4SY-2.9型油菜割曬機機架振動分析及改進

蔣亞軍，廖宜濤,2，秦 川，關卓懷，廖慶喜,2

?

4SY-2.9型油菜割曬機機架振動分析及改進

蔣亞軍1，廖宜濤1,2，秦 川1，關卓懷1，廖慶喜1,2※

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070； 2. 南方糧油作物協同創新中心，長沙 410128）

針對4SY-2.9型油菜割曬機因各部件運動產生的激振力隨機不定而引起機架振幅大的問題，為降低割曬機工作時共振，對其機架進行建模，導入ANSYS Workbench中求解自由模態下機架的模態頻率和振型，并通過模態試驗與仿真分析結果對比驗證有限元模型的準確性。通過分析機架外部激振頻率特點和仿真結果，提出增加機架拱門結構的設計方案，開展拱門圓管厚度與安裝位置仿真試驗。優化后機架第1階模態頻率調整到15.339 Hz，避開了輸送帶彈齒和割刀激振力的激勵頻率范圍，有效避免其共振產生。對優化后的機架模型進行有限元靜力學分析，結果表明機架滿足強度要求。割曬機在空載狀態下，對安裝機架拱門與未安裝拱門縱梁最大變形點處采集加速度時域信號，并通過FFT頻譜分析得到功率譜分析圖，試驗結果表明：測點最大峰值點方向幅值降低了71.47%，方向幅值降低了70.60%，方向幅值降低了70.21%。田間試驗表明：改進的油菜割曬機田間通過性好，作業效率高，能實現有序中間條鋪，條鋪寬度滿足后續撿拾脫粒機作業幅寬；割曬的油菜平均鋪放寬度為1 674 mm，割茬平均高度為330 mm，平均堆放高度為603 mm。優化后的油菜割曬機機架動態性能良好，作業質量滿足后續工序作業要求。該研究可為同類寬幅機架的設計研究提供參考。

有限元方法；振動；優化；試驗；油菜割曬機；機架；模態分析

0 引 言

油菜割曬機機架是承載和支撐撥禾輪、切割系統、橫向輸送裝置、縱向輸送裝置的關鍵部件[1]。工作時機架因承受各種激勵載荷而強烈振動造成關鍵零部件易疲勞破壞，影響整機的可靠性，影響條鋪效果[2]。

農業機械的振動已有較多研究[3-7]，模態分析方法用于研究機架振動特性比較常見。如吳偉斌等[3]通過對山地果園輪式運輸機車架進行有限元模態分析，改變橫梁布置結構并降低車架構件板厚達到了車架輕量化的優化目的。周明剛等[4]通過對船式拖拉機機架模態分析、靈敏度分析得到機架最優設計方案，優化后的機架在體積只增加2.4%的基礎上其固有模態頻率遠離了發動機工作頻率。陳志等[5]通過振動測試與模態分析方法，分析玉米收獲機車架田間振動特性，對支撐部件開展輕量化設計，減少該部件質量24%，使優化后的車架無故障時間顯著提高。李耀明等[6]通過分析聯合收獲機割臺機架的模態固有頻率和振型，并進行模態驗證及理論分析，減小割臺機架橫梁、彎梁厚度使割臺機架模態頻率避開各激勵頻率范圍，降低聯合收獲機割臺振動。韓紅陽等[7]通過對噴桿噴霧機機架模態分析，提出安裝橡膠減振元件后機架的動態特性得到明顯改善，提高了整機操縱舒適性。Bajoria等[8]通過有限元和自由模態分析了冷彎框架的動態特性。Wies?aw等[9]采用被動的兩級隔振系統減少輸送機工作時產生的振動，該系統可顯著減少振動在整機的傳播。Park等[10]針對汽車怠速時發動機風扇和其他輔助部件的振動頻率給乘客帶來不適感，并通過試驗評估法得出多頻振動比單頻振動會讓人更不舒適。

已有研究主要通過改變現有部件材料的厚度或減振元件改善結構的振動特性，由于本文研究的油菜割曬機機架屬于寬幅而跨度大的空間桁架結構，僅改變某些部件材料厚度效果不明顯，因此需要對機架振動特性作深入分析。4SY-2.9型油菜割曬機的主要激勵源是輸送帶彈齒和割刀的激振力，本文針對上述激勵而引起的機架振動大的問題，分析自由模態下機架的模態頻率和振型，并通過模態試驗與仿真分析結果對比驗證有限元模型的準確性。根據機架振型特性提出改進方案，并開展拱門結構參數與安裝尺寸的仿真試驗，得出最優機架結構。

1 整機結構和工作過程

田間試驗及實際生產運用中發現，4SY-1.8型油菜割曬機中間條鋪寬度為1.1 m，與后續撿拾脫粒收獲機割幅不配套，因此將新一代割曬機割幅放大設計為2.9 m。4SY-2.9型油菜割曬機與4SY-1.8型油菜割曬機各部件結構一致，主要由撥禾輪、割刀系統、橫向輸送裝置、縱向輸送裝置、機架、掛接裝置、動力及液壓系統等組成，如圖1所示。

該機由東方紅LX750H型拖拉機作為配套動力，動力輸出軸將動力傳送至液壓驅動系統，后經液壓驅動系統分配閥將動力分別傳送至撥禾輪、割刀系統、橫向輸送裝置、縱向輸送裝置。該機田間作業時，撥禾輪液壓馬達通過一級帶輪帶動撥禾輪工作，撥禾輪將油菜莖稈推送至切割器；切割器與撥禾輪共同作用下，有效切斷油菜莖稈，左右豎割刀主動分禾器將油菜莖稈分行，將上部纏繞的枝丫剪斷，完成油菜莖稈分禾；位于割臺中部的油菜莖稈離開撥禾輪后直接鋪在田間；位于割臺左右兩側的油菜莖稈離開撥禾輪后在橫向輸送裝置和縱向輸送裝置的共同作用下向排禾口輸送，油菜莖稈經排禾口落在田間形成順向條鋪，從而完成整個油菜的切割、輸送和鋪放的收割過程。

2 機架有限元模態分析

4SY-1.8型割曬機[11]田間試驗表明，割曬機在工作過程中受到的外界激勵源主要為：切割器、撥禾輪、縱向輸送總成以及橫向輸送總成等。切割器激振頻率由割刀往復式振動引起，也是引起機架劇烈振動的主因。為避免該機型機架因所受激振力頻率與機架固有頻率耦合引起共振，降低整機工作可靠性，影響條鋪質量的問題，開展4SY-2.9型油菜割曬機機架的模態仿真分析，求解機架模態特性，為優化改進機架結構參數提供參考。

2.1 割曬機機架模型

本文研究對象為華中農業大學研發的4SY-2.9型油菜割曬機機架，整體機架為空間長方體桁架結構，其主要尺寸參數為：沿割曬機前進方向長為1 280 mm，寬為2 830 mm，高為630 mm。機架主體由7根橫梁、6根縱梁、6根豎直支撐梁、2個三角掛接叉以焊接的方式剛性聯接而成。各梁主要為Q235低碳結構鋼成型的方管，截面為40 mm×40 mm×4 mm（高×寬×厚）的矩形。

機架前端載荷為橫割刀和兩側的豎割刀，上端載荷為撥禾輪，下端載荷為兩側的橫向輸送裝置，后端載荷為兩側的立輥。本文采用Creo 2.0建立割曬機機架三維實體模型，繪制的主要工作裝置三維模型如圖2a所示，機架三維模型如圖2b所示。

a. 割曬機主要工作裝置三維模型圖

a. Three dimensional model of main working device of rape windrower

1.機架 2.立輥 3.橫向輸送裝置 4.右側豎割刀 5.橫割刀 6.左側豎割刀 7.撥禾輪 8.三角掛接叉（2個） 9.橫梁1 10.橫梁2 11.豎梁1 12.橫梁3 13.豎梁2 14.橫梁4 15.縱梁1 16.縱梁2

1.Frame 2.Vertical roll 3.Horizontal conveying device 4.Vertical cutter of right 5.Horizontal cutter 6.Vertical cutter of lift 7.Reel 8.Triangle articulated fork (two) 9.Crossbeam 1 10.Crossbeam 2 11.Verticalbeam 1 12.Crossbeam 3 13.Verticalbeam 2 14.Crossbeam 4 15.Stringer 1 16.Stringer 2

b. 機架三維模型圖

b. Three dimensional model of frame

圖2 割曬機割臺三維模型圖

Fig.2 Three dimensional model of header of rape windrower

2.2 有限元模型建立

由于割曬機機架形狀復雜，有限元建模[12-14]直接關系到計算結果是否理想，為得到準確度高的有限元模型，需要考慮模型的簡化、網格數目、單元類型、網格質量。因此，忽略倒角、安裝孔等局部特征，忽略焊接對機架的整體性能影響，將機架簡化為剛性連接模型[15-17]。機架材料為Q235鋼，定義其彈性模量=200 Gpa，泊松比=0.3，密度=7 850 kg/m3。將機架三維實體模型保存為IGES文件，導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中，通過ANSYS MESH模塊進行網格劃分，并通過Sizing尺寸控制網格質量，根據實體模型的大小和網格的規模，將單元尺寸設置為5 mm，對面體進行面網格劃分后共有節點數17 965，單元數9 220。

2.3 模態分析

機架作為割曬機的支撐基礎，在內外復雜載荷作用下，因所受的激振力大小隨機不定和頻率范圍寬而引起共振現象而導致破壞和噪聲。模態分析可得到機架的固有頻率、對應的頻率階數及振型云圖。割曬機工作穩定性主要取決低階模態特性[18]，結合割曬機工作實際情況的主要激振頻率提取前6階模態頻率和振型分析。在自由狀態下對機架開展分析計算，模型在各方向上的移動和轉動自由度均無約束。仿真結果為割曬機機架的前六階模態屬于剛體模態，其固有頻率為零，計算提取非零的前六階模態頻率和振型進行分析，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench求解得到前6階模態分析的固有頻率和振型云圖，如圖3所示。

由機架前6階位移云圖分析可知：豎梁1、橫梁2和縱梁1是機架主要變形部位，變形主要為彎曲、擺動和扭曲，其原因為豎梁1和縱梁2為外伸結構，撓度大且易變形，橫梁2為大跨度無支撐結構，剛度小且易變形。

3 機架模態試驗

3.1 試驗系統

模態試驗[19-21]是通過同時測量激勵和響應求得系統固有頻率，驗證機架有限元模態分析結果正確的關鍵步驟。試驗采用脈沖激勵方法[6]測試系統模態特性，依靠力錘施加激勵，三向加速度傳感器采集機架各點數據，運用DHDAS2013動態信號分析軟件模態試驗模塊計算得出各點頻響函數數據，然后利用頻響函數對模態參數進行估計。

3.2 試驗設備與方法

該試驗由力錘、數據采集系統和模態分析處理系統3部分組成。試驗所用主要設備如表1所示。

表1 模態試驗設備

為模擬機架自由狀態，機架由2根彈簧繩懸掛于固定的鋼梁上且與地面不接觸，并保證在試驗過程中機架處于平衡靜止狀態。進行模態試驗之前，遵循布置測點原則共布置42個測點[22]，如圖4a所示。

a. 模型結構圖（布置42個測點）

a. Model structural diagram (arrangement 42 monitoring points )

1.彈簧繩 2.力錘 3.機架 4.三向加速度傳感器 5. 32通道無線多信號采集系統 6.動態信號采集分析系統

1.Spring rope 2.Impulse hammer 3.Frame 4.Tri-axial acceleration sensor 5. 32 channel wireless signal acquisition system 6.Dynamic signal collection and analysis system

b. 模態試驗現場

b. Modal test site

圖4 機架模態試驗

Fig.4 Modal test of frame

依次將8個三向加速度傳感器固定于所布置的測點處，并將傳感器和力錘分別用數據線與32通道無線多信號采集系統連接，采集系統通過無線連接動態信號采集分析系統。試驗過程中，敲擊者沿著縱梁方向用力錘敲擊割曬機機架上的激勵點，力錘傳感器和三向加速度傳感器將信號傳輸至32通道無線多信號采集系統，模態測試現場如圖4b所示。試驗結束后，將系統中所測得的頻響信號導入模態分析模塊分析，獲得機架的前6階固有頻率等模態參數。

3.3 試驗結果及分析

模態有限元分析結果與模態試驗結果對比，結果如表2所示。由表2可知，模態有限元分析與模態試驗的固有頻率誤差最大值為0.712%，振型基本一致，可以認為所建模型合理。

表2 有限元模態分析與試驗模態分析對比

4 機架結構優化及分析

4.1 機架結構優化

通過分析4SY-2.9型油菜割曬機各關鍵部件運行參數對于激振力特性的影響規律，機架第1階固有頻率11.720 Hz，正好落在輸送帶彈齒激勵頻率9.54～12.45 Hz范圍內，割刀往復運動頻率6.56～10.48 Hz[11]接近機架1階固有頻率。根據機架結構模態分析與振動特性分析，為避免機架在主要激勵力作用下共振，提出增加拱門結構來提高機架第1階固有頻率以避開輸送帶彈齒和割刀激振力的激勵頻率范圍。拱門橫跨于縱梁1上部，其安裝應避免與機架前端撥禾輪發生干涉，同時應避免干擾油菜莖稈順利朝排禾口傾倒，新的機架結構三維圖如圖5所示。

拱門的整體結構為“∏”型，材料選用45的普通圓管?；趫A管壁厚、拱門在縱梁1上的安裝位置的區間不連續的變化方法，取圓管壁厚變化區間為2.9～5 mm，拱門安裝位置距橫梁2距離為400～800 mm，分別分析拱門圓管壁厚、拱門安裝位置對機架第1階固有頻率影響規律如圖6所示。

a.拱門對固有頻率影響

a. Impact of arch on natural frequency

b.安裝位置對固有頻率影響

b. Impact of installation site on natural frequency

c.厚度對固有頻率影響

c. Impact of thickness on natural frequency

注：圖6a中，拱門圓管厚度為4 mm；圖6b中，拱門圓管厚度為4 mm；圖6c中，拱門安裝位置距橫梁2的距離為600 mm。

Note: In Fig.6a, thickness of arch pipe is 4 mm; In Fig.6b, thickness of arch pipe is 4 mm; In Fig.6c, distance of installation position of arch to beam 2 is 600 mm.

圖6 各因素對模態影響

Fig.6 All factors impact on modal

由圖6a可知，安裝拱門后機架整體固有頻率提高明顯，特別是高階模態固有頻率明顯提高，說明剛度增加能有效提高機架低階固有頻率，改善機架的扭轉剛度和彎曲剛度，提高機架的振動特性；由圖6b可知，當拱門圓管厚度為4 mm時，隨著拱門安裝位置前移，機架第1階固有頻率有所提高，趨勢線為：=4e-93?8e-62+0.006 3+ 13.516（1=0.955 4），當拱門安裝位置距離橫梁2為800 mm處時固有頻率達到最大值15.229 Hz；由圖6c可知，當拱門安裝位置為600 mm時，隨著拱門圓管厚度的增加，機架第1階固有頻率也有所提高，趨勢線為：=?0.027 52+0.391 1+13.927（2=0.904 6），當拱門圓管厚度為5 mm時固有頻率達到最大值15.177 Hz。為盡可能提高機架第1階固有頻率，拱門安裝位置選為距離橫梁2為800 mm，拱門圓管厚度為5 mm。

通過以上對割曬機機架結構的改進，為進一步驗證改進后新機架的模態性能，重新對新機架進行了模態分析，與原機架對比得到機架模型優化前后固有頻率如表3。

表3 優化前后各變量值對比

為避免產生共振，激勵力頻率一般應該避開所研究系統固有頻率±20%的范圍[23]，優化后的第1階模態頻率為15.339 Hz，不在輸送帶彈齒激振頻率7.63～14.94 Hz (±20%)的范圍。

4.2 優化后的機架靜力學分析

對機架進行靜態應力分析[24-25]，約束條件的確定和工況的選擇是有限元分析正確性的必要條件。針對4SY-2.9型割曬機割臺機架實際情況，三角掛接叉以鉸接的方式連接拖拉機前橋，液壓缸支撐三角掛接叉實現割臺的上下升降。工作狀態下，液壓缸支撐著割臺機架，為簡化模型約束條件，將三角掛接叉鉸接耳和液壓缸支撐耳處施加固定約束。

機架在實際情況下應受到自身重力作用，同時受到安裝于上面的各部件的重力載荷。依靠Creo 2.0軟件獲取割曬機各零部件體積，并通過材料密度求得各部件質量并轉化為重量，將機架所受外載荷簡化為等效載荷加載到機架相應的部位，并進行靜力學仿真分析，機架所受載荷及其加載方式如表4所示。模型靜力學分析應力云圖結果如圖7所示。

表4 各載荷和施加方式

由機架應力云圖顯示：機架整體受力不大，機架最薄弱環節出現在拱門與三角掛接叉連接處，該點的最大應力值達到106.9 MPa，低于材料的屈服極限235 MPa，故優化后的機架滿足強度要求。

5 改進后機架振動特性分析

為驗證改進后割曬機機架在工作狀態下能有更好的振動特性[26-30]，采集機架縱梁最大變形點處在工作狀態下和3個方向的不同加速度時域信號，并通過FFT頻譜分析得到功率譜分析圖，對比未安裝拱門與安裝拱門機架的沖擊載荷情況。

5.1 機架測點加速度數據測試試驗

因受油菜收獲季節性限制難以在田間開展油菜割曬機實際振動情況數據采集試驗，故本試驗針對未安裝拱門與安裝拱門2種試驗因素，在室外硬質水泥路面上測試割曬機空載狀態的振動參數。試驗主要設備為Coco-80動態信號分析儀（美國晶鉆儀器公司，幅值：±0.02 dB，相位：±0.02°）、356A16加速度傳感器（美國晶鉆儀器公司，靈敏度：100 mV/g）。將傳感器固定在測試點處，啟動東方紅LX750H拖拉機，調節發動機轉速為2 000 r/min，動力輸出軸轉速為720 r/min，調節割臺升降油缸使割臺離地高度為350 mm，將各部件轉速調整為工作轉速，待割曬機工作平穩后，采集縱梁最大變形點處的振動時域信號，分別采集3次，每次記錄10 s，并記錄加速度數據編號。

5.2 測試試驗數據分析

經過Coco-80動態信號分析儀器自帶的后處理軟件，通過FFT頻譜分析處理采集的加速度時域信號，并得到功率譜分析圖。未安裝拱門與安裝拱門的功率譜分析圖如圖8所示，圖8中前5個峰值點對應的振動頻率與振幅見表5。

a. 未安裝拱門

a. No installed arch

表5 測試點各峰值點對應的頻率與幅值

注：1~5為未安裝拱門的峰值點，1~5為安裝拱門的峰值點。

Note:1-5are peak points of no installed arch,1-5are peak points of installed arch.

分析表5中各峰值點對應的頻率與峰值得出，安裝拱門的機架測試點的各方向幅值明顯低于未安裝拱門的機架測試點的幅值。最大峰值點方向幅值降低了71.47%，方向幅值降低了70.60%，方向幅值降低了70.21%。

5.3 田間試驗

2016年5月4日在湖北省武漢市漢南區武漢黃鶴拖拉機制造有限公司試驗地進行了機械直播油菜收割田間試驗，收割的油菜品種為華油雜62，采用氣送集排式排種器播種，測得每平方米的作物平均質量為16.24 kg，莖稈含水率74.72%，無自然落粒，田間種植密度為86株/m2，莖稈平均株高為1 223.89 mm。試驗結果：割茬平均高度330 mm，平均鋪放寬度為1 674 mm，平均堆放高度為603 mm，上層莖稈平均鋪放角為16°，下層莖稈平均鋪放角為10°，根茬小于0.36 m，角度差小于6°，割曬后收獲的每平方米的油菜籽粒平均質量為221.28 g。改進前機架振動明顯，油菜莖稈出現拖拉現象，影響機組連續作業。改進后機架振動明顯減弱，田間試驗數據表明，改進后機組前進過程中條鋪厚度均勻，割茬整齊一致，利于油菜后期通風晾曬，排禾口未發生堵塞。改進后的油菜割曬機田間鋪放質量達到割曬機質量標準要求。田間作業條鋪效果圖如圖9所示。

6 結論與討論

通過對4SY-2.9型油菜割曬機機架的振動特性，本文研究結論如下：

1）建立了割曬機機架的有限元模型，求解出機架前6階模態頻率和振型，并通過模態試驗分析驗證了有限元模型的準確性。

2）仿真結果表明：機架第1階固有頻率11.720 Hz，正好落在輸送帶彈齒激勵頻率9.54～12.45 Hz范圍，且割刀往復運動頻率6.56～10.48 Hz接近機架1階固有頻率。為提高低階固有頻率提出增加拱門結構的解決方案，開展拱門結構參數與安裝尺寸的仿真試驗。優化后的機架第1階模態頻率調整到15.339 Hz，避開了輸送帶彈齒和割刀激振力的激勵頻率范圍，有效避免其共振產生。

3）驗證改進后割曬機機架在工作狀態下能有更好的振動特性。安裝拱門的機架縱梁最大變形點處的各方向幅值明顯低于未安裝拱門的機架測試點的幅值。最大峰值點方向幅值降低了71.47%，方向幅值降低了70.60%，方向幅值降低了70.21%。

割曬機整體結構為前懸掛式，割臺掛接方式是影響機架振動的主要因素之一，在本文工作的基礎上，后續將在機架掛接方式、割刀往復運動慣性力的平衡方法繼續深入研究。本研究可為降低割曬機機架振動提供了設計依據，并為同類寬幅機架的設計研究提供參考。

[1] 李平，廖慶喜，李磊，等. 4SY-1.8改進型油菜割曬機主要裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45(1)：53－58.

Li Ping, Liao Qingxi, Li Lei, et al. Design and experiment of the main device of 4SY-1.8 modified rape windrower[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(1): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[2] 李平，廖慶喜，舒彩霞，等. 油菜割曬機莖稈鋪放質量的故障成因分析與參數匹配研究[J]. 應用基礎與工程科學學報，2016(1)：197－209.

Li Ping, Liao Qingxi, Shu Caixia, et al. Fault analysis of stem windrowing quality and parameters match on the rape windrower[J].Journal of Basic Science and Engineering, 2016(1): 197－209. (in Chinese with English abstract)

[3] 吳偉斌，廖勁威，洪添勝，等. 山地果園輪式運輸機車架結構分析與優化[J]. 農業工程學報，2016，32(11)：39－47.

Wu Weibin, Liao Jingwei, Hong Tiansheng, et al. Analysis and optimization of frame structure for wheeled transporter in hill orchard[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 39－47. (in Chinese with English abstract)

[4] 周明剛，張露，陳源，等. 基于靈敏度分析的船式拖拉機機架結構優化設計[J]. 農業工程學報，2016，32(12)：54－60.

Zhou Minggang, Zhang Lu, Chen Yuan, et al. Structural optimization for rack of boat-type tractor based on sensitivity analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 54－60. (in Chinese with English abstract)

[5] 陳志，周林，趙博，等. 玉米收獲機底盤車架疲勞壽命研究[J]. 農業工程學報，2015，31(20)：19－25.

Chen Zhi, Zhou Lin, Zhao Bo, et al. Study on fatigue life of frame for corn combine chassis machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(20): 19－25. (in Chinese with English abstract)

[6] 李耀明，李有為，徐立章，等. 聯合收獲機割臺機架結構參數優化[J]. 農業工程學報，2014，30(18)：30－37.

Li Yaoming, Li Youwei, Xu Lizhang, et al. Structural parameter optimization of combine harvester cutting bench[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 30－37. (in Chinese with English abstract)

[7] 韓紅陽，陳樹人，邵景世，等. 機動式噴桿噴霧機機架的輕量化設計[J]. 農業工程學報，2013，29(3)：47－53.

Han Hongyang, Chen Shuren, Shao Jingshi, et al. Lightweight design of chassis frame for motor boom sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 47－53. (in Chinese with English abstract)

[8] Bajoria K M, Sangle K K, Talicotti R S. Modal analysis of cold-formed pallet rack structures with semi-rigid connections[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66(3): 428－441.

[9] Wies?aw F, Jakub W. Two stage vibration isolation of vibratory shake-out conveyor[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2017, 17(2): 199－204.

[10] Park J, Lee J, Ahn S, et al. Reduced ride comfort caused by beating idle vibrations in passenger vehicles[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2017, 57: 74－79.

[11] 舒彩霞，李磊，廖慶喜，等. 4SY-1.8型自走式油菜割曬機機架振動特性的分析[J]. 華中農業大學學報，2015，34(6)：119－124.

Shu Caixia, Li Lei, Liao Qingxi, et al. Analysis of vibration characteristic of 4SY-1.8 self-propelled rape windrower frame[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2015, 34(6): 119－124. (in Chinese with English abstract)

[12] 任杰鍶，董小瑞. 基于ANSYS Workbench的某越野車車架有限元分析[J]. 中北大學學報：自然科學版，2015, 36(4)：428－434.

Ren Jiesi, Dong Xiaorui. Finite element on analysis of a off-road vehicle frame based on ANSYS workbench[J]. Journal of North University of China: Natural Science Edition, 2015, 36(4): 428－434. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉選偉，金亮，王景立. 基于ANSYS Workbench的深松機機架模態分析[J]. 農機化研究，2015(5)：29－31.

Liu Xuanwei, Jin Liang, Wang Jingli. Modal analysis of the frame of subsoiler based on ANSYS Workbench[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015(5): 29－31. (in Chinese with English abstract)

[14] 郭昌進，楊喜，王金麗，等. 基于ANSYS Workbench的甘蔗葉粉碎機機架模態分析[J]. 農機化研究，2014(8)：23－26.

Guo Changjin, Yang Xi, Wang Jinli, et al. Modal analysis of the framework of a grinder of sugarcane top based on ANSYS Workbench[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014(8): 23－26. (in Chinese with English abstract)

[15] 權龍哲，佟金，曾百功，等. 玉米根茬收獲系統的有限元模態分析與試驗[J]. 農業工程學報，2011，27(11)：15－20.

Quan Longzhe, Tong Jin, Zeng Baigong, et al. Finite element mode analysis and experiment of corn stubble harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 15－20. (in Chinese with English abstract)

[16] 申秀敏，刁金冬，李進，等. 轎車車身頂棚的有限元模態分析[J]. 車輛與動力技術，2011(2)：42－45.

Shen Xiumin, Diao Jindong, Li Jin, et al. Finite element modal analysis of car roof panel[J]. Vehicle and Power Technology, 2011(2): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[17] 李興凱，韓正晟，戴飛，等. 小區小麥育種收獲機機架模態分析及結構優化[J]. 甘肅農業大學學報，2016(1)：144－149.

Li Xingkai, Han Zhengsheng, Dai Fei, et al. Modal analysis and structure optimization on the frame of plot wheat breeding harvester[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2016(1): 144－149. (in Chinese with English abstract)

[18] 李耀明，孫朋朋，龐靖，等. 聯合收獲機底盤機架有限元模態分析與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(3)：38－46.

Li Yaoming, Sun Pengpeng, Pang Jing, et al. Finite element mode analysis and experiment of combine harvester chassis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 38－46. (in Chinese with English abstract)

[19] 張義民，李鶴. 機械振動學基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[20] 謝穎，王嚴，呂森，等. 小型異步電機模態計算與試驗分析[J]. 電工技術學報，2015，30(16)：1－9.

Xie Ying, Wang Yan, Lü Sen, et al. Modal calculation and test of small asynchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(16): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[21] 何耀杰，邱白晶，楊亞飛，等. 基于有限元模型的噴霧機噴桿彈性變形分析與控制[J]. 農業工程學報，2014，30(6)：28－36.

He Yaojie, Qiu Baijing, Yang Yafei, et al. Deformation analysis and control of elastic deformation for spray boom based on finite element model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 28－36. (in Chinese with English abstract)

[22] 李小華，沈貝，蔡憶昔，等. 4105型柴油機曲軸計算模態與試驗模態的振型相關性[J]. 農業工程學報，2011，27(11)：51－55.

Li Xiaohua, Shen Bei, Cai Yixi, et al. Model correlation between calculated and experimental mode of 4105 diesel engine crankshaft[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 51－55. (in Chinese with English abstract)

[23] 鮑諾，趙方，孫偉亮，等. HFCG160-140輥壓機機架有限元模態分析及優化設計[J]. 機械設計與制造，2010(6)：13－15.

Bao Nuo, Zhao Fang, Sun Weiliang, et al. Frame of HFCG160-140 roller press modal finite element analysis and optimal design[J]. Machinery Design & Manufacture, 2010(6): 13－15. (in Chinese with English abstract)

[24] 樊炳輝，焦浩，賈娜，等. 基于Ansys WorkBench的排爆機器人機械手靜力學分析[J]. 制造業自動化，2014(4)：34－36.

Fan Binghui, Jiao Hao, Jia Na, et al. Statics analysis for an explosive-handling robot manipulator based on Ansys WorkBench[J]. Manufacturing Automation, 2014(4): 34－36.

(in Chinese with English abstract)

[25] 黃炎，趙滿全，黃鵬飛. 前置式雙圓盤割草機主軸有限元分析：基于ANSYS Workbench[J]. 農機化研究，2013(8)：26－29.

Huang Yan, Zhao Manquan, Huang Pengfei. Finite element analysis of main shaft of front dual disc mower: Based on ANSYS Workbench[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(8): 26－29. (in Chinese with English abstract)

[26] 郭榮，周鋐. 某型轎車白車身試驗模態分析及動態特性評價[J]. 機械設計，2010，27(8)：18－22.

Guo Rong, Zhou Hong. Experimental modal analysis and dynamic characteristic evaluation of body-in-white of some car[J]. Journal of Machine Design, 2010, 27(8): 18－22. (in Chinese with English abstract)

[27] 姚艷春，杜岳峰，朱忠祥，等. 基于模態的玉米收獲機車架振動特性分析與優化[J]. 農業工程學報，2015，31(19)：46－53.

Yao Yanchun, Du Yuefeng, Zhu Zhongxiang, et al. Vibration characteristics analysis and optimization of corn combine harvester frame using modal analysis method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(19): 46－53. (in Chinese with English abstract)

[28] 王丙龍，郝歡歡，聶森，等. 果園采摘平臺振動性能試驗[J]. 農機化研究，2016(4)：213－216.

Wang Binglong, Hao Huanhuan, Nie Sen, et al. Vibration performance test of orchard picking platform[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016(4): 213－216. (in Chinese with English abstract)

[29] 徐立章，李耀明，孫朋朋，等. 履帶式全喂入水稻聯合收獲機振動測試與分析[J]. 農業工程學報，2014，30(8)：49－55.

Xu Lizhang, Li Yaoming, Sun Pengpeng, et al. Vibration measurement and analysis of tracked-whole feeding rice combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(8): 49－55. (in Chinese with English abstract)

[30] 蔣依壇，施洲，蒲黔輝，等. 輕軌橋梁高墩結構動載試驗與振動特性分析[J]. 鐵道標準設計，2016，60(10)：67－71.

Jiang Yitan, Shi Zhou, Pu Qianhui, et al. Dynamic test and analysis of vibration performance of Light Rail Bridge High Piers[J]. Railway Standard Design, 2016, 60(10): 67－71. (in Chinese with English abstract)

Vibration analysis and improvement for frame of 4SY-2.9 typed rape windrower

Jiang Yajun1, Liao Yitao1,2, Qin Chuan1, Guan Zhuohuai1, Liao Qingxi1,2※

(1.,430070,; 2.,410128,)

In China, the rape harvesting mechanization level is low and traditional manual harvesting is so poor, so it is necessary to develop rape windrower to improve productivity and reduce cost. The pros and cons of the frame design play an important role on the comfort and working reliability of the windrower machine manipulation. The frame of 4SY-2.9 typed rape windrower is the base and bears the load of whole assembly, and during the rape windrower working, the exciting vibrations from cutter and the conveyor belt spring tooth will cause the rape windrower to vibrate. Because those excitation frequencies were closed to or overlapped the natural frequencies of the rape windrower, the frame of 4SY-2.9 typed rape windrower will produce resonance seriously. To improve the quality of laying, reducing the vibration amplitude of the frame of rape windrower is a feasible way, and the finite element method will solve this problem by using structural modal analysis to get the dynamic characteristics of the frame structure. In order to solve the problem of the large amplitude of the rack caused by the random exciting force produced by the movement of various parts of the machine, in this paper, we modeled the rack and imported the model in ANSYS Workbench to work out the frequency and vibration mode of the rack under the free modal, and we verified the accuracy of the finite element model through the contrast of the modal test and the simulation analysis results. It was found that the relative error between the 2 results was in a reasonable range, so the rationality of frame modal analysis was verified. Based on the analysis of the characteristics of the external excitation frequency of the frame and the simulation results, the design scheme was put forward, which was increasing the frame arch structure, and the simulation experiment on the pipe thickness and installation position of arch was carried out. The optimized rack’s first-order modal frequency was adjusted to 15.339 Hz, so that it avoided the excitation frequency of the conveyor belt spring tooth and the cutter effectively which could cause the frame resonance. Through the finite element statistics analysis on the optimized model of the frame, the result showed that the strength of the frame met the requirements. Windrower on no-load condition collected acceleration time-domain signal of the biggest deformation point of longitudinal beam, and obtained the fast fourier transform power spectral analysis diagram under the condition with and without the installation of the arch. The test results showed that the amplitude alongdirection at the largest peak point of test point decreased by 71.47%, the amplitude alongdirection was reduced by 70.60%, and the amplitude alongdirection was reduced by 70.21%. Field experiments showed that 4SY-2.9 typed rape windrower had a good operation performance with a good throughput capacity and a high work efficiency, and achieved an orderly intermediate strip paving. The paving width met the requirement of the working width of the collecting sheller. After cut down and dried, the average paving width of rapeseed stalks was 1 674 mm, the average stubble height of rapeseed stalks was 330 mm, and the average stack height of rapeseed stalks was 603 mm. The optimized rape windrower frame had a good dynamic performance, and the field operation effect could meet the requirement of the actual production. This research may provide references for the design and improvement of the similar broad frames.

finite element method; vibrations; optimization; testing; rape windrower; frame; modal analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.007

S225.2+1

A

1002-6819(2017)-09-0007-08

2016-12-03

2017-04-25

農業部科研杰出人才及創新團隊（145）湖北省技術創新專項重大項目（2016ABA094）

蔣亞軍，男，湖北荊州人，博士生，研究方向為現代農業裝備設計與測控。武漢 華中農業大學工學院，430070。Email：hzauyajun@163.com

廖慶喜，男，湖北荊州人，教授，博士生導師，主要從事油菜機械化生產技術與裝備等方面的研究。武漢 華中農業大學工學院，430070。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

蔣亞軍，廖宜濤，秦 川，關卓懷，廖慶喜. 4SY-2.9型油菜割曬機機架振動分析及改進[J]. 農業工程學報，2017，33(9)：53－60. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.007 http://www.tcsae.org

Jiang Yajun, Liao Yitao, Qin Chuan, Guan Zhuohuai, Liao Qingxi. Vibration analysis and improvement for frame of 4SY-2.9 typed rape windrower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 53－60. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.007 http://www.tcsae.org