基于動態性能的小型甘蔗收割機砍蔗刀盤結構優化

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性能的角度出發是解決砍蔗刀盤振動的可行方法?；贏NSYS參數設計語言建立了砍蔗刀盤參數化模型，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進行了優化，提高了結構的動態性能，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；動態性能；結構優化

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，基于APDL進行了優化設計。區別與常見的以最大應變或應力做約束條件的優化，本文的優化以刀盤的前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半徑及刀片的懸伸長度有關，為不考慮優化的參數，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強盤半徑為R，直接影響刀盤的動態性能，為待優化參數，取為95mm，厚度H2=15mm。

砍蔗刀盤的模型有ANSYS參數化設計語言（APDL）建立，為方便施加聯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 砍蔗刀盤的模態分析

考慮到后續的參數優化，選取ANSYS優化模塊支持的solid92號單元和Block Lanczos模態提取方法。由于影響系統動態性能的是前面幾階低頻模態，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?？痴岬侗P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 砍蔗刀盤的結構優化

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

5 結論

以系統的動態性能作為約束，對砍蔗刀盤進行了結構優化設計。優化后刀盤的前5階固有頻率均有提高，說明刀盤的動態性能得到了改善。此外，刀盤的前5節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。

參考文獻：

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[6] 童衛華，姜節勝，廖巍.基于可靠性分析機頻率約束的結構優化[J].機械科學與技術，1997，4（16）：581～584.

[7] 項忠珂，李尚平，唐滿賓.基于有限元的加工中心工作臺的仿生優化[J].組合機床與自動加工技術，2010，（11）：100～103.

[8] 胡迎春，陳樹勛，李尚平.基于全局協調的甘蔗收割機多學科優化設計研究[J].中國機械工程，2007，18（11）：1355～1358.

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）