路面不平度对甘蔗收获机刀盘振动特性探究

姜建玮，李尚平，李 冰，解向阳

(1.广西科技大学 机械工程系，广西 柳州 545006；2. 广西民族大学，南宁 530006)



路面不平度对甘蔗收获机刀盘振动特性探究

姜建玮1，李尚平2，李 冰1，解向阳1

(1.广西科技大学 机械工程系，广西 柳州 545006；2. 广西民族大学，南宁 530006)

运用项目前期试验获得的蔗地路面不平度的功率谱密度(PSD)曲线，并借助多体动力学软件ADAMS中ADAMS/Vibration这个模块，对小型整杆式甘蔗收获机的简化模型进行振动仿真，得到了刀盘的振动特性曲线。通过对比试验与仿真结果分析刀盘的幅频曲线，验证了模型与仿真结果的正确性，对后期耦合激励源对刀盘振动特性的探究有重要意义。

甘蔗收获机；路面不平度；功率谱密度；ADAMS/Vibration

0 引言

农业机械化是未来发展的必然趋势，这就要求机械化生产要有更高的效率。用甘蔗机收割甘蔗时，不仅可以提高劳动生产的效率，还可以降低甘蔗生产的成本。但是，在我国甘蔗的主要产地在南方，由于多是丘陵地，所以起伏不平的道路必会引起切割系统中的刀盘振动，因而对甘蔗机的切割系统的性能要求较高，这也是我国目前甘蔗机存在的主要问题之一。小型整杆式甘蔗收获机在收割过程中，切割甘蔗的质量受到刀盘振动、刀盘倾角及刀片数量等因素的影响[1-2]，而切割质量直接关系着甘蔗的破头率[3]，破头率的高低严重影响着甘蔗的产量。破头率高的蔗兜容易影响甘蔗第2年生长状况，而刀盘振动因素的影响因子最大。广西大学赖晓[4]通过复现路面不平度并在ADAMS中建立路面模型来获得刀盘振动曲线。由于路面构造随机性比较强，路面长度短距离内难以真正探究出刀盘实际振动特性，而且ADAMS简化模型中忽略了车架模型，不能够更精确地获得实际刀盘的振动特性。本文通过项目之前所采集的甘蔗地的实际路面不平度的功率谱密度数据在ADAMS中作为一种能量的输入，并以实际甘蔗机的CAD模型在ADAMS中进行简化保留车架这一关键部分，在频域上得到了刀盘的振动特性，并通过试验验证证明了方法的可靠性。

1 功率谱密度和Adams/Vibration概述

1.1 路面不平度功率谱密度(PSD)

功率谱密度是每单位密度频率谱上的功率总和，描述了时间序列上的功率在频率范围内是如何分布的，也可以理解为频域中能量强度的衡量标志。从数学角度来看，功率谱密度定义为时间序列自相关傅里叶变化，也可以描述为时间序列傅里叶变换的平方，并乘以相应的常数因子。具体计算方法如下[5]：

假设蔗地路面不平度函数为s(x),做一维傅里叶变换，则

由于路面不平度采集的数据都是一些随机分布的离散点，离散化后得到

上述公式中，令L=nΔx、k=2πfm、fm=m/(NΔx)，得到功率谱密度函数的离散估计公式为

其中，L为平均频谱范围；N为采样点数目；Δx为取样间隔；W(n)为窗口函数；K(n)为边界因子。

应用上述原理，并借助MatLab软件，对前期所采集路面不平度数据进行处理，得到了蔗地的功率谱密度曲线，如图1所示。

从图1中可以看出：不论是坡地，还是平地的路面，不平度所激励的能量主要集中在5Hz左右，与路面不平度加速度频谱得到的结果相符，后期仿真分析主要对平地功率谱密度进行研究。

图1 蔗地功率谱密度曲线

1.2 Adams/Vibration工具简介[6]

Adams/Vibration是多体动力学软件ADAMS中的一个插件，也可以认为是集成在ADAMS/View的一个附件，其功能主要用于振动仿真分析，通过定义输入通道、输出通道和激励来获取目标点的响应。其中，激励可以用系统默认正弦扫频信号，也可以自己定义需要的频率信号；同时，可以通过输入外部采集的功率谱密度(PSD)数据；最后，通过后处理模块可以获取目标点的频响曲线、功率谱密度曲线、传递函数及模态频率等。其工作模型如图2所示。

激励 输入通道 输出

2 收获机刀盘振动仿真分析

2.1 收获机ADAMS模型简化

将仅保留切割系统与车架的甘蔗收获机的CAD模型，以通用格式导入到ADAMS中，并在ADAMS中建立轮胎模型，有效地反映了轮胎-车架-切割器-刀盘的振动传递路线。

甘蔗收获机的简化模型的连接关系在ADAMS中进行如下处理：①切割器与车架用铰链连接;②车架与轮胎用转动副连接;③在切割器两刀轴之间用齿轮副模拟;④在整车重心处加一集中质量;⑤轮胎与大地之间连接用bushing连接模拟，得到的简化模型如图3所示。

图3 甘蔗收获机模型简化

2.2 振动仿真建模与结果

在ADAMS/View中加载Adams/Vibration模块，导入事先获取的蔗地路面不平度功率谱密度曲线，以此数据来创建样条曲线作为路面不平度的激励；并以各个轮胎的质心处的marker点作为振动的输入通道，方向为垂直大地向上，两刀盘刀尖处的marker点作为输出通道，最后选取刀尖处的marker点位移作为输出，方向为全局坐标系的Z向。具体参数如表1所示。

表1 具体参数

在振动仿真建模完成之后建立振动分析，把输入通道、输出通道加载到分析界面，通过查看功率谱密度的曲线并设置起始频率和终止频率，并设置迭代步为200步，到此完成了振动分析的建立，如图4所示。

待仿真结束后，通过后处理模块的PostProcessing查看所得结果的频响曲线，可以得到仿真目标点的刀尖处的频响曲线。仿真结果的频响曲线如图5、图6所示。

由图5可以看出：在2 3Hz左右处有一个明显的峰值存在，此时刀盘受路面不平度的影响最大。由图6的曲线对比也可以发现：蔗地路面不平度的能量主要集中在5Hz左右，而刀尖处的功率谱密度的输出主要集中在2～3Hz。这进一步说明：在蔗地路面不平度的影响下，输入能量不是输出的决定性因素，输出的决定性因素是收获机车架等的结构因素，使得在2～3Hz左右刀盘的垂向振动能量最大。

图4 振动仿真分析模型

图5 仿真结果刀尖处的频响曲线

图6 仿真功率谱密度曲线

3 收获机样机试验验证

为了探究路面不平度对刀盘的振动特性、验证仿真结果的可靠性，针对现有样机进行了对应的试验测试。测试时，采用比利时LMS数据采集系统，并结合相应测试软件LMS Test.lab和美国的PCB三向加速度传感器，采集刀盘的垂向加速度数据。测试设备如图7所示。

图7 试验设备

具体的测试方法主要分两步进行：①在正常工作发动机转速下，采集怠速下刀盘的垂向振动的加速度；②采集在怠速相同转速下甘蔗收获机不作业时刀盘的垂向加速度。由于要采集刀盘处的振动数据，受到采集设备的限制，同时为了保护设备的安全，刀盘不能转动，因此在机具以正常工作速度行走、刀盘不转时测取刀盘的垂向振动加速度。由于只采集刀盘的垂向振动，刀盘上粘贴的传感器只需要保证z方向向上即可。考虑粘贴方便，其它两方向不需要严格保证。测试时传感器粘贴的位置如图8所示。

图8 传感器的贴装

把两次采集的加速度数据导入到在LMS test.lab软件[7]的Compare Runs 模块中，查看两次采集的数据的一致性，对两次采集的两组数据进行求平均处理；然后，再在LMS test.lab软件[6]中做傅里叶变换，把测试得到时域数据转化为频域数据，得到频谱图如图9所示。

图9 刀盘垂向振动频谱图

由图9可以看出：发动机在怠速下对刀盘振动的主要贡献频率在8.5Hz和17Hz两处；而在行走时，由路面不平度引起的刀盘振动的频率主要集中在0～6Hz,并且在2～3Hz时的加速度贡献最大，与之前的仿真结果吻合。

4 结论

1)路面不平度对收获机振动能量最大的频率集中在2～3Hz左右。由文中可以发现：该能量不是由激励输入能量引起的，所以很有可能是由甘蔗收获机切割器或者车架的结构频率耦合引起的。

2)通过实验与仿真的结果的对比，证明了ADAMS模型建立的有效性和准确性，能够为后期更深入地研究路面不平度对甘蔗收获机切割系统振动的优化提供可靠的仿真模型。同时，可为项目后期路面不平度、发动机和砍蔗3种激励源对刀盘振动特性提供强大的数据支撑。

[1] 杨坚，梁兆新，莫建霖，等.甘蔗切割器切割质量影响因素的试验研究[J]．农业工程学报，2005，21(5):60-64．

[2] 戴小标.小型甘蔗收获机切割器结构设计、动力学分析及试验研究[D].南宁：广西大学，2008:28-43.

[3] 薛斌,李尚平,杨曲,等.甘蔗收获机切割系统执行构对刚性的影响[J].农机化研究,2015,37(8):36-39.

[4] 赖晓，李尚平，麻芳兰,等.甘蔗机激励对砍蔗质量的影响[J].农业机械学报，2011,42(12):97-101.

[5] Xuejun Zhang,Jingchi Yu.Analysis of residual fabrication errors for computer controlled pollishing aspherical mirrors[J].Opt.Eng,1997(12):3386-3391.

[6] 王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[7] 沃德·海伦.模态分析理论与试验[M].白化同, 郭继忠，译.北京：北京理工大学出版社,2001.

Road Roughness on Cutter of the Sugarcane Harvester Vibration Characteristics of the Disc Inquiry

Jiang Jianwei1, Li Shangping2, Li Bing1, Xie Xiangyang1

(1.Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China; 2.Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

With sugarcane road roughness power spectral density(PSD) curve obtained in pre-project, and combined the multi-body dynamics software ADAMS and it’s module ADAMS / Vibration, to analysis the vibration of simplified model for small-scale sugar cane harvester, finally got the amplitude-frequency curve of the cutter vibration. Then through the experiment to verify the correctness of the model and simulation results, all researches above have great significance to the analysis of the coupled excitation source effect for the cutter.

sugarcane harvester; road roughness; power spectral density; ADAMS/Vibration

2016-01-07

广西硕士研究生创新计划项目(YCSZ2015206)；国家自然科学基金项目(54165006)；广西高校科学技术研究项目(KY2015YB167)

姜建玮(1991-),男，江西德兴人，硕士研究生，(E-mail) 874601142@qq.com。

李 冰(1978-)，女，广西柳州人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)gxgxyjxxlb@163.com。

S225.5+3;S220.3

A

1003-188X(2017)02-0071-04