周躍鵬，陳樹(shù)人，唐 忠，李耀明，張浩天

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

秸稈是我國(guó)糧食生產(chǎn)中的必然產(chǎn)物，也是重要的生物質(zhì)資源，全球每年產(chǎn)生20億t秸稈，有7億t在我國(guó)[1]。為減少糧食收獲后剩余秸稈對(duì)后續(xù)種植的影響，大量的秸稈需要搬離農(nóng)田，為便于秸稈搬運(yùn)及提高搬運(yùn)效率，秸稈打捆成為其中重要的環(huán)節(jié)。為此，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了大量的秸稈打捆機(jī)械，但國(guó)產(chǎn)秸稈壓縮機(jī)構(gòu)存在振動(dòng)較大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響著整機(jī)的可靠性及工作性能[2]。

為降低壓縮打捆類結(jié)構(gòu)振動(dòng)，李海星等[3]針對(duì)滿載運(yùn)輸工況下抓斗振動(dòng)進(jìn)行了振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究；潘世強(qiáng)等[4]利用ANSYS分析了打捆機(jī)卷壓滾筒振動(dòng)特性；張翔等[5]通過(guò)研究打捆壓縮機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型，獲得了偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的較大形變區(qū)域；于航等[6]應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)打捆機(jī)關(guān)鍵部件壓縮板進(jìn)行工作載荷測(cè)試與分析，獲得壓縮板的固有頻率及振型的相應(yīng)變化規(guī)律；陶雷等[7]利用ANSYS軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，設(shè)計(jì)出了輕質(zhì)高強(qiáng)度的打捆機(jī)機(jī)架。以上結(jié)果為秸稈壓縮打捆機(jī)構(gòu)的減振設(shè)計(jì)提供了重要的參考，但目前仍然難以解決曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)在秸稈壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題[8-9]。

為此，本文通過(guò)分析秸稈壓縮過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及慣性力，并采用振動(dòng)測(cè)試分析及慣性力平衡法設(shè)計(jì)了曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的自平衡結(jié)構(gòu)及模型。

1 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)

本文以市場(chǎng)上江海牌MJDZ190自走式秸稈撿拾打捆機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與減振設(shè)計(jì)。該機(jī)型的曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)Fig.1 Crank slider mechanism of straw compression

曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of crank slider mechanism in straw compression

2 壓縮過(guò)程振動(dòng)測(cè)試

為獲得曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)在秸稈壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的振幅，在秸稈壓縮室外壁選取14個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)在空載運(yùn)行狀態(tài)下的壓縮機(jī)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試。本文選取沿壓縮結(jié)構(gòu)布置的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置及振動(dòng)方向如表2所示。

表2 PCB加速度傳感器測(cè)點(diǎn)及方向Table 2 Measuring point and direction of PCB sensor

振動(dòng)信號(hào)測(cè)試與分析采用江蘇東華測(cè)試的DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，傳感器采用PCB公司的356A16型三向加速度傳感器。在動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析軟件中，設(shè)置采樣頻率為2kHz，采樣方式為連續(xù)采樣，時(shí)域點(diǎn)數(shù)為8 192個(gè)。其中，試驗(yàn)測(cè)得的信號(hào)為時(shí)域波形，如圖2所示。

圖2 壓縮活塞處時(shí)域波形圖Fig.2 Time domain waveform in compression piston

將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形圖通過(guò)二次積分和濾波處理轉(zhuǎn)化為位移幅值信號(hào)，對(duì)所測(cè)通道二次積分后得各個(gè)測(cè)點(diǎn)振幅如表3所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移幅值Table 3 Vibration amplitude of each measuring point mm

由表3可知：當(dāng)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓縮式外側(cè)壁前后方向振動(dòng)幅度最大為49.39mm，上下方向?yàn)?6.86mm，左右方向振幅最小為19.25mm；壓縮式外側(cè)壁前后方向振動(dòng)主要是由曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成，機(jī)構(gòu)工作時(shí)曲柄會(huì)產(chǎn)生較大旋轉(zhuǎn)慣性力，滑塊沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生往復(fù)慣性力，從而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的振動(dòng)幅值。

將曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)果如圖3所示。

圖3 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Motion structure of crank slider mechanism

圖3中，A點(diǎn)為曲柄的旋轉(zhuǎn)中心，B點(diǎn)為曲柄與連桿的連接點(diǎn)，C點(diǎn)為連桿與滑塊的連接點(diǎn)，D點(diǎn)為B點(diǎn)在水平軸上的投影。當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處于圖示位置時(shí)，滑塊行程可以表示為

S=(L+R)-(AD+CD)

(1)

設(shè)曲柄AB繞軸A以角速度ω作勻速運(yùn)動(dòng)，曲柄半徑AB=R，連桿BC=L，曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度的比值為λ=R/L，C1點(diǎn)與C2點(diǎn)分別為滑塊左右兩側(cè)的極限位置。取滑塊右側(cè)極限位置為滑塊行程的起點(diǎn)，滑塊從C2點(diǎn)到C點(diǎn)的行程為S，曲柄對(duì)應(yīng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)角記為θ，連桿與水平方向夾角為β，則行程S可表示為

S=(L+R)-(Rcosθ+Lcosβ)

(2)

根據(jù)曲柄滑塊構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)，可將滑塊行程表示為

(3)

(4)

由于λ較小，故λ的高階可忽略不計(jì)，則式(4)可得簡(jiǎn)化為

(5)

即滑塊行程S可表示為

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行時(shí)間微分，即得到滑塊的速度為

(7)

再對(duì)式(7)進(jìn)行微分，可得到滑塊在任意位置的加速度為

a=-ω2R(cosθ+λcos2θ)

(8)

由式(8)可知：滑塊的加速度大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速較大時(shí)，滑塊的加速度會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力。

3 秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的慣性力自平衡

設(shè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)活動(dòng)件總質(zhì)量為M，機(jī)構(gòu)質(zhì)心為P點(diǎn)，加速度為a，要使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)總慣性力平衡(即該機(jī)構(gòu)總慣性力為0)，但構(gòu)件總質(zhì)量M≠0，則加速度需為0，即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)質(zhì)心P要保持靜止不動(dòng)[10]。

3.1 完全平衡法

在連桿反方向E點(diǎn)處加平衡質(zhì)量ME，使ME與MC的質(zhì)心位于B點(diǎn)處，再在曲柄反方向F點(diǎn)處加平衡質(zhì)量MF，使機(jī)構(gòu)總質(zhì)心固定于點(diǎn)A處。因此，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，質(zhì)心固定在A點(diǎn)保持靜止，秸稈壓縮結(jié)構(gòu)理論上完全平衡，如圖4所示。

圖4 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)完全平衡圖Fig.4 Complete equilibrium diagram of crank slider mechanism in straw compression

對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)各部分構(gòu)件進(jìn)行尺寸測(cè)量和稱重，可得滑塊處等效質(zhì)量為65kg，連桿長(zhǎng)度為560mm，連桿大頭端延長(zhǎng)200mm至E點(diǎn)，由MERe=MCLBC可得ME=182kg；進(jìn)而可得B點(diǎn)處的集中質(zhì)量約為247kg，由MBR=MFRf，可得MF=261.82kg。通過(guò)對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)加兩塊質(zhì)量實(shí)現(xiàn)秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的自平衡，理論上可完全平衡壓縮打捆裝置工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

3.2 部分平衡法

通過(guò)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行慣性力自平衡方式，建立曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)部分平衡圖Fig.5 Partial equilibrium diagram of crank slider mechanism in straw compression

圖5中，在曲柄反向延長(zhǎng)線上F點(diǎn)處加一質(zhì)量塊M1，可平衡MB產(chǎn)生的慣性力。質(zhì)量MC做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由式(8)可知滑塊運(yùn)動(dòng)加速度，則MC所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力為

FC=MCω2Rcosθ+MCω2Rλcos2θ

(9)

為平衡FC，可在F點(diǎn)處再加一平衡質(zhì)量塊M2，則M2產(chǎn)生的慣性力F=M2ω2Rf在坐標(biāo)軸上的投影為

(10)

若Fx=FC(即MCR=M2Rf)，則質(zhì)量MC產(chǎn)生的一階往復(fù)慣性力完全被Fx平衡，但同時(shí)在豎直方向上又引入新的不平衡慣性力Fy，也會(huì)導(dǎo)致豎直方向產(chǎn)生較大振動(dòng)[11]。

為提高秸稈壓縮結(jié)構(gòu)的慣性力平衡效果，常取M2Rf=(1/3～1/2)MCR，即平衡水平方向的部分第1階慣性力，并在豎直方向增加比第1階慣性力小些的慣性力，從而使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)達(dá)到較好的自平衡[12]。

對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)各部分構(gòu)件進(jìn)行尺寸測(cè)量和稱重，可得滑塊處等效質(zhì)量為65kg，B點(diǎn)處等效質(zhì)量為10kg，將曲柄反向延長(zhǎng)250mm，曲柄回轉(zhuǎn)半徑取265mm，由M1Rf=MBR可得M1=10.6kg。由于M2Rf=(1/3～1/2)MCR，可得M2=(22.96～ 34.45)kg。為便于設(shè)計(jì)，可取值為30kg。

同理可得，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在F點(diǎn)處所需加的平衡塊MF=M1+M2=(33.56～45.05)kg。為便于設(shè)計(jì)，可取值為40kg。通過(guò)對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)加塊質(zhì)量實(shí)現(xiàn)秸稈壓縮機(jī)構(gòu)的自平衡，可有效降低壓縮打捆裝置工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可看出：盡管曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)理論上可以做到慣性力完全平衡，然而在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中整個(gè)機(jī)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜，且需加的平衡塊質(zhì)量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致很多其它問(wèn)題，甚至影響曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)正常工作，因此采用部分平衡法(即在F點(diǎn)處加平衡塊)平衡滑塊一階慣性力的一部分。

4 曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)以上對(duì)曲柄滑塊秸稈壓縮結(jié)構(gòu)的慣性力平衡結(jié)果，采用SolidWorks對(duì)優(yōu)化后的曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，結(jié)果如圖6所示。

圖6 基于慣性力平衡的秸稈壓縮結(jié)構(gòu)Fig.6 Straw compression structure based on inertial force

秸稈壓縮機(jī)構(gòu)曲柄延長(zhǎng)端增加延長(zhǎng)端面，在延長(zhǎng)端上配置兩個(gè)10kg的質(zhì)量塊，可以將曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)在秸稈壓縮過(guò)程中的振動(dòng)有效減低。

5 結(jié)論

1)曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)外側(cè)壁的前后振幅為18.94～49.39mm，其最大振幅出現(xiàn)在打結(jié)器傳動(dòng)軸側(cè)面上；壓縮機(jī)構(gòu)左右側(cè)振幅為5.49～ 19.25mm，其振幅最大值出現(xiàn)在曲柄滑塊喂料口上側(cè)；壓縮機(jī)構(gòu)上下振幅為2.63～ 36.86mm，振幅最大值出現(xiàn)在曲柄滑塊喂料口上側(cè)。

2)當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊質(zhì)量為65kg、連桿質(zhì)量為6.05kg、曲柄質(zhì)量為13.8kg、曲柄回轉(zhuǎn)半徑取265mm時(shí)，在曲柄反向延長(zhǎng)線上加40kg的配重塊，可以將曲柄滑塊秸稈壓縮機(jī)構(gòu)在秸稈壓縮過(guò)程中的振動(dòng)有效減低。