基于動態(tài)性能的小型甘蔗收割機砍蔗刀盤結構優(yōu)化

項菲菲 項忠珂

【摘 要】小型甘蔗收割機砍蔗刀盤的振動是影響甘蔗宿根破頭率的主要因素。引起砍蔗刀盤振動的因素很多，從提高砍蔗刀盤本身的動態(tài)性能的角度出發(fā)是解決砍蔗刀盤振動的可行方法?；贏NSYS參數(shù)設計語言建立了砍蔗刀盤參數(shù)化模型，并以砍蔗刀盤的固有頻率作為約束條件，對砍蔗刀盤的結構參數(shù)進行了優(yōu)化，提高了結構的動態(tài)性能，為砍蔗刀盤是設計提供了指導，對小型甘蔗收割機的設計具有重要的意義。

【關鍵詞】小型甘蔗收割機；砍蔗刀盤；動態(tài)性能；結構優(yōu)化

1 引言

甘蔗是多年生宿根植物，目前國內的甘蔗收割機械普遍存在甘蔗宿根破頭率較高的問題，嚴重影響甘蔗來年的發(fā)芽率。當切割器旋轉速度和收割機前進速度都處于理想狀態(tài)時，宿根破頭率的主要影響因素是切割器刀盤的振動。引起刀盤振動的因素既有路面和柴油機等外部激勵作用，也和刀盤自身高速旋轉有關，并且在切割甘蔗時受到沖擊載荷也會引起振動。因此，我們不可能一個個消除引起振動的因素，可行的方法是提高刀盤自身的動態(tài)性能。

本文對已生產出樣機的小型甘蔗收割機的砍蔗刀盤的結構參數(shù)，基于APDL進行了優(yōu)化設計。區(qū)別與常見的以最大應變或應力做約束條件的優(yōu)化，本文的優(yōu)化以刀盤的前3階固有頻率作為約束條件，并取得了良好的效果，為砍蔗刀盤的設計提供了指導，對小型甘蔗收割機的設計具有重要意義。

2 砍蔗刀盤參數(shù)化模型的建立

砍蔗刀盤上安裝有間隔90°角的四個刀片，并和轉軸組成切割器。采用自底向上的建模方式，建模時，簡化掉四個刀片，并以位移約束代替轉軸上聯(lián)軸器，得到最簡模型，如圖1所示?？痴岬侗P的的半徑與切割系統(tǒng)半徑及刀片的懸伸長度有關，為不考慮優(yōu)化的參數(shù)，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強盤半徑為R，直接影響刀盤的動態(tài)性能，為待優(yōu)化參數(shù)，取為95mm，厚度H2=15mm。

砍蔗刀盤的模型有ANSYS參數(shù)化設計語言（APDL）建立，為方便施加聯(lián)軸器對轉軸的位移約束，用ASBW命令將轉軸的外圓柱面分為兩個面。

3 砍蔗刀盤的模態(tài)分析

考慮到后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化，選取ANSYS優(yōu)化模塊支持的solid92號單元和Block Lanczos模態(tài)提取方法。由于影響系統(tǒng)動態(tài)性能的是前面幾階低頻模態(tài)，所以提取前砍蔗刀盤的前5階固有頻率，如表1所示。

砍蔗刀盤的第1、2階振型是繞X軸和Y軸的傾斜偏轉變形，第3階是四周翹起的彎曲變形，第4、5階是很大的前后或左右的彎曲變形。這些都對甘蔗宿根切割質量造成很大影響。

此外，柴油機的工作頻率為36.43HZ，刀盤的工作轉速為900r/min，頻率為15HZ。砍蔗刀盤的前5階固有頻率雖然避開了柴油接的工作頻率，但和刀盤的工作頻率都很接近，亟待提高。

4 砍蔗刀盤的結構優(yōu)化

結構優(yōu)化的基本思想是以最少的材料獲得最好的結構性能。常見的結構優(yōu)化以結構的靜態(tài)性能為約束，有以最大節(jié)點位移的[7]，也有以綜合應力或特征應力的[8]，很少有以反應系統(tǒng)動態(tài)性能的固有頻率作為約束的。

5 結論

以系統(tǒng)的動態(tài)性能作為約束，對砍蔗刀盤進行了結構優(yōu)化設計。優(yōu)化后刀盤的前5階固有頻率均有提高，說明刀盤的動態(tài)性能得到了改善。此外，刀盤的前5節(jié)固有頻率差值也得到了擴大，這有利于減少刀盤工作時越過共振區(qū)。

參考文獻：

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作者簡介：

項菲菲（1988-），女，漢族，江西豐城人，講師，碩士，研究方向： 結構優(yōu)化設計

項忠珂（1984-），男，漢族，江西上饒人，講師，碩士，研究方向：計算機仿真

基金項目：

江西科技學院自然科學研究項目（編號：ZR12YB04）