA

The Whole Construction Layout Stimulation and Experiments of the Sugarcane Harvester Base on the Dynamic Rigidity of Cutter Head

Ma Fanglan，Cai Li，Yang Daiyun，Fan Zhida，Zhao Jing，Zhong Jiaqin，Ye Caifu

(College of Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Abstract：Based on the virtual test and theoretic analysis, when the sugarcane harvester worked in the field or the test platform, the causes of its high root damage rate were founded. Combined with the stimulation of the virtual prototype, and based on the dynamic rigidity of cutter head, the optimized stimulation of whole construction of sugarcane harvester was used to improve the dynamic rigidity of cutter head, and results showed that the dynamic rigidity of cutter head could be improved by the installation way of the simply supported beam in cutting system and middle-set-type of the engine, or the adverse installation of leave separating system’ shaft. Then the new prototype was built based on the vibration test. The vibration of the prototypes could be compared, the results showed the vibration value of the cutter head decreased to 0.8 mm from the former 2 mm. The dynamic rigidity of the cutter head has been improved a lot and the feasibility of the installation way was certified.

Key words：sugarcane harvester; layout; ADAMS; dynamic rigidity

文章編號：1003-188X(2016)05-0213-06

中圖分類號：S225.5+3

文獻標識碼：A

作者簡介：麻芳蘭(1976-)，女，廣西橫縣人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)422568295@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465004)；廣西自然科學基金資助項目(2014GXNSFAA118381)；廣西理工科學實驗中心項目(YXKT2014011)

收稿日期：2015-04-27