4JH-270型棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架振動(dòng)分析及改進(jìn)

李 斌，牛國梁，劉 洋，孫曉曉，董云成，王士國，王 濤

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832001; 2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

機(jī)架是傳動(dòng)裝置、切割裝置和支撐裝置的安裝基體，是棉稈粉碎還田機(jī)的關(guān)鍵部件。粉碎還田機(jī)作業(yè)時(shí)機(jī)架受到各種激勵(lì)載荷而產(chǎn)生共振，造成關(guān)鍵部件的損壞，影響整機(jī)的使用壽命和工作性能，嚴(yán)重影響秸稈粉碎效果[1]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械中多用模態(tài)分析方法來研究機(jī)架的振動(dòng)特性。如李耀明等[2]通過對分析割臺(tái)機(jī)架的模態(tài)頻率和振型、模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，在分析外部激振頻率的基礎(chǔ)上對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗(yàn)；舒彩霞等[3]應(yīng)用模態(tài)仿真分析法獲得機(jī)架的固有頻率和振型，通過錘擊法驗(yàn)證模態(tài)仿真分析的正確性，分析引起油菜割曬機(jī)各個(gè)部位振動(dòng)幅值不同的成因；姚艷春等[4]通過對玉米收獲機(jī)機(jī)架有限元建模及模態(tài)分析和田間試驗(yàn)，分析模態(tài)振型和田間振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果，以提高1階扭轉(zhuǎn)頻率為目標(biāo)優(yōu)化了機(jī)架結(jié)構(gòu)；李興凱等[5]對小麥育種收獲機(jī)機(jī)架模態(tài)分析的固有頻率和模態(tài)振型，在分析外部激振頻率的基礎(chǔ)上，優(yōu)化機(jī)架的固有頻率避開了各外部激振頻率范圍；方達(dá)興等[6]通過對聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)優(yōu)化前和優(yōu)化后的有限元分析，并通過田間振動(dòng)試驗(yàn)，有效避開了共振范圍，減緩了割臺(tái)振動(dòng)。周躍鵬等[7]通過有限元計(jì)算模態(tài)統(tǒng)計(jì)出各階模態(tài)固有屬性，并進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)提取各階頻率和振型，通過分析各振源的激勵(lì)頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)固有頻率對履帶式聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究。Bulent Cakmak[8]等測量和評(píng)估了瓣式橄欖收獲機(jī)的振動(dòng)和噪聲特性，并分析其在收割作業(yè)期間對操作員健康的影響。Reza Ebrahimi等[9]為了識(shí)別并減少聯(lián)合收割機(jī)切割平臺(tái)的振動(dòng)問題，通過運(yùn)行模態(tài)分析建立了切割平臺(tái)的有限元模型，進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，評(píng)估了運(yùn)行條件下振動(dòng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)、比例因子和頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，得出預(yù)測和試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)保持一致。

已有的研究中主要是通過改變某一機(jī)架結(jié)構(gòu)的尺寸和厚度來改善機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性，而且對棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架的分析較少。本文所研究的棉稈粉碎還田機(jī)幅寬較大，其機(jī)架承載了幾乎所有載荷，因此需要對其作更深入的分析。本文利用SolidWorks對機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模，使用ANSYS模態(tài)分析求解自由狀態(tài)下的有限元模態(tài)振型，并通過模態(tài)試驗(yàn)給予驗(yàn)證，根據(jù)振型和頻率特性對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出最優(yōu)機(jī)架結(jié)構(gòu)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過程

為了符合新疆機(jī)采棉660 mm+100 mm棉花種植模式，經(jīng)過大量田間試驗(yàn)得出，4JH-27型棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架入口幅寬為2 450 mm、總幅寬為2 700 mm。整機(jī)呈L型，主要由仿行輪、傳動(dòng)裝置、切割裝置、機(jī)架和掛接裝置等組成，切割裝置分為大刀盤和小刀盤切割裝置，如圖1所示。

棉稈粉碎還田機(jī)由動(dòng)力范圍為66～125 kW的拖拉機(jī)作為配套動(dòng)力，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳送給大刀盤和小刀盤傳動(dòng)裝置，經(jīng)齒輪傳動(dòng)傳送給大刀盤和小刀盤切割裝置。機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)，隨著機(jī)具的前進(jìn)，在粉碎刀、定刀和機(jī)架的共同作用下產(chǎn)生足夠大的切割力，棉稈在不斷的砍切、撕裂和揉搓等作用下被粉碎，從而完成棉稈的粉碎工作。

2 機(jī)架有限元模態(tài)分析

在棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)中要考慮到其作業(yè)中受到拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置運(yùn)作、切割裝置轉(zhuǎn)動(dòng)等激勵(lì)的影響，其激振頻率與機(jī)架的某階固有頻率相接近時(shí)將會(huì)產(chǎn)生共振，然而傳統(tǒng)的機(jī)架設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮粉碎還田機(jī)的受力及變形。為了避免共振的發(fā)生，粉碎還田機(jī)可靠性降低，影響棉稈粉碎質(zhì)量。模態(tài)分析是確定結(jié)構(gòu)固有特性的重要工具，可求解出機(jī)架的有限元模態(tài)特性，為機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考[10]，因此對棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元模態(tài)分析。

2.1 粉碎還田機(jī)機(jī)架模型

棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架呈八角結(jié)構(gòu)，其尺寸參數(shù)為：總長2 700 mm，寬1 850 mm，高300 mm。機(jī)架有上護(hù)板、寬側(cè)護(hù)板、窄側(cè)護(hù)板、3根橫梁、2根斜梁、2根縱梁，各梁采用80 mm×60 mm×6 mm的矩形方管，各護(hù)板壁厚為6 mm；寬護(hù)板與側(cè)護(hù)板之間采用螺栓固定連接，其他均以焊接的方式剛性連接。本文采用SolidWorks建立棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架的三維模型(圖2)。

2.2 有限元模型建立

有限元模型直接影響分析的計(jì)算結(jié)果，為了提高結(jié)果的準(zhǔn)確度，提高仿真計(jì)算速度，需要考慮對模型的簡化、劃分網(wǎng)格的數(shù)目、單元的類型和網(wǎng)格的質(zhì)量等因素[11]。有限元建模過程中忽略直徑小于10 mm的螺栓孔、倒角和過度圓等，忽略焊接對機(jī)架的影響，模型為剛性連接。機(jī)架材料為Q345普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3；將SolidWorks所畫的三維模型另存為.x_t格式導(dǎo)入到ANSYS workbench仿真軟件中[12]；根據(jù)網(wǎng)格劃分的基本原則和機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸[13-15]，設(shè)置網(wǎng)格相關(guān)性為100，關(guān)聯(lián)中心為中等網(wǎng)格，單元屬性為Solid 187，定義最小單元尺寸為5 mm，網(wǎng)格劃分后模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為5953651，單元數(shù)為3485199，網(wǎng)格劃分偏斜量(Skewness)平均值為0.3381，符合網(wǎng)格劃分要求[16-17](圖3)。

2.3 模態(tài)分析

為了保證機(jī)架的穩(wěn)定性，預(yù)測和控制機(jī)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為，確定機(jī)架的固有頻率和模態(tài)振型等振動(dòng)特性至關(guān)重要，模態(tài)振型在特定的固有頻率下是唯一的，能更好地指示出機(jī)架在該頻率下的動(dòng)態(tài)特性。有限元模態(tài)分析是以固有頻率和振型的形式確定系統(tǒng)固有動(dòng)態(tài)特性的過程，是確定機(jī)架結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和動(dòng)態(tài)特性最有效的工具[18-19]。利用ANSYS workbench軟件對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，分析過程中采取完全自由狀態(tài)，保證機(jī)架在各個(gè)方向上均無任何約束；機(jī)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與低階振型息息

相關(guān)，振動(dòng)的高頻成分造成的振幅較小，瞬態(tài)響應(yīng)分量衰減迅速，更易使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定[20-21]，因此只取前四階非零模態(tài)振型云圖和固有頻率進(jìn)行分析(圖4,見263頁)。

由機(jī)架的有限元模態(tài)振型云圖分析可以看出，機(jī)架的變形主要有彎曲、扭轉(zhuǎn)和凹陷等，1階振型主要為上護(hù)板的前后彎曲變形，最大位移為2.95 mm；2階振型主要為上護(hù)板和梁的扭曲變形，最大位移為4.689 mm；3階振型主要為側(cè)護(hù)板的扭曲變形，最大位移為8.432 mm；4階振型主要為上護(hù)板的凹陷、梁和側(cè)護(hù)板的扭曲變形，最大位移為10.811 mm。

3 機(jī)架模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過一組試驗(yàn)測量的響應(yīng)數(shù)據(jù)建立結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型來幫助識(shí)別結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，主要包括試驗(yàn)規(guī)劃、測量結(jié)構(gòu)對激勵(lì)的響應(yīng)、計(jì)算每個(gè)測量位置的頻響函數(shù)和提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)[22]。由于有限元模態(tài)分析的不確定性，需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析來驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果是否有效[ 23]。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

模態(tài)試驗(yàn)使用移動(dòng)力錘、多參考點(diǎn)的MIMO脈沖激勵(lì)方法測試機(jī)架模態(tài)特性，使用力錘對機(jī)架上激振點(diǎn)施加激勵(lì)，三軸加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀收集機(jī)架上各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出各測點(diǎn)的頻響函數(shù)，從而得出機(jī)架的試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率、振型云圖和阻尼比。模態(tài)試驗(yàn)所用儀器如表1所示。

表1 模態(tài)試驗(yàn)主要設(shè)備

為了更好地表示出機(jī)架的外形特征，在機(jī)架上布置272個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X、Y、Z三個(gè)方向，因此共有816個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置在外力作用點(diǎn)、重要響應(yīng)點(diǎn)、部件和結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點(diǎn)等位置(圖5)[24]；在機(jī)架上布置兩個(gè)激振點(diǎn)，激振點(diǎn)不能靠近節(jié)點(diǎn)或者節(jié)線太近，避開支撐點(diǎn)，便于能量的傳遞和人工敲擊(圖5)[25]；用3根尼龍繩和3根彈簧將機(jī)架懸掛，使其處于自由狀態(tài)，并保證其保持平衡靜止?fàn)顟B(tài)。將6個(gè)三軸加速度傳感器按照序號(hào)依次固定于所布置的測點(diǎn)位置，將力錘和三軸加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集儀連接，采集儀通過數(shù)據(jù)線與動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)連接，使用力錘依次敲擊激振點(diǎn)，為了保證激勵(lì)的準(zhǔn)確型，每個(gè)激振點(diǎn)敲擊三次將激振頻率進(jìn)行線性平均，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)置動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)的采樣頻率為2 kHz，觸發(fā)方式為信號(hào)觸發(fā)，觸發(fā)通道為與力錘相連接的通道，分析點(diǎn)數(shù)為2048，頻響類型選為H1，得到頻響函數(shù)的無偏估計(jì)。將數(shù)據(jù)采集儀所收集的數(shù)據(jù)經(jīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)的模態(tài)分析板塊得出機(jī)架的前8階模態(tài)振型、頻率和阻尼比，現(xiàn)只表示出前4階的模態(tài)振型和頻率(圖7，見261頁)。

通過對試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型的相關(guān)性校驗(yàn)，得到模態(tài)置信準(zhǔn)則直方圖(圖8，見264頁)。從圖8可以看出，所提取的8階機(jī)架模態(tài)的對角線上模態(tài)置信準(zhǔn)則數(shù)值均為1，其他均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小1，因此提取的模態(tài)振型和參數(shù)有效[26]。

由有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率與振型結(jié)果對比分析(表2)可以看出，模態(tài)頻率相對誤差最大為5.46%，頻率大小和振型基本一致，各梁隨著上護(hù)板的變形而變形，可以認(rèn)為模態(tài)分析結(jié)果合理。

表2 有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對比

4 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

4.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

棉桿粉碎還田機(jī)主要受到路面顛簸、切割裝置切割棉稈、傳動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來的激勵(lì)。通過對機(jī)架的有限元和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得出第2階機(jī)架固有頻率(37.861 Hz)正好在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的激振范圍內(nèi)(33.33～40 Hz)，其余3階固有頻率均在其他激勵(lì)頻率±20%的范圍外[27]，為了避免共振的發(fā)生，需要對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

根據(jù)機(jī)架動(dòng)態(tài)性能的要求和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論來確定機(jī)架相關(guān)的優(yōu)化變量。分析機(jī)架的模態(tài)振型分析結(jié)果，可以看出機(jī)架的變形主要出現(xiàn)在上護(hù)板安裝切割裝置位置和側(cè)護(hù)板上，可以確認(rèn)其為機(jī)架模態(tài)應(yīng)變能最大的位置，對其進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)模態(tài)剛度，增大抵抗變形的能力，使2階模態(tài)頻率得到提升。結(jié)合模態(tài)應(yīng)變結(jié)果制定方案：根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸，在大切割裝置下方安裝一個(gè)長、寬、高和鋼板厚度分別為1 015、75、50 mm和5 mm的支撐架；在小切割裝置下方安裝一個(gè)長、寬、高和鋼板厚度分別為992、75、50 mm和5 mm的支撐架；大刀盤安裝口上方焊接一塊長、寬、高和鋼板厚度分別為1 695、63、40 mm和5 mm的方鋼，左側(cè)焊接一塊長、寬、厚度分別為300、280 mm和6 mm的配重鋼板；對各梁厚度尺寸進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的機(jī)架如圖9所示，機(jī)架的變量如表3所示。

表3 機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)變量

為了驗(yàn)證機(jī)架改進(jìn)后的模態(tài)性能，對優(yōu)化后的機(jī)架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，優(yōu)化后的前4階模態(tài)頻率和振型如圖10(見263頁)所示。可以看出優(yōu)化后的第2階模態(tài)頻率為49.738 Hz，不在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)激振范圍內(nèi)，避免了共振的發(fā)生。

4.2 優(yōu)化后的機(jī)架靜力學(xué)分析

為了保證機(jī)架優(yōu)化后性能，對機(jī)架進(jìn)行靜應(yīng)力分析[28-29]，機(jī)架受到的載荷如表4所示。對機(jī)架安裝仿行輪和掛接裝置處進(jìn)行約束，對機(jī)架安裝傳動(dòng)裝置和切割裝置處施加壓力，得出靜應(yīng)力變形云圖、應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖(圖11，見264頁)。從圖11可以看出最大變形尺寸為0.671 mm，最大應(yīng)變尺寸為0.0004 mm，最大應(yīng)力為77.295 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa。因此優(yōu)化后的機(jī)架符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表4 有限元分析中載荷

5 田間試驗(yàn)

2020年4月15日，使用改進(jìn)后的4JH-270型棉稈粉碎還田機(jī)在新疆石河子149團(tuán)棉花加工二廠的棉花試驗(yàn)田進(jìn)行了田間試驗(yàn)(圖12，見264頁)。棉花品種為‘新陸早45號(hào)’，拖拉機(jī)為5E-854型，棉稈平均含水率為43.89%，棉花種植模式為660 mm+100 mm。田間試驗(yàn)結(jié)果：秸稈粉碎合格率從88.29%提升為92.24%，留茬平均高度從80.37 mm降低為74.63 mm，均達(dá)到了GB/T24675.6-2009秸稈粉碎還田機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。改進(jìn)前機(jī)具作業(yè)過程中機(jī)架振動(dòng)明顯，零部件容易產(chǎn)生松動(dòng)，關(guān)鍵零部件易發(fā)生損壞，影響粉碎還田機(jī)連續(xù)作業(yè)；改進(jìn)后的機(jī)架振動(dòng)得到明顯改善，零部件損壞率降低，提高了棉稈粉碎還田機(jī)的壽命，留茬整齊。

6 結(jié) 論

1)介紹了4JH-270型棉稈粉碎還田機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理；使用SolidWorks建立棉稈粉碎還田機(jī)機(jī)架模型，使用ANSYS軟件求解出其前4階有限元模態(tài)頻率和振型；對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)得出試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型和頻率，驗(yàn)證了有限元模態(tài)的準(zhǔn)確性。并得出機(jī)架的2階固有頻率37.861Hz在拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率33.33～40 Hz的范圍內(nèi)。

2)為了避免共振的發(fā)生，在機(jī)架安裝大小切割裝置的下方各安裝一個(gè)小型支撐架；在大小刀盤的側(cè)護(hù)板下方各焊接一塊鋼板；在上護(hù)板下方、大刀盤安裝口上方焊接一塊方鋼，左側(cè)焊接一塊配重板；各橫梁厚度減少1 mm，各斜梁和縱梁厚度增加1 mm。優(yōu)化后的機(jī)架前4階模態(tài)頻率分別為25.369、49.738、64.215 Hz和76.999 Hz，均避開了各激勵(lì)頻率范圍。

3)對機(jī)架進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，得出優(yōu)化后的機(jī)架最大變形尺寸為0.671 mm，最大應(yīng)變尺寸為0.0004 mm，最大應(yīng)力為77.295 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，優(yōu)化后的機(jī)架符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。