苜蓿压扁试验台设计及其机架模态分析

凌旭，赵春花

（730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院）

0 引言

苜蓿是一种分布范围广泛、栽培面积大、经济价值量高的优良饲草，因其良好的适口性和丰富的营养价值，更被誉为“牧草之王”[1]。苜蓿蛋白质含量分布不均匀，总体呈现“叶多茎少，上多下少”的分布[2]。研究表明，在收获的过程中，通过机械压扁机构压裂搓揉过的苜蓿植株比普通未经过压扁的苜蓿植株干燥速度快，干燥效果较明显，粗蛋白的损失率可降低2.4%[3-6]，压扁装置在割草压扁机中起着至关重要的作用。

为了有效减少苜蓿压扁后的营养损失，提高干草质量，通过分析影响压扁效果的各种因素，设计了一种可移动式苜蓿压扁试验台，可以方便地模拟实际苜蓿压扁过程，分析各因素对苜蓿压扁的影响。

1 试验台设计

1.1 组成结构

试验台总体结构如图1 所示，主要由机架、电机、转速传感器、刹车轮、上下压辊、双链轮、张紧轮、V 型浮动架、前调节装置、后调节螺杆、弹簧、喂料机构等组成。

1.2 工作原理

研究表明，在压扁过程中，苜蓿压扁效果主要受到压辊间隙、弹簧的初始拉力、压扁辊转速、喂入量等因素的影响[7]。在本试验台中，上压辊设置在V 型浮动架上，V 型浮动架一端采用铰接固定，一端放置在前调节装置中的滑块上，通过后调节螺杆推动浮动架转动，实现压扁间隙粗调节，再通过前调节装置中的螺杆调节滑块位置，实现压辊间隙精调节[8]。改变弹簧的初始拉力可以通过采用不同规格的弹簧来实现。喂入量的大小受到机具前进速度、苜蓿田间密度等因素的影响。试验台中的喂入机构是一种速度可调的传送带，传送带的运输速度用来模拟机具前进速度，苜蓿均匀分布在传送带上表示苜蓿田间密度，试验时可以改变传送带的速度和苜蓿分布厚度来改变喂入量的大小。试验台通过电机带动压辊转动实现工作，调整电机转速实现压辊转速调节。整个试验台装有刹车轮，可方便地进行移动。

图1 压扁试验台结构示意图Fig.1 Structure diagram of flattening test bench

2 机架模态分析

2.1 模型建立与网格划分

在SolidWork 中建立压扁试验台机架的三维模型，其主要由方管与角铁焊接而成，为提高模态分析的运算速度，对模型进行如下简化处理：机架材料被认为是各向同性的，密度分布均匀，且焊接对机架整体性能的影响都忽略不计；将焊缝和各部件看作一个整体，V 型浮动架上装配用的孔均忽略不计；删除后调节螺杆、螺母、定位销、刹车轮等对机架模态分析影响很小的零部件。完成后直接进入Simulation 分析中。机架规格（长×宽×高）1 200 mm×420 mm×900 mm，选用Q235 钢材质，材料属性如下：Q235 钢弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3，屈服极限为235 MPa。划分网格时,选用高品质基于曲率的网格器进行自动网格划分，采用实体网格类型，划分结果如图2 所示，整个模型有20 563 个单元数，40 603 个节点数。

2.2 施加约束

根据试验台机架的装配方式和工作情况，机架与地面的接触部分起固定支撑作用。模态分析时在机架底部设置固定约束。V 型浮动架一端采用铰接与机架固定连接，因此，该处设置固定铰链约束，另一端搭在滑块上，在浮动架与滑块的接触部分设置面与面的接合约束。工作过程中，通过后调节螺杆推动浮动架转动，因此，在接触处设置点与面无穿透接触约束。本次模态分析主要是求得试验台机架固有自身频率，振动视为无阻尼自由振动，因此不需要添加其它的外载荷。约束设置如图3 所示

图2 试验台机架网格化Fig.2 Test bench rack meshing

图3 约束设置Fig.3 Constraint set

2.2 结果分析

由于低阶振动对结构的动态特性影响较大，且结合试验台实际工作情况，提取非0 的前10阶模态振型和频率进行分析即可。机架的固有频率及振型见表1，相对应各阶振幅如图4 所示，振型云图如图5 所示。

表1 试验台机架固有频率及振型Tab.1 Natural frequency and vibration mode of test bench rack

从试验台机架模态分析前10 阶固有频率的模态振型结果（表1、图4、图5）可以看出，试验台工作过程中，机架的变形主要表现为波动和扭转，可见对机架的刚度和强度有较高要求。机架的前10 阶固有频率在151.83～269.09 Hz 之间，范围集中，固有频率值呈现依次递增趋势，但振幅没有规律可言，表现出模态分析无阻尼振动的随机性。而机架在第4 阶固有频率186.77 Hz 处出现最大振幅为1.461 mm，主要是机架上端横梁沿Z 轴上下波动,前横梁波峰向上，后横梁波峰向下，最大振幅出现在后横梁中间部位（图5（d））；同时，在第2 阶固有频率180.44 Hz 处出现第2大振幅1.41 mm，振型同样是机架上端横梁沿Z轴上下波动，但前后横梁波峰都是向上，前横梁中间部位振幅较大（图5（b）），这两个地方发生振动，将影响机架形状及压辊试验效果。与第1，6，7，8，9，10 阶频率相比，第3，5 阶频率处振幅同样较为明显，主要表现为机架上端横梁沿Z 轴上下波动，最大振幅为1.347 mm（图5（c））、机架上端后横梁沿Z 轴上下波动，最大振幅为1.322 mm（图5（e）），这两阶振型同2，4 阶振型基本相同，都会导致机架发生变形，影响试验效果。相比第1、10 阶频率，第6，7，8，9 阶频率处振幅也较明显，发生的主要振型基本相同，主要变形是机架下横梁沿Z 轴上下波动（图5（f，g，h，i）），而第1 阶频率处发生的主要变形为机架前端沿X轴扭（图5（a）），第10 阶频率处主要变形体现了机架空间特性，机架横梁沿Z 轴上下波动和左右机架沿X 轴扭转（图5（j））。总体来看，除第10 阶频率下机架出现了整体变形，其他频率下，机架都没有出现整体变形，只是局部的波动；第2，3，4，5 阶频率处不仅整体变形基本相同，主要都是机架上横梁沿Z 轴上下波动，而且振幅也基本接近，差距很小；第6，7，8，9 阶频率处也是基本振型相同，振幅相差不大。

图4 前10 阶固有频率及对应振幅Fig.4 The first 10 natural frequencies and corresponding amplitudes

图5 机架前10 阶模态云图Fig.5 The first ten order vibrational modal diagram

模态分析反映出了该试验台机架的各阶固有频率，为试验台的安全工作提供参考，在实际试验中，各部件的工作频率应避免与机架的各阶固有频率相靠近，以免引发机架与工作部件产生共振现象，影响作业安全。

3 外部激励频率分析

通过对试验台机架进行外部激励频率分析，确定其各阶固有频率与外界动载荷所产生的频率不一致，从而有效避免共振的发生，确保试验台安全稳定工作。根据试验台实际工作情况，其机架会受到来自地面、压扁辊、电机等外部激振的影响，现将各激振频率分析如下：路面激振由道路平整度决定，试验台可以在室内或室外工作，其作业时认为机架与地面完全接触，故激振频率可认为是0 Hz；根据设计试验台电机的转速为900～1 200 r/min，激振频率为15～20 Hz；实际工作中，苜蓿输送到压扁装置中，压扁辊相对转动进行压扁工作，其转速为500～700 r/min，激振频率为8.33～11.67 Hz。将试验台机架受到的各外部激振频率与分析计算出的自身固有频率对比分析可以得出：机架最低频率为151.83 Hz，各外部激振频率远比其小，不会发生共振现象，对机架安全性没有影响，试验台可以安全稳定地作业。

4 结论

结合苜蓿压扁效果的影响因素:压辊间隙、弹簧的初始拉力、压扁辊转速、喂入量等，设计了一种苜蓿压扁试验台，该试验台可以方便地进行压扁间隙调节、压扁辊转速设置、调整喂入量大小，并且机架底部装有刹车轮，可以方便地进行移动。

在SolidWork Simulation 中对试验台机架进行模态分析，结果表明：机架前10 阶固有频率范围在151.83～269.09 Hz，机架在第4 阶固有频率186.77 Hz 处出现最大振幅为1.461 mm，在第2 阶固有频率180.44 Hz 处出现第2 大振幅1.41 mm。整体而言，除第10 阶频率下机架出现了整体变形，其他频率频率下，机架都没有出现整体变形，只是局部的波动；第2，3，4，5 阶频率处变形基本相同，第6，7，8，9 阶频率处振型基本相同。外部激励频率分析显示，各外部激振频率远比机架最低频率151.83 Hz 小，因此不会发生共振现象，对机架安全性没有影响，试验台可以安全稳定地作业。