基于LMSTest_Lab的小型农业作业机振动测试与分析VIP

第 24 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 00 2008 年 5月 of 008 基于 小型农业作业机振动测试与分析 张立彬，蒋 帆，王扬渝，张 宪（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310032） 摘 要： 为分析小型农业作业机的模态振型及可靠性，应用 试系统，对 型农业作业机进行模态试验与分析，得到其固有频率、阻尼比以及相应的振型等模态参数。试验结果表明该机基频较高，而阻尼比较低，分别为 z 和不大于 说明该机具有很好的刚度。但扶手部分阻尼比仅为 为降低工作时的振动强度，应加入合适的阻尼材料；发动机和齿轮箱机械接口的振动方向与该类接口的法线方向一致，说明该类接口的连接刚度较弱，应加强接口的连接刚度，保证作业机的动力输出。 关键词 ： 试验模态分析；小型农业作业机；模态参数； 图分类号： 127 文献标识码： A 文章编号： 1002008)立彬，蒋 帆，王扬渝，等. 基于. 农业工程学报，2008，2 4(5)：100104. et of of J. of 2008,24(5)：100104. ( 0 引 言 随着中国高效设施农业的兴起，林牧业的快速发展，小型作业机（以下简称作业机）的需求日益增加1。作业机是设施农业的重要装备，一般由发动机、传动系统、机架、行走系统、作业机具以及扶手等部件组成2,3。作业机在制造、运输和工作过程中，难免受到冲击和振动。如果冲击力超过结构极限强度，或振动频率与作业机固有频率一致时产生的共振，都将导致零部件的移位或变形、疲劳损坏、焊点断裂等现象，致使设备结构参数发生变化，甚至发生破坏。因此，为提高作业机的可靠性，对其进行模态分析和研究是十分必要的。 模态分析理论及技术成熟于 20世纪 70年代初到 80年代中期，并逐步在各个工程领域内得到应用4清华大学汽车安全与节能国家重点实验室管迪华、彭会、范成建等人应用 。 2006年西安交通大学章罡本、陈刚等人应用等等。 随着人们对农业机械安全性、可靠性、舒适性要求的不断提高，农业机械振动噪声问题的研究工作也得到广泛开展。华中农业大学曾国军等人利用声强法和虚拟仪器技术识别了某型号拖拉机噪声源9。沈阳农业大学邱收稿日期： 2007 修订日期： 2008金项目：国家自然科学基金（ 50375146） ；科技部国际科技合作重点项目（ 2005；浙江省科技厅国际科技合作重大项目（ 2005 作者简介：张立彬（ 1955） ，男，教授，博士生导师，主要从事农业工程与农业机械研究。浙江省杭州市潮王路 18 号 浙江工业大学机电学院，310032。 通讯作者：张 宪（ 1954） ，男，教授级高工，主要从事农业机械及装备研究。浙江省杭州市潮王路 18 号 浙江工业大学机电学院， 310032。春、李宝筏对 1全方位深松机进行了测试分析，探讨深松机减阻节能的技术途径与方法10。江苏大学左言言、方玉莹进行了国产某中马力拖拉机发动机罩的振动测试和模态试验，分析了其振动特性，并提出相应的减振措施11。为了掌握 业机振动特性，应用 试系统对该作业机进行了整机模态试验分析，为进一步开展对作业机的设计理论研究，提高其整机动态性能提供了一种有效的试验和分析方法。 1 模态分析理论最小二乘频域法 非线性最小二乘频域法是一种对系统极点、 模态振型和模态参与因子进行整体估计的多自由度方法12,13。 试件上各测点的响应和激励之间构成频响函数矩阵 HNM ，识别模态参数时可以采用该频响函数矩阵的一行或者一列14。()是频响函数矩阵第 i 行第 j 列元素，是 Pr、函数，表示为： 1;,1|),()( = （ 1） 式中 模态频率； 极点；分别为高于、低于分析频带的模态对分析频带的“残余”影响，二者均视为实常值； N参与计算的频响函数个数，或称为参考自由度数， M激励点数目，本文中 ，即固定一个激励点，分别测取作业机上各测点的响应，使用频响函数矩阵的一列识别模态参数。 式（ 1）按极点展开为分部分式形式： 21() =+=+（ 2） 式中 共轭复数； 模态参数识别过程中的留数矩阵及其共轭矩阵； 计算模态第 5 期 张立彬等：基于 小型农业作业机振动测试与分析 101 的频率； r待识别模态参数的阶数。 式（ 2）左边是实测得到的频响函数，右边为函数模态模型。为便于进行区别，实测频响函数以 ()表示，估计频响函数以 ()ij 示，则实测频响函数与估计频响函数之间的差以式 (3)表示： () () ()ij ij p ij j = （ 3） 总方差以式（ 4）表示。 ()()= （ 4） 式中 () ()共轭复数。 进行模态参数识别时，须满足实测频响函数与估计频响函数之间在识别模态的频率范围内的总方差 小，该条件由方程组（ 5）给出。本文着重分析作业机在0 1500 率范围内的振动特性。 100= =# （ 5） 式中 待识别的第 n 阶模态参数。 方程组（ 5）是未知量的高度非线性方程，可通过迭代法围绕一个带未知数初始值的模态模型，作为一个线性问题（一阶级数展式）来求解。由方程组（ 5）估算出未知参数，进而识别出作业机的模态参数，并且使总误差最小。 2 作业机模态试验 试验对象 本次试验对象为国内某企业生产的 业机（以下简称试验机） ，如图 1 所示。 图 1 业机 机采用齿轮、蜗轮蜗杆等刚性传动元件进行动力传递，由传动齿轮箱作为整机结构的基础，与发动机、行走系统、作业部件和扶手进行刚性连接，具有旋耕、起垄、植保等功能。其主要性能参数如表 1。 表 1 试验机主要性能参数 of 称 参 数 耕幅宽度 /00 刀辊回转半径 /25 刀辊转速 /r动机功率 /动机转速 /r机质量 /6 外形尺寸 /000 600 720 试验方案 试验采用弹簧绳将试验机按耕作姿态悬挂在支承架上，逼近自由边界状态。悬挂点为试验机的结构节点，从而使其对结构的最低弯曲模态影响最小。试验采用锤击响应分析法进行，为了增加激励信号频带宽度和锤击力，充分激励试验机的各阶模态，试验中使用加重的锤头和钢制锤击帽。试验系统方案如图 2所示。 图 2 试验系统方案 of 试验机上布置测点的分布为发动机上 17个、油箱上 3个、齿轮箱上 16个、扶手上 9个，扶手连接杆上 4个，行走系统上 28个，作业机具上 16个，其他零件上 22个，共 115个测点。图 3为试验时试验机上的测点布置情况。 图 3 测点布置线架图 on 验使用的设备见表 2，传感器均采用单向加速度传感器。所用力锤中装有力传感器，各传感器信号通过多通道数据采集器送入计算机进行数据处理。处理过程中，对试验对象做如下假设：由于试验环境是不变的，假设对结构系统任一组非同时作用的激励的响应都可以线性叠加，而且试验系统是定常和可观测的。为消除噪声的影响 , 提高信噪比，测量每个测点的响应信号时 , 敲 102 农业工程学报 2008 年 击激振点 5次 , 并求其平均值。 表 2 试验设备 of 备名 型号 性能参数 计算机 多通道数据采集器 4通道 试验模态分析系统 率带宽 0 1500 33敏度 99.6 mV/g 力传感器 B&K 208敏度 力锤 086试验采用 输入多输出 )方法进行数据的采集；其中输入点为固定激振点，力锤对激振点进行敲击；由于试验机工作时，主要振源为作业机具和发动机，其中作业机具的影响最大，所以本次试验的激振点位置为作业机具，拾振点为分布在试验机不同位置的 115个测点，拾取经敲击产生的振动衰减信号。 3 测试数据与分析 试验数据 利用 试系统中的 块对所测数据进行分析处理，试验机模态分析稳态图如图 4 所示。图中曲线是各测点集总频响函数，模态参数由集总频响函数识别得出。在图中虚线标注各列所对应的频率视为真实模态，从左到右按频率高低顺序识别出试验机整机的低阶模态和高阶模态。识别的不同阶数的模态参数，如表 3 所示。图 5 为通过测试获得的一阶振型图，其他振型的描述见表 4。 注：图中标注 O 表示未找到极点； V 表示频率和模态参与因子稳定； S 表示 3 种参数在给定的精度范围之内全部稳定 图 4 试验机模态分析稳态图 of of 5 一阶振型 3 各阶固有频率及阻尼比 态阶数 固有频率 /尼比 /% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4 不同阶数模态的振型 态阶数 振动部位 振动特征 1 扶手 2 过滤器 /油箱 3 齿轮箱 4 发动机 、 5 发动机 6 发动机 X、 7 发动机 8 发动机 /扶手 轴 9 齿轮箱 /发动 10 发动机 X、 试验精度 模态判定 根据模态判定准则，模态置信判据 (称 以判断真实模态、虚假模态以及各阶计算模态之间的相关性，检验试验结果。两个模态振型向量 间的 定义为： 2, )=（ 6） 如果 基于同一个物理振型的估计，应接近 1；如果 两个不同的真实物理模态且两模态存在正交关系，则 应该趋于015。 一般采用矩阵形式表示，以下是本次试验所获得的前 10 阶模态参数的 矩阵（） ： 55 64 05 91 27 02 矩阵表明：除对角线外的 外，最高第 5 期 张立彬等：基于 小型农业作业机振动测试与分析 103 值为 最低仅为 接近 0，说明试验所得数据较为准确可靠，模态识别精度较高。 频响函数拟合 频响函数拟合是验证模态识别结果的有效方式之一，各测点的实测频响函数和由模态参数计算的频响函数之间的拟合情况，可以反映模态参数识别的精度。图 6所示为试验机测点 11 的频响函数拟合情况。图 6 中粗实线所示为实测频响函数的幅频曲线和相频曲线，细实线所示为由识别出的模态参数计算的拟合频响函数，从图 6中可以看出，在中低频部分两者拟合情况较好，表明本次试验在中低频部分所得试验数据较准确地反映了试验机的模态特征。但是由于试验机结构较复杂，具有一定的非线性特征，两频响函数波峰拟合情况等不甚理想，有待改进，以进一步提高试验的精度。 图 6 频响拟合曲线 结 论 1）试验机基频较高，阻尼比较低，分别为 说明该机具有很好的刚度。 2）由于扶手处阻尼比仅为 工作时，手感振动将较为强烈，应该在扶手和扶手支撑杆间加入合适的阻尼材料，在保证不发生共振的同时，降低扶手处的振动强度，提高操作的舒适性。 3）根据试验机试验模态测试， 3 阶以上振型主要表现在发动机和齿轮箱振动，除了沿 Z 轴上下跳动以外，大多数表现在沿 X 方向的位移，与发动机和齿轮箱机械接口的法线方向一致，说明该接口的连接刚度较弱，而此接口是整机的动力输入接口，所以在后续的改进设计中应予以加强。 参 考 文 献 1 张立彬，叶永伟，蒋建东，等基于可重构模块化的小型农业作业机方案设计 J农业机械学报， 2005， 36(4)： 78 81 2 应义斌，张立彬，董美对，等手扶拖拉机手把减振装置的研究 J农业工程学报， 1994， 10(4)： 74 79 3 蒋建东，叶永伟，张 宪，等基于 型农业作业机的可重构设计 J农业机械学报， 2006， 37(6)： 32 35 4 沃德海伦，斯帝夫拉门兹，波尔撒斯模态分析理 论与试验 M北京：北京理工大学出版社， 2001 5 傅志方振动模态分析与参数辨识 M北京：机械工业出版社， 1991 6 J2005， 18(2)： 294 296 7 管迪华， 彭 会， 范成建 轮胎模态试验分析的研究 J 汽车工程， 2005 27(6)： 691 695 8 章罡本，陈 刚，彭学院，等基于 压缩机管道振动测试与分析 J压缩机技术， 2006， (5)： 5 7 9 曾国军，李小昱，王 为，等基于虚拟仪器技术的声强法识别拖拉机噪声源 J农业工程学报， 2006， 22(10)：117 121 10 邱立春，李宝筏自激振动深松机减阻试验研究 J农业工程学报， 2000， 16(6)： 72 76 11 左言言， 方玉莹 中马力拖拉机发动机罩的减振研究 J 农业工程学报， 2003，