复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究——硕士论文

硕士 复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究2016 复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究 年 月0分类号 密级UDC 专业硕士学位论文复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究 专业学位名称 机械工程 指导教师 教授 论文答辩日期 学位授予日期 答辩委员会主席 0复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究摘 要实现中国甘蔗机械化收割能显著提高我国甘蔗收割效率，有效解决日益严峻的劳动力不足问题以及大幅度减少蔗糖的生产成本。目前，较低的甘蔗宿根切割质量是阻碍甘蔗收割机在我国推广的主要原因，而砍蔗系统竖直方向的振动是影响甘蔗宿根切割质量的主要原因，本文从降低甘蔗收割机刀架振动的角度出发，提高切割质量，重点研究了复杂激励下刀架的振动特性。本文研究的主要内容如下：1. 基于ANSYS等仿真软件，对刀架结构进行自由模态分析，利用模态测试设备对刀架进行试验模态分析，验证有限元模型以及识别刀架模态信息。模态分析结果找出刀架刚性不足的构件，并改进结构，在试验平台上开展刀架变刚性试验验证仿真结果。2. 采集路面不平度信号，频谱分析路面不平度主要激振频段、分析发动机激励信号，选择振动电机模拟发动机激励以及分析砍蔗激励，为机械式路面激振器的研制以及虚拟和物理试验研究刀架振动特性做好准备。3. 基于UG/ADAMS仿真软件验证设计方案的可行性，研制机械式路面激振器，添加路面激励、发动机激励完善课题组试验平台，调试振动源的振动性能。I4. 基于ANSYS、ADAMS等仿真软件，研究提升油缸悬挂点、刀架位置以及刀架刚度对其振动的影响，较深入了解了上述因素与刀架振动间存在的关系。5. 添加路面以及发动机激励装置完善试验平台，试验研究提升油缸悬挂点、刀架位置、刀架结构、振动电机位置以及路面激励信号对刀架振动的影响，试验结果表明：对刀架振动贡献大小的因素顺序为：路面激励振动大小 振动电机频率 油缸提升点位置 振动电机位置 刀架位置。试验说明：蔗地平整度对甘蔗收获机刀架振动的影响最大，其次为发动机激励信号。本课题研制了机械式路面激振器，进一步完善了甘蔗收获机试验平台。通过试验发现提升油缸悬挂点、刀架位置、刀架结构刚度、路面激励以及发动机激励对刀架振动的影响规律，为较高砍蔗质量的甘蔗收割机设计提供了技术支持。关键词：甘蔗收获机 刀架 机械式路面激振器 砍蔗质量 EXPERIMENTAL STUDY ON THE VIBRATION CHARACTERISTICS OF CUTTER SUPPORT STRUCTURE OF SUGARCANE HARVESTER UNDER COMPLEX EXITAIONABSTRACTMaking Chinese sugarcane harvest mechanization has great significance for solving the increasingly serious problem of labor shortage, improving the efficiency of sugarcane harvest in our country, reducing the production cost and enhancing competitiveness in sugarcane industry. At present,the low cutting quality of sugarcane ratoon is the main cause of hindering the popularization of sugarcane harvester in China, and the vertical vibration of cutting system is the main cause of the low cutting quality of sugarcane ratoon, in order to improve the cutting quality, this paper starts from reducing head cutter vibration of sugarcane harvester, focuses on the vibration characteristics of cutter support structure under complex excitation. The main content in this paper is as follows:1. Based on the ANSYS simulation software, making the free modal analysis of cutter support structure. In order to prove finite element model and recognition cutter support structure modal information, using the modal testing equipment to make experimental modal analysis of cutter support structure. The analyze results find the parts which is lack of rigidity, and lay foundation for the rigidity experiment on the test platform to verify the simulation results.2. Collecting roughness signals of road surface, the main vibration frequency excitation signal of road roughness were studied by the spectral analysis, the engine excitation were simulated by selecting vibration motor, and then analyzing the impact from sugarcane cutting, and make preparation for the manufacturing of the mechanical pavement vibrator and researching head vibration characteristics by using virtual and physical experiment. 3. Based on UG/ADAMS simulation software, the feasibility of the mechanical pavement vibrator design scheme was verified. Then developing mechanical road vibrator, adding road, engine excitation to improve research group test platform, testing the vibration performance of the above vibration source.4. Based on ANSYS, ADAMS simulation software, researching the influence which lift cylinder suspension point, the position and the structure stiffness of cutter support structure have on the vibration of cutter head, making a deeper understanding of the relationship between the above factors and cutter head vibration.5. Adding the road and engine excitation device perfect experimental platform, the experiment has researched the influence which lifting cylinder suspension point, the position and the structure stiffness of cutter support structure, position of vibration motor and the road excitation signal have on cutter head vibration, the results show that: the contributions to the cutter head vibration is: signal of the road excitation Excitation frequency of vibration motor position of the lift cylinder suspension point position of vibration motor position of cutter support structure. The test shows: the road roughness of sugarcane field has the significant influence on the cutter head vibration, followed by the motor excitation signal.An mechanical road vibrator has been developed in this task, the test platform has been improved. Through the experiment, the rule of the influence of lift cylinder suspension point, the position and the structure stiffness of cutter support structure, road and engine excitation on cutter head vibration has been found, providing technical support for the sugarcane harvester which qualified with high cutting quality index. KEY WORDS: sugarcane harvester；cutter support structure；mechanical road vibrator；cutting quality ; 目 录摘 要IABSTRACTIII第一章 绪论11.1课题来源以及主要任务11.2 课题研究的目的及意义11.3 国内外甘蔗收获机械的研究现状3 1.3.1国外研究现状3 1.3.2国内研究现状31.4路面不平度的研究41.5本文研究的主要内容51.6本文的研究路线51.7 本章小结6第二章 甘蔗收获机刀架结构的问题分析82.1刀架结构82.2砍蔗机理分析82.3 振动与宿根切割质量的关系92.4 模态分析10 2.4.1仿真模态分析10 2.4.2实验模态分析102.5 齿轮箱结构的改进11 2.5.1 现有齿轮箱结构11 2.5.2齿轮箱改进方案12 2.5.3 仿真结果13 2.5.4小结132.6刀架结构改进14 2.6.1现有刀架14 2.6.2改进方案14 2.6.3仿真结果15 2.6.4小结162.7本章小结16第三章 甘蔗收获机主要激励源的采集与分析173.1路面振动激励源分析17 3.1.1信号的频域分析17 3.1.2 蔗地路面激励时域信号的频域分析193.2发动机振动源分析223.3砍蔗振动源分析23 3.3.1砍蔗激励信号采集23 3.3.2砍蔗频率24 3.3.3刀片受力分析25 3.3.4 砍蔗力数学模型的建立263.4其他工作部件的振动263.5 本章小结26第四章 路面激振器以及发动机激振器的研制284.1机械式路面激励模拟器设计方案28 4.1.1 设计思路28 4.1.2 关键零部件的设计294.2 发动机激励模拟384.3路面激振器可行性分析39 4.3.1 基于ADAMS的多刚体动力学分析39 4.3.2机械式路面激振器实物测试434.4本章小结48第五章 复杂激励下刀架动态响应的仿真分析495.1 提升油缸悬挂点的仿真实验49 5.1.1刀架振动模型49 5.1.2建立数学模型51 5.1.3数学模型求解52 5.1.4基于ADAMS的动力学仿真求解535.2 刀架相对车轮安装位置的选择60 5.2.1虚拟样机的建立60 5.2.2 仿真结果与分析605.3刀架结构改变前后振动仿真实验64 5.3.1虚拟样机的建立64 5.3.2仿真结果与分析655.4本章小结66第六章 复杂激励下刀架的动态响应试验研究676.1 路面激振器振动性能的预备试验676.2 振动电机振动性能的预备试验746.3 路面激振器振动大小单因素试验786.4 路面激振器偏心质量单因素试验806.5 路面激振器激振频率单因素试验836.6 提升油缸悬挂位置单因素试验研究856.7 振动电机位置单因素试验896.8 物流架位置单因素试验936.9 刀架变刚度试验976.10正交试验101 6.10.1 5因素3水平正交试验101 6.10.2 6因素3水平正交试验1046.11本章小结108第七章 总结与展望1097.1总结1097.2展望110参考文献111致 谢115攻读学位期间的学术成果116广西大学专业学位硕士论文 复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究第一章 绪论1.1课题来源以及主要任务本课题来源于国家自然科学基金项目“复杂激励作用下甘蔗收获机切割系统振动性能”（项目批准号：51465006）；广西自然科学基金资助项目“甘蔗收割机切割深度自动控制系统研究”（项目批准号：2014GXNSFAA118381）。课题组致力于研制适用于丘陵地形的小型整杆式甘蔗收获机械。从上述研究目标出发，本研究以课题组第二台小型整杆式甘蔗收获机样机以及自制的甘蔗收获机试验平台为研究对象，分析田间作业时甘蔗收获机受到的主要振动源特性，并研制相应的振动激励装置模拟振动源，进一步完善试验平台，探索在地面不平度振动激励、发动机激励及砍蔗激励等主要振源的作用下，刀架的振动特点。结合理论分析、仿真分析和试验手段，深入分析复杂激励下收获机刀架的振动规律，找到影响收获机刀架振动的主要因素，为降低课题组甘蔗收获机样机刀盘振动、完成收获机试验平台的整体搭建提供技术支持。1.2 课题研究的目的及意义甘蔗是我国主要制糖原料之一，同时也是中国南方的主要经济作物。多年来，广西的甘蔗产量、种植面积一直居于全国首位，据统计，65%的中国糖料种植面积位于广西境内，蔗糖业已成为广西支柱产业1。在广西全区，甘蔗生产在农业生产以及经济发展中占有非常重要的地位，目前从事蔗糖行业的总人口约为2000万人，是引领农民走上脱贫致富道路以及推动广西经济发展的重要产业2。据统计：广西甘蔗种植面积已经达到我国糖料种植面积的65%左右，甘蔗总产量是我国糖总产量的60%以上，是广西主要千亿元产业之一3。2010/2011榨季广西产糖672.8万吨，站全国总产糖量的64.36%，食糖产量的69.9%，蔗糖产业销售收入达到444.15亿元，同比增长了31.44%4。 目前，广西区除开整地以及甘蔗运输实现了机械化外，整个甘蔗收获环节劳动量最大的甘蔗种植、收获环节仍然保留着传统的劳动方式，据统计：一个熟练的工人，一天工作8小时收获甘蔗0.7-1t。相比较甘蔗机械化收割，比如国内所说的日本割铺机，NB-11型小型甘蔗联合收割机，每小时的收割效率为0.13-0.2Hm，机械化收割极大提高了收割效率和降低了成本5，推广甘蔗机械化收割对于广西蔗糖产业的发展具有重要意义。制约我国甘蔗机械化收割的主要原因是较低的甘蔗宿根切割质量，切割质量差的甘蔗宿根断面处存在较多的台阶、裂纹，容易造成宿根破头，从而影响翌年宿根出芽率，降低甘蔗产量。目前广西机械化收割主要机型有凯斯4000、凯斯7000等，收割后甘蔗破头率达20%30%，有的甚至高达40%，仍然存在宿根切割质量低的问题，另外，国外机型庞大，在广西丘陵地区很难大面积推广。国内当前甘蔗收获机的研究工作处于起步阶段，目前也研制出了一系列国产小型甘蔗收获机，例如：科里亚4GZ-56（图1- 1所示）、河南坤达4GZQ-75型、汉森4ZL-1、浙江温岭宏顺SG1300型（图1-2 所示），但仍有很多关键性问题没有解决8789。图1-1 科里亚4GZ-56图1-2 宏顺SG1300Fig.1-1 kolea 4GZ-56Fig. 1-2 HongShun SG1300图1-3 凯斯7000机型Fig.1-3 Case 7000 凯斯公司针对我国丘陵地区的甘蔗收割特点，相比较凯斯7000(图1-3所示)，专门研制了机体积小和整机重量轻的凯斯4000机型101112。 研制出适应于广西丘陵地区的甘蔗收获机，提高收获机的砍蔗质量是目前急需处理的问题。据统计，2011到2012年甘蔗榨季，我国全国的甘蔗机械化收割水平只有0.07%13，2015年，国务院印发中国制造2025明确规定现代农机装备被列入重点发展领域，甘蔗收获机械又作为现代农机装备重要之一14。因此，甘蔗收获机的瓶颈问题突破，改善性能，并最终研发出适应于广西丘陵地区的小型甘蔗收获机械，对落实“中国制造2025”的高端农业机械开发研究计划具有重要意义。1.3 国内外甘蔗收获机械的研究现状1.3.1国外研究现状澳大利亚Roberto da Cunha Mello 等人通过实验对比了砍蔗系统使用传统光刃刀片和锯齿刀片时的砍蔗质量15；美国的C. P. Gupta 等人实验研究了甘蔗切割损伤与刀片倾角、刀盘倾角、刀盘转速等因素的关系；T. C. Ripoli等人从减少甘蔗损失率和保护土壤的角度，研制了一种新型甘蔗联合收获机的切割系统，并对比了其与传统切割器对环境的影响16；M. kardany等人利用摆动装置研究不同蔗刀作用在甘蔗茎秆上的切割能量变化17。Gupta Cp从刀盘旋转速度、刀盘倾角等运动学以及刀片几何参数的角度出发：分析砍蔗系统砍蔗力与其工作参数的关系，试验发现刀盘转速低于13.8m/s时，旋转的刀盘更容易从甘蔗根部将蔗茎撕裂而不是砍断18；Mello Harris 研究了直线光滑刃口和曲线锯齿刃口与砍蔗质量的关系，发现锯齿刃口引起的砍蔗力较小，并可以得到较好的砍蔗质量，实验并得到刀片锯齿形状以及齿距的的最优组合1920；Eustace和K. J对砍蔗系统主要零部件进行了试验模态分析，根据零部件的模态信息来获取砍蔗系统整体的模态参数2122。1.3.2国内研究现状华南农业大学刘庆庭等人采用高速摄影相机拍摄光刃切割甘蔗的劈裂情况，并且对蔗茎进行力学性能测试和力学建模，利用材料力学理论进行了甘蔗宿根破坏力学的分析2324252628；广西大学麻芳兰、王汝贵等人研究了切割速度、刀盘转速、刀盘倾角等工作参数对甘蔗宿根破头率的影响规律28293031；广西农业机械研究院的蒙必胜等人从材料力学和运动学的角度分析了砍蔗系统相关参数与甘蔗宿根破头率间的关系；广西大学杨望用ANSYS/LS-DYNA仿真直线运动刀片入土切割对甘蔗轴向应力的影响28；邓劲莲28在原理设计的基础上，构建甘蔗收获机械的主要功能结构模型，并给出了相应功能机构的设计和创新主要方法。基于发散性思维的设计方法，设计出收获机主要功能模块的结构模型，基于ADAMS虚拟样机技术对构建的模型进行动力学仿真分析。比较各个虚拟样机的仿真结果，并选出结构最优的虚拟样机模型。蒲明辉等人基于ANSYS等仿真软件比较了不同材料的甘蔗建模方法，仿真结果认为Flex法建立的甘蔗模型与理论计算结果最为接近，并在喂入和剥叶机构仿真研究上，对耙齿式甘蔗喂入机构建立了虚拟样机模型并进行了仿真实验研究，仿真试验增加了喂入辊转速和改变了喂入辊的刚度值，结果表明改变参数后，甘蔗的喂入速度能达到试验设计要求28。 国内部分高校、科研单位以及企业对甘蔗收割机械进行了大量试验研究。其中有位于广西区内的广西大学、广西农机所，位于广东的华南农业大学和湛江农业机械研究所等，各科研团队在该领域都取得了一定的研究成果35。1.4路面不平度的研究目前，针对路面不平度的模拟研究，国内外学者目前使用的基本方法有：谐波叠加法36、滤波器整形白噪声法37、积分单位白噪声法等。刘献栋等人将路面功率谱密度离散化得到功率谱密度数据，通过傅里叶变化得到路面不平度数据38，该方法便于操作。候占峰等人利用分形布朗模型进行构造土壤不平度的三维模型，结果表明：该方法得到的模型可用在车辆仿真测试中394041。郑联珠等人利用专业设备测量了农田软路面原始地表路面谱，车辙谱以及有效路面谱，根据实验数据得出了综合考虑土壤和轮胎特性的农田软路面路面谱计算公式，实验验证由该公式计算的结果与实际值的吻合度较高424344。石峰等人将路面载荷谱在MTS四立柱道路模拟系统上再现，证明了道路模拟机上开展汽车耐久性试验的可行性4546。1.5本文研究的主要内容本文根据课题组与钦州某公司联合研发的甘蔗收获机样机田间作业时所表现出的问题，发现用来支撑刀盘的刀架对刀盘的振动影响较大。本文研制具有低频激振功能的机械式路面激振器，利用振动电机模拟发动机激励，并在实验室研究路面激励和发动机激励对甘蔗收获机刀架的振动影响；对比刀架在收获机不同安装位置时刀架的振动响应，找到刀架的合理安装位置；对比不同提升油缸悬挂点下刀架的振动响应，找到提升油缸悬挂点的合理位置；对比刀架相对车轮不同位置时刀架的振动响应，找到齿轮箱相对于车轮的合理位置；对比刀架结构改进前后的刀架振动响应，找到现有刀架结构的结构缺陷；结合虚拟与物理实验，分析刀架的模态信息，为课题组甘蔗收获机高刚性的刀架结构设计提供方向；对比路面激励和发动机激励对刀架的振动影响，找到路面激励和发动机激励下，刀架的振动规律。本文具体的内容如下：1. 在实验室利用模态测试设备对刀架进行试验模态分析，识别刀架结构模态信息，找到了刀架结构刚性不足的构件，并对刀架结构进行相应改进。2. 频谱分析路面不平度能量集中的主要频段，为研制机械式路面激振器提供理论基础。分析发动机激励信号，选择振动电机模拟发动机激励。分析砍蔗激励，为研究砍蔗激励对刀架振动影响提供理论基础。3. 仿真软件验证设计方案可行性，研制机械式路面激振器，并进行了相应振动性能测试，进一步完善实验平台。4. 虚拟试验研究提升油缸悬挂点、齿轮箱位置以及刀架结构刚度对刀架振动的影响。5. 单因素以及正交试验研究不同的提升油缸悬挂点、刀架相对车轮不同的位置、刀架结构、振动电机位置以及路面激励信号与刀架振动的关系。1.6本文的研究路线研究路线规划如下：明确研究目标振源分析砍蔗机理研究刀架结构分析砍蔗激励 模态分析路面激励发动机激励 刀架结构改进方案构建砍蔗机理数学模型设计机械式路面激振器构建发动机激励数学模型是否符合要求否建立试验平台虚拟样机：仿真研究复杂激励下，刀架的动态响应是设计制作机械式路面激振器调试搭建甘蔗收获机试验平台添加发动机激励物理试验单因素试验 正交试验复杂激励作用下，刀架的振动特征规律图 1-4 本文研究思路流程Fig. 1-4 Theflowchar of the study1.7 本章小结第一章分别阐述了当前国内外甘蔗收获机械的发展和研究现状，分析了广西区内甘蔗收获机的推广难题，阐明了本文研究的主要内容、目的以及意义，最后通过流程图简单概括了本文研究的工作流程。第2章 甘蔗收获机刀架结构的问题分析2.1刀架结构 图2-1为刀架的结构图，刀架由齿轮箱和提升转臂组成。其中齿轮箱为刀盘轴以及动力传动零件的支撑架，如图2-1中红色角钢架所示。刀盘的升降通过连接齿轮箱与车架的液压缸的伸缩来实现。提升转臂为齿轮箱后方伸出的两根连接杆，刀盘提升时绕着提升转臂后支点转动，如图2-1中所示灰色角钢。图2-1 甘蔗收割机结构图图2-2 切割系统Fig. 2-1 Cutting systemFig. 2-2 Cutting system 2.2砍蔗机理分析甘蔗收获机工作时，刀盘高速旋转。砍蔗过程中单根甘蔗往往不是被刀片一次性砍断的，而是要经过刀片的多次砍削，随着收获机不断前进，逐步增大刀片对甘蔗的砍入量，最终砍断甘蔗4748。刀片第一次砍蔗后，蔗径上会留下裂口，第二次砍蔗时，由于刀盘的振动，刀片与蔗径的接触位置较第一次会发生变化，两个切口间存在位置差，差值大小会受到刀盘振动剧烈程度影响，工作环境较恶劣时，刀盘振动较大，位置差值增大，切口处的裂纹条数、裂纹长度、裂纹厚度以及砍肩高度将会变多变厚，甘蔗切口质量下降。同理，第三、四次砍蔗后的蔗径切口质量也会受到刀盘振动的影响。其次，砍蔗过程中，由于刀盘存在上下跳动，刀片对甘蔗的切削力方向也会改变，使得甘蔗切口不平整，出现台阶，甚至会导致蔗径破裂。图2-3为利用高速摄像仪对砍蔗过程进行的拍摄过程。图2-3高速摄影Fig. 2-3 High-speed photography 可见，刀盘在竖直方向的振动情况将会直接影响到甘蔗宿根的切割质量。2.3 振动与宿根切割质量的关系研究刀架刚性的意义在于降低甘蔗破头率。首先需要了解刀盘动态特性与甘蔗破头率的关系。课题组前期做了大量刀盘振动与砍蔗质量的关系实验，如图2-4所示。图2-4刀盘振动与切割损失关系Fig.2-4 The relationship between vibration of cutting disc and cutting damage 将切割损失综合评分值曲线进行回归拟合，得到回归曲线多项式。从图2-4中可以看出，刀盘振幅越大，切割损失综合评分越高。说明切割器振幅增加一倍，甘蔗切割质量损失提高近一半。2.4 模态分析2.4.1仿真模态分析 刀架有限元摸态如图2-5所示。表2-1为基于ANSYS模态分析的仿真模态结果。图2-5刀架第1到2阶振型图Fig. 2-5 The first 4 order modal shapes of the cutter support structure表2-1刀架有限元模态计算结果Tab. 2-1 Finite element modal calculation results of lifting scheme阶数频率（Hz）节点最大变形（mm） 振型描述120.1406 0.26一阶振型、在竖直方向变形为主要变形。241.9276 1.19一阶振型、竖直方向的变形为主要变形345.218 1.2一阶振型、竖直方向的变形为主要变形通过对刀架的有限元模态分析发现：刀盘前三阶模态固有频率都较低，从节点最大位移以及振型图发现，刀架前三阶振型的主要形变方向都为竖直方向，且形变较大。甘蔗收获机的两根蔗刀刀轴各通过一对轴承安装在刀架上，刀架在竖直方向的形变较大时，将会直接加剧刀盘在竖直方向的振动，进一步影响甘蔗宿根切割质量。2.4.2实验模态分析课题组前期做了通过模态测试系统测量了刀架结构自由模态，前三阶模态振型图如下：图2-11 刀架结构前3阶模态Fig.2-11 The precedingthree vibrationmodels of cutter suport structure 刀架试验模态结果，如表2-2所示。11表2-2试验模态结果Tab.2-2 experimental modal results阶数试验模态频率(Hz)阻尼比振型描述 121.2 2.86%绕着Z轴扭变，Z方向为主要变形方向。 236.16 1.02%提升转臂绕Z轴摆动，Z方向为主要变形方向。 346.24 0.67%绕着Z轴扭变，Z方向为主要变形方向。2.5 齿轮箱结构的改进2.5.1 现有齿轮箱结构刀架由齿轮箱和提升转臂两个部件构成。通过试验模态振型图以及有限元模态可知：连接齿轮箱左右箱体的连杆长度大，刚度小，变形大。1. 现有齿轮箱结构如图2-12所示图2-12改进前齿轮箱结构图Fig.2-12 The structure of gear box before improvement2. 基于ansys模态分析结果如图2-13、表2-3所示。图2-13齿轮箱结构的前三阶模态Fig.2-13 The precedingthree vibrationmodels of cutter suport structure表2-3齿轮箱仿真模态分析结果Table.2-3 The precedingthree moodalinformationof cutter suport structure阶数固有频率振型1阶模态 97.023绕着X轴扭转、左右两个箱体的转动方向相反。2阶模态112.749绕着Y轴转动，在竖直方向的变形较大3阶模态339.264绕着Y轴扭转。在竖直方向存在较大的变形。模态分析发现，连接齿轮箱左右箱体的中间连杆刚性较差，结构改进时应着重加强该处连杆强度。2.5.2齿轮箱改进方案利用5号角钢连接左右箱体，加强齿轮箱。如图2-14所示。图2-14 结构改进后齿轮箱Fig.2-14 The structure of gear box aftermodification2.5.3 仿真结果 基于ansys模态分析结果如图2-15、表2-4所示。 图2-15齿轮箱结构改进后的前三阶模态Fig.2-15 The precedingthree vibrationmodels of gear box after modification 表 2-4 齿轮箱仿真模态结果Table.2-4 The precedingthree models imformationof gear box after modification 阶数固有频率振型1阶模态180.7绕着X轴转动，此时支撑刀盘的左右两侧箱体Z方向位移较小。2阶模态308.72支撑刀盘的左右两侧箱体绕着Y轴上上下摆动，竖直方向形变为主要变形。3阶模态428.44在X方向呈波浪形在竖直方向变形,竖直方向为主要变形。2.5.4小结（1）改进结构前齿轮箱的模态分析得知：1、2阶时候齿轮箱在竖直方向变形较大，主要是连接齿轮箱左右箱体的连接杆变形。（2）结构改进后齿轮箱的模态分析发现：齿轮箱前三阶模态由97.023Hz 、112.749Hz 、339.264Hz变为180.7 Hz 、308.72 Hz、 428.44，各阶固有频率分别提高了86%、173% 、26%。2.6刀架结构改进2.6.1现有刀架图2-16 改进前刀架结构Fig.2-16 The structure of the cutter support device before modification改进前刀架结构包括：现有齿轮箱以及提升转臂（5号角钢）。如图2-16所示：2.6.2改进方案 改进后刀架结构组成：5号角钢加强的齿轮箱以及8号槽钢组成的提升转臂。如图2-17所示。图2-17刀架改进后结构Fig.2-17 The structure of cutter support device aftermodification2.6.3仿真结果 仿真结果如图2-18、表2-5所示。图2-18刀架改进结构模态Fig.2-18 The mapofmodelshape of cutter support device after modification表2-5刀架改进结构模态信息Table.2-5 The modalimfomation of cutter support device after modification阶数固有频率节点最大变形（mm）振型1阶模态29.697 0.21一阶振型，竖直方向较小变形。2阶模态34.710 1.1一阶振型，竖直方向变形较小。3阶模态64.063 0.9一阶振型，竖直方向的变形为主要变形。 刀架结构改进前后结构模态信息如表2-6所示：表2-6 刀架结构改进前后模态固频对比Table. 2-6 The comparison of the modal imformation of the structure before and after modification阶数仿真模态频率 (未改进)仿真模态频率(改进2)120.140629.697241.927634.710345.21864.063116 结构改进后各阶模态固频率均有明显提高，且节点最大变形均相应减小，故采用提高刀架刚性的方法，可相应的提升刀盘的刚性。2.6.4小结 1. 齿轮箱左右箱体连接杆被加强、提升转臂采用刚性较大的结构，模态信息对比表明：齿轮箱前三阶模态由25.789Hz 、34.336Hz 、39.95Hz变为29.697 Hz、34.710Hz、64.063Hz，结构改进后刀架刚性明显加强。 2. 提高刀架刚性可从两个方面研究：齿轮箱左右箱体中间连接杆刚度提升转臂的结构刚度。本章为后面章节甘蔗收获机试验平台研究刀架刚度对齿轮箱的振动影响做好了理论准备。2.7本章小结模态分析得到刀架前三阶主频均在50Hz以内，说明低频振动信号对刀架的影响较大；刀架模态振型图中显示，连接齿轮箱左右箱体的连杆以及提升转臂刚性较差，竖直方向形变较大，导致刀盘在竖直方向振动较大。通过本章研究发现：结构改进后的刀架相比较结构改进前的刀架的刚性明显提高了不少，说明改进方案的正确性。 广西大学专业学位硕士论文 复杂激励下甘蔗收割机刀架振动特性的试验研究第3章 甘蔗收获机主要激励源的采集与分析甘蔗收获机田间作业时受到多种振动激励影响，对刀架、刀盘振动产生一定影响，并将影响甘蔗宿根切割质量。研究发现甘蔗收获机工作中的振动激励源主要是路面激励、发动机激励以及砍蔗激励。进一步研究激励源对收获机刀架的影响，本章分析了振动激励产生原因、激励的大小以及频率，分别建立了收获机主要激励源的数学模型，为后面章节的研究做好理论准备。3.1路面振动激励源分析 3.1.1信号的频域分析以频率为轴表示出来的信号为频域信号，频域能简练的表示信号成份，深刻和方便的展现信号内部关系。路谱信号为非周期的随机信号，采用频域分析方法来确定路面激励的主要频率段以及各频率段所占的比重。频域表示的是一种数学模型。通过傅立叶转变可把时域信号变换成频域信号。傅里叶级数三角函数表示一般周期信号形式如下：（3-1）系数、分别表示为：（3-2）式中：信号的常值分量，频谱图上表示频率为零函数值；：信号的余弦信号幅值；：信号的正弦信号幅值；：信号的周期；：基频。上式相同频率的项合并同类项后可表示为：（3-3）式中：信号的幅值；：初相位。表达式如下：（3-4）根据欧拉公式：可以把傅里叶级数三角函数表达式变换成下式复数表达式：（3-5）式中系数表达式如下：（3-6）根据傅里叶级数三角函数表达式中，余弦、正弦分量幅值的表达式可得到：（3-7）上式积分项中含有复数项，在通常情况下积分结果为复数，可表示如下：（3-8）式中：:复数的实部。:复数的虚部。（3-9）（3-10）路面不平度信号属于非周期信号，具有瞬变性。在实际操作时常常是把非周期信号看成周期无穷大的信号，即周期。故此时系数可表示为：（3-11）用表示上式结果为:（3-12）该式为的函数，且一般为复数。上式表明：为单位频宽上的谐波幅值，具有“密度”的含义。称为非周期信号的的“频谱密度函数”，简称“频谱函数”。幅频谱：路谱信号幅值与频率的关系。将非周期信号看成周期无穷大的信号进行计算，通过积分变化把时域信号变化成频域信号的过程为傅里叶变换。即为信号的傅立叶变换结果。随着蔗糖产业的发展，现阶段采集蔗地路谱，应用合适的手段分析路谱信号，并引用到路谱模拟实验台这项工作显得愈发重要。 3.1.2 蔗地路面激励时域信号的频域分析课题组前期采集南宁市近郊金光农场的蔗地的路面不平度信号，并得到了路面激励信号加速度时域信号。利用MATLAB将加速度传感器测量的路面不平度加速度时域信号处理成位移时域信号，并进行快速傅里叶变化，下图为采样频率为100Hz时平地路面不平度信号的处理结果：图3-1平地100hz路面不平度信号Fig.3-1 Flat road roughness signal with the sample at 100Hz通过上图分析结果可知：振动的能量主要分布在0.3-6.5hz频带上。统计5次试验结果取平均值，分析如下表所示：表3-1平地100Hz路面不平度信号Table 3-1 Flat road roughness signal with the sample at 100Hz地形采样频率频带能量贡献最大的频率平地 100hz0.3 - 6.5 hz 1.281 hz同理，图3-2为采样频率200Hz时平地路面不平度信号；采样频率分别为100Hz，200Hz时坡地路面不平度信号的处理结果如下图所示：图3-2平地200Hz路面不平度信号图3-3坡地100Hz路面不平度信号Fig. 3-2 Flat road roughness signal with the sample at 200HzFig. 3-3Slope-lands road roughness signal with the sample at100Hz图3-4坡地200Hz路面不平度信号Fig. 3-4Slope-lands road roughness signal with the sample at200Hz 表3-2为采样频率100Hz，200Hz时平地路面不平度信号、采样频率分别为100Hz，200Hz时坡地路面不平度信号5次采集数据的处理结果平均值：表3-2频率成分Table. 3-2 Frequency component地形/采样频率频率段（Hz）主要频率（Hz）平地100Hz0.3-6.51.281平地200Hz0.664-61.328坡地100Hz0.5-6.11.109坡地200Hz0.8 -61.664从表3-2得知：蔗地路面不平度激振能量主要集中在1-6Hz，属于低频振动信号。利用梯形法求积分，将曲线与频率轴围成的面积细分为无限个小梯型，并求出各个频段的能量在总的能量中所占的比例，为后面的物理激振试验因素