基于车架模态的蔗地路谱对刀盘振动的影响

李尚平，张 彪，叶才福，周敬辉，杨代云

(1.广西大学 机械工程学院，南宁 530004；2.广西民族大学 化学化工学院，南宁 530008)

基于车架模态的蔗地路谱对刀盘振动的影响

李尚平1,2，张 彪1，叶才福1，周敬辉1，杨代云1

(1.广西大学 机械工程学院，南宁 530004；2.广西民族大学 化学化工学院，南宁 530008)

小型甘蔗收获机刀盘振动对甘蔗宿根切割质量有着显著影响，蔗地路谱激励是影响刀盘振动的主要因素之一，车架是传递振动的主要路径，因此有必要探究蔗地路谱对刀盘振动的影响和车架的振动特性。为此，通过试验模态和有限元模态的对比分析，提取车架的固有频率及振型，建立车架的刚弹耦合虚拟样机模型；通过刀盘振动采集试验，验证了蔗地路谱对刀盘振动影响显著；实地采集典型甘蔗地貌振动路谱，获取激励位移信号。受迫振动分析表明：8.0Hz频率下的蔗地路谱对刀盘轴向振动影响最大。

甘蔗收获机；车架；振动；路谱

0 引言

甘蔗是我国南方的重要经济作物，目前国内甘蔗联合收获机的研制和推广面临诸多挑战[1-2]。近几年，我国甘蔗机械化收获试验结果表明：机械收割甘蔗后，甘蔗宿根损伤严重，导致翌年宿根发芽减少或不能发芽，极大影响了甘蔗产量和经济效益。在国内应用的各型号甘蔗收获机中破头率一般都高达20%以上[3]，过高的破头率意味着农民种植成本的翻倍提高。所以，降低破头率、提高甘蔗宿根切割质量是亟待解决的问题。凯斯A4000型甘蔗收获机是华南地区甘蔗收获的主力机型[4]，其针对丘陵地区甘蔗中小地块的种植模式结构做了简化，尺寸较小，在各机型中具有较优的代表性。

在我国，甘蔗广泛种植在南方丘陵地区，起伏不平的蔗地路谱会引起机械的振动，特别是切割系统的振动。甘蔗收获机车架是整机的主要支座部件，承载和支撑驾驶室、发动机、剥叶机及物流输送装置等部件，承受各种交变载荷，也是地面不平度引起切割系统振动的主要传递路径。甘蔗收获机车架在复杂蔗地环境中作业时受到的路谱激励将引起其结构的动态响应。当路面不平度引起的振动与冲击的振动频率接近车架的固有频率时，将导致车架振动加剧进而影响车架上的安装部件刀盘的振幅，降低甘蔗的宿根切割质量，影响整机的结构动态特性和可靠性。通过课题组前期大量的试验研究发现，切割器在砍蔗时会产生极大的振动。由于切割效果是在短时间内刀盘与甘蔗相互作用形成的，因此刀盘振动会直接影响切割力的大小和方向，进而影响甘蔗的宿根切割质量和破头率。广西大学赖晓等通过虚拟仿真分析和试验验证，针对丘陵地貌路谱激励对砍蔗质量的影响进行了有益的探索。试验表明：蔗地路谱激励对砍蔗质量有一般显著的影响，且随着激励频率的增大砍蔗质量有降低的趋势[5]。

目前，虚拟样机技术已广泛应用于农机产品的设计和开发中。姚艳春等利用模态分析与试验结合的方法，优化了玉米收获机车架结构，改善了振动频率[6]；陈树人等利用振动测试方法研究了谷物联合收获机割台的振动特性[7]；周敬辉利用虚拟样机技术对小型履带式甘蔗联合收获机进行了建模，对台架的动态特性进行了较为深入的研究[8]。

本文通过建立车架的刚弹耦合虚拟样机模型，并实地采集典型甘蔗地貌振动路谱，采用模态分析和受迫振动分析方法，探究蔗地路谱对刀盘振动的影响和车架的振动特性。

1 车架模态分析

1.1 试验模态

凯斯A4000型甘蔗收获机整机如图1所示。车架模态试验采用单点激励多点响应的方法，激励方式为发动机怠速激励，加速度传感器分别置于车架的21个测点位置。试验设备利用LMS SCADAS Ⅲ便携式数据采集前端，PCB公司的356A16型三轴加速度传感器及LMS Test.Lab软件进行数据采集。

图1 凯斯A4000型整机Fig.1 CASE A4000 machine

按照车架上的测点编号，在LMS Test.Lab软件的Geometry工作表中创建对应的节点，再连接节点创建线，完成车架的几何模型，如图2所示。该模型将车架简化为具有6根横梁的结构，横梁位置分别在前方送蔗棍、驾驶室下方、发动机下方、后轮两侧和后方物料输送机构。将传感器与数据采集前端联接，对传感器通道进行量程和灵敏度设置，车架模态试验结果如表1所示。

图2 车架试验模型Fig.2 Test model of frame表1 车架试验模态Table 1 Test modality of frame

阶数试验模态频率/Hz振型描述143.669车架驾驶室下方梁轻微扭转268.013车架整体扭转3295.068左侧板的摆动4342.169发动机下方板的扭转5371.371发动机后方梁的扭转6450.992车架两侧板的扭转

由于车架的低频振动波长较长，低阶振型对结构的稳定性具有重要作用，因此车架的第1、2阶固有频率及振型对车架振动特性影响较大。由表1可知：高阶振频远离低阶振频，同时由于高频成分振幅较小，瞬态响应分量衰减迅速，因此高阶模态对车架的动态特性影响较小。

1.2 有限元模态

根据测量得到的凯斯A4000型甘蔗收获机车架的外形尺寸，在三维造型软件UG中建立车架的三维实体模型，之后将生成的prt文件导入有限元分析软件ANSYS中建立车架的有限元模型，如图3所示。有限元单元类型为Solid 185，最小单元尺寸10mm，最终生成94 147个单元和22 532个节点。车架结构材料为Q235，材料属性参数如表2所示。

图3 车架有限元模型Fig.3 Finite element model of frame表2 车架材料属性Table 2 Material properties of the frame

材料弹性模量/GPa泊松比密度/kg·m-3屈服强度Q2352070.297850220

通过收敛速度较快的Block Lanczos法提取前4阶模态[9]，模态计算结果如表3所示。第1、2阶模态振型如图4所示。

表3 有限元模态计算结果

图4 第1、2阶模态振型Fig.4 The first and second order modal shapes

1.3 模态结果对比分析

当所建立的有限元模型准确可靠时，分析结果才能真实反映样机的动态特性进而用于进一步的受迫振动分析。因此，对车架的有限元模型与物理样机试验模型进行相关性分析，只有满足相关性要求，才能验证模型的准确性。由于试验模型简化了车架，因此相对于有限元试验模态会有多个模态丢失。选择振型相近的3个模态进行对比分析，结果如表4所示。

表4 模态结果对比

由表4可知：有限元模态频率与试验模态频率误差最大值为5.3%，接近显著性相关。这说明，所构建的有限元模型较为准确，具有较高的可靠性，能够很好地反映实际结构的振动特性。

2 蔗地路谱信号采集试验

2.1 刀盘振动信号采集与分析

试验在广西甘蔗主产区金光农场进行，试验仪器为LMS SCADAS Ⅲ数据采集前端、PCB型加速度传感器和凯斯A4000型甘蔗收获机。将传感器贴装在刀盘上，设置LMS采样频率为1 024Hz,传感器灵敏度为100mV/g。选择一垄蔗地样本，分别测试发动机怠速情况下和保持怠速发动机转速下以0.8m/s匀速行走的刀盘振动加速度信号。数据采集处理结果如图5所示，图中实线表示怠速加速度信号，虚线表示匀速行走时的刀盘振动加速度信号。

图5 刀盘振动加速度信号Fig.5 Vibration acceleration signal of cutter

图5表明：从整体振动水平上看，路面影响刀盘的振动总量级较大，振动幅值增长范围为15.1%～27.8%。这说明，蔗地路面对刀盘振动影响显著。

2.2 蔗地路谱信号采集与分析

蔗地路谱采集试验采用五轮仪法[5]。五轮仪的安装示意图如图6所示，原理示意图如图7所示。

图6 五轮仪安装图Fig.6 Installation figure of fifth-wheel tester

图7 五轮仪原理示意图Fig.7 Principle diagram of fifth-wheel tester

在金光农场选取有代表性的一垄200m长蔗地，将加速度传感器安装在五轮仪车轴上，五轮仪固定在农用车后轮一侧，行驶速度为0.8m/s。使用LMS数据采集前端和东华DH5922N动态信号测试系统进行数据采集，根据采样定律，设置采样频率为100Hz，采样时间为60s。

分别测试怠速情况下五轮仪车轴的加速度信号，保持怠速发动机转速下以0.8m/s匀速行走的加速度信号，对所采集的数据进行傅里叶变换得到频谱图，如图8所示。由图8可知：频谱曲线大致吻合，并且蔗地路谱频率主要集中在0～10Hz之间，符合软路面的频率范围，进一步证明了所采集数据的正确性。

图8 频谱图Fig.8 Frequency spectrogram

2.3 路谱信号处理

利用MatLab进行数据处理排除发动机的干扰，得到一垄的加速度时域信号如图9所示。

图9 加速度时域信号Fig.9 The time domain signal of acceleration

由于受五轮仪自身特性的影响，与路面的实际激励信号存在一定的偏差，为了消除这种偏差，需要测量五轮仪结构的传递函数。用柔性绳将五轮仪吊起，分别在车轴头和接触路面处安装两个加速度传感器，并在底部用力锤激励。通过LMS数据采集前端测量这两点间的加速度传递函数h(k)，即

h(k)=ai/ap

其中，ai为输出信号；ap为力锤激励信号。

假设采集到的加速度信号为ar，则路面实际激励信号H(k)为

H(k)=h(k)*ar

运用上述方法，将五轮仪车轴加速度信号经过传递函数还原成蔗地路谱激励加速度信号，并经过滤波降噪和积分处理，获得蔗地路谱激励位移信号，如图10所示。

图10 蔗地路谱激励位移信号Fig.10 Excitation displacement signals of road spectrum of cane fields

3 车架受迫振动分析

为探究蔗地路谱对刀盘振动的影响，对车架作受迫振动分析。将车架的有限元模型导入动力学仿真软件ADAMS中建立车架的刚弹耦合虚拟样机模型，如图11所示。在车架前轮连接处设置一对蔗地路谱激振台，输入位移激励信号；车架与激振台、地面、刀盘均通过BUSHING连接；激振台与地面设置有垂直方向的移动副。由于蔗地路谱激励位移信号为非稳定、非线性信号，所以采用EMD分解法对其进行平稳化处理[10]，将分解后得到的各IMF分量位移信号分别输入激振台作为激励信号，驱动车架发生受迫振动，测量车架上刀盘的轴向振动位移。

图11 虚拟样机模型Fig.11 Virtual prototype model

通过虚拟样机分析，获取车架在蔗地路谱激励下的振动响应。5种线型表示分解后获取5个IMF分量激振信号，如图12所示。图12显示：有3个IMF分量均在激振频率为8.0Hz时刀盘振幅达到最大值，其它IMF分量对振幅影响不显著。由叠加原理可知，8.0Hz频率下的蔗地路谱对刀盘轴向振动影响最大。

图12 受迫振动响应Fig.12 The response of forced vibration

4 结论

1)对试验模态和有限元模态进行对比分析，验证了有限元模型的准确性，得到车架的各阶固有频率及振型。

2)通过刀盘振动信号采集与分析，表明蔗地路面对刀盘振动影响显著。通过蔗地路谱信号采集试验和信号处理，获取蔗地路谱激励位移信号。

3)在蔗地路谱激励下对车架进行受迫振动分析，结果表明：8.0Hz频率下的蔗地路谱对刀盘轴向振动影响最大。

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Effect of Road Spectrum on Vibration of Cutter Based on Frame Modality

Li Shangping1,2, Zhang Biao1, Ye Caifu1, Zhou Jinghui1, Yang Daiyun1

(1.College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004, China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530008, China)

Vibration of small sugarcane harvester's cutter has a significant impact on the ratoon cutting quality. And road spectrum excitation is one of the main factors influcing vibration of cutter. At the same time, frame is the main path of vibration. So it is necessary to explore the effect of road spectrum on vibration of cutter and vibration characteristics of frame. Through the contrast of experimental modal and finite element modal, this paper obtains the natural frequency and vibration mode, and establishes the rigid-elastic coupling virtual prototype model of frame. It's verified that road spectrum has significant effects on cutter's vibration through cutter vibration test. And typical sugarcane geomorphic vibration road spectrum and excitation displacement signal are acquired. Through forced vibration analysis, it is found that road spectrum of 8.0Hz motivate the biggest influences on axial vibration of cutter.

sugarcane harvester; frame; vibration; spectrum

2016-09-23

国家自然科学基金项目(51465006)；广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室项目(GXLH2014KF-04)

李尚平(1956-)，男，广西博白人，教授，博士生导师，(E-mail)spli501@vip.sina.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)12-0043-05