电动微耕机振动模型的建立与结构优化研究

发布时间：2020-04-03 07:01

【摘要】：我国丘陵山区6°~15°和15°~25°的坡耕地大大制约了农业机械化的发展,其地块细小零碎且缺乏必要的机耕道等田间基础设施,大中型机械难以完成作业环节。电动微耕机因其结构轻简,便于操作,较好地克服了大中型机械“难以下田”的问题,也具备耕作环节零排放的优点,在我国丘陵山区具备良好的应用前景。电动微耕机实际耕作中伴随着振动,实际耕作深度越大,整机振动越剧烈,操作舒适性就越差,目前农机市场上电动微耕机耕作深度大多小于10 cm,但耕深大于10cm的电动微耕机在特定农作物的种植环节中发挥着不可替代的作用。因此本文就一款试制的耕作深度大于10 cm的电动微耕机为研究对象,分析其振动性能,提出减振措施,为该款电动微耕机的后续整机优化与相关农业样机的研发提供理论基础与减振方法参考。本文的研究主要研究内容如下:建立整机振动动力学模型。根据整机结构参数,结合样机耕作工况,阐明电动微耕机振动分析简化原则,基于机械振动原理,将扶手架与支撑架平板,电动机与支撑架平板相互作用简化为单自由度无阻尼受迫振动模型,将锂电池箱与支撑架平板相互作用简化为单自由度无阻尼自由振动模型,将刀辊与土壤之间相互作用简化为单自由度有阻尼受迫振动模型。对耕作工况下电动微耕机所受的激振力:电磁激振力,土垡撞击力,土壤对刀辊反作用力,扶手处人手作用力进行二维平面受力分析,确定其大小和方向,综合考虑整机激振力和部件间相互作用方式,在忽略土壤理化性质干扰的情况下,建立了整机竖直方向一维振动动力学模型,在考虑左右侧刀辊受力的差异时,建立了整机竖直方向和刀辊轴向二维振动动力学模型。建立整机振动数学模型和仿真模型,获取扶手架、电动机外壳、支撑架平板处振动加速度均方根值。比较分析振动数学模型的建模方法,选用牛顿法建立整机竖直方向一维振动数学模型和整机二维振动数学模型得到其一阶常系数振动微分方程和刚度,阻尼方程,激振力方程。基于Matlab/Simulink,建立整机振动仿真模型,确定仿真参数包括支撑架平板、扶手架、电池箱、刀辊、电动机的刚度系数与阻尼系数以及整机激振力大小,仿真得到了微耕机扶手架,支撑架平板,电动机外壳处振动加速度时域变化曲线及其加速度均方根值为10.06 m/s~2,39.51 m/s~2,35.61 m/s~2。田间试验获得整机扶手架、支撑架平板、电动机外壳处振动加速度均方根值以及耕作性能参数和振动性能参数,对比分析仿真数据和试验数据,检验仿真模型精度。通过田间耕作试验,得到快挡工况下电动微耕机耕作性能参数,耕深为115 mm,幅宽为800 mm,刀辊转速为140 r/min,作业生产率为786.67 m~2/h。通过田间振动试验,应用LMS.Test.lab平台测试电动微耕机在倒挡、慢挡、中挡、快挡四个工况下,微耕机左、右扶手架,支撑架平板,扶手架横杆,电动机外壳,刀轴连接处6个部位的时域振动加速度曲线。提取整机在快挡工况下,扶手架、支撑架、电动机外壳处竖直向上方向振动加速度均方根值为9.45 m/s~2,49.08 m/s~2,44.1 m/s~2。将振动仿真获得的加速度均方根值数据与振动试验测试的加速度均方根值对比可知扶手架,支撑架平板,电动机外壳处振动仿真相对误差为9.06%,19.50%,19.25%,仿真精度可以满足振动模型仿真要求。采用时域滤波处理和频域自功率谱分析振动测试数据。时域处理结果表明:竖直方向振动加速度均方根值最大,刀辊轴向振动加速度均方根值次之,整机前进方向最弱;频域加速度曲线表明:慢挡工况下扶手架与支撑架在刀辊轴向方向发生一阶共振,幅值为2.8 m/s~2。对支撑架平板进行拓扑优化,对扶手架进行结构改进,基于仿真模型模拟改进后支撑架平板与扶手架处振动加速度。根据减振方法理论,考虑整机结构优化与与人手接触处扶手架减振要求,分析了支撑架平板存在的结构问题,在Ansys中进行静力学分析,在保证机架结构强度的前提下,应用连续拓扑优理论中的尺寸优化与形状优化方法,行走箱整体厚度变薄,上部厚度减小至6 mm,整体质量减小800g;前端支架与后端支架分别减小300 g和330 g,使优化后的支撑架平板相对于优化前减少1.43kg。应用连续阻抗介质理论和一维声学黑洞理论对扶手架进行优化,通过增加扶手架处材料阻尼系数,得到三种减振方案,采用复合减振方案减振效果最好。当扶手架质量增加1.8kg,不考虑扶手架结构变化,扶手架处振动加速度均方根值减弱为8.762 m/s~2;实际上扶手架处结构变化(阻尼增大),扶手架处加速度均方根值将会更小。
【图文】：

微耕机,样机,扶手

第 3 章电动微耕机振动模型的建立 3 章电动微耕机振动模型的建数三维实物图如 3-1 所示，结构简图如图撑架，竖直放置的电动机、蓄电池、行走等）、旋耕刀辊、限深杆等组成。扶手架电池处于接通状态时，蓄电池为电动机供辊切削土壤时，土壤反作用力推动机组前润滑油孔等零件和结构，连接、支撑各个架设计有扶手架、限深装置连接结构，限位，通过扶手架处旋钮调节电机控制器实现快挡、中挡、慢挡、倒挡四挡变换

抛土,初速度,土垡,切土

当不计空气阻力时，单元土垡运动方程为：02012xyx x v ty y v t gt （3式中：x0被切土垡抛出的初始水平位置；y0被切土垡抛出的初始竖直位直位置坐标（vx，vy）被切土垡离开刀具正切面时的初始速度。根据单元土垡运动方程可知其运动轨迹为抛物线，如图 3-2 所示。可知当抛垡的初速度 v 与 x 轴夹角ψ大于 90°时，土垡单元将向后运动，当ψ小于 9，土地将向前抛掷，最终与挡泥板相撞，可知土垡向后抛掷的条件为：arctan2yxvv （3当被切土垡脱离刀具正切面时的速度可根据牵连速度与速度之间的关系，角函数表示：sin( )1801ev v （3中：ve为质点牵连加速度；γ 正切刃末端的切线与最小半径之间的夹；θ 刀转过的角度，单位度；β v 与最小半径之间的夹角。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S224

【参考文献】