基于动态性能的小型甘蔗收割机砍蔗刀盘结构优化

【摘 要】小型甘蔗收割机砍蔗刀盘的振动是影响甘蔗宿根破头率的主要因素。引起砍蔗刀盘振动的因素很多，从提高砍蔗刀盘本身的动态性能的角度出发是解决砍蔗刀盘振动的可行方法。基于ANSYS参数设计语言建立了砍蔗刀盘参数化模型，并以砍蔗刀盘的固有频率作为约束条件，对砍蔗刀盘的结构参数进行了优化，提高了结构的动态性能，为砍蔗刀盘是设计提供了指导，对小型甘蔗收割机的设计具有重要的意义。

【关键词】小型甘蔗收割机；砍蔗刀盘；动态性能；结构优化

1 引言

甘蔗是多年生宿根植物，目前国内的甘蔗收割机械普遍存在甘蔗宿根破头率较高的问题，严重影响甘蔗来年的发芽率。当切割器旋转速度和收割机前进速度都处于理想状态时，宿根破头率的主要影响因素是切割器刀盘的振动。引起刀盘振动的因素既有路面和柴油机等外部激励作用，也和刀盘自身高速旋转有关，并且在切割甘蔗时受到冲击载荷也会引起振动。因此，我们不可能一个个消除引起振动的因素，可行的方法是提高刀盘自身的动态性能。

本文对已生产出样机的小型甘蔗收割机的砍蔗刀盘的结构参数，基于APDL进行了优化设计。区别与常见的以最大应变或应力做约束条件的优化，本文的优化以刀盘的前3阶固有频率作为约束条件，并取得了良好的效果，为砍蔗刀盘的设计提供了指导，对小型甘蔗收割机的设计具有重要意义。

2 砍蔗刀盘参数化模型的建立

砍蔗刀盘上安装有间隔90°角的四个刀片，并和转轴组成切割器。采用自底向上的建模方式，建模时，简化掉四个刀片，并以位移约束代替转轴上联轴器，得到最简模型，如图1所示。砍蔗刀盘的的半径与切割系统半径及刀片的悬伸长度有关，为不考虑优化的参数，取为195 mm，厚度H1=8mm；加强盘半径为R，直接影响刀盘的动态性能，为待优化参数，取为95mm，厚度H2=15mm。

砍蔗刀盘的模型有ANSYS参数化设计语言（APDL）建立，为方便施加联轴器对转轴的位移约束，用ASBW命令将转轴的外圆柱面分为两个面。

3 砍蔗刀盘的模态分析

考虑到后续的参数优化，选取ANSYS优化模块支持的solid92号单元和Block Lanczos模态提取方法。由于影响系统动态性能的是前面几阶低频模态，所以提取前砍蔗刀盘的前5阶固有频率，如表1所示。

砍蔗刀盘的第1、2阶振型是绕X轴和Y轴的倾斜偏转变形，第3阶是四周翘起的弯曲变形，第4、5阶是很大的前后或左右的弯曲变形。这些都对甘蔗宿根切割质量造成很大影响。

此外，柴油机的工作频率为36.43HZ，刀盘的工作转速为900r/min，频率为15HZ。砍蔗刀盘的前5阶固有频率虽然避开了柴油接的工作频率，但和刀盘的工作频率都很接近，亟待提高。

4 砍蔗刀盘的结构优化

结构优化的基本思想是以最少的材料获得最好的结构性能。常见的结构优化以结构的静态性能为约束，有以最大节点位移的[7]，也有以综合应力或特征应力的[8]，很少有以反应系统动态性能的固有频率作为约束的。

5 结论

以系统的动态性能作为约束，对砍蔗刀盘进行了结构优化设计。优化后刀盘的前5阶固有频率均有提高，说明刀盘的动态性能得到了改善。此外，刀盘的前5节固有频率差值也得到了扩大，这有利于减少刀盘工作时越过共振区。

参考文献：

[1] 林茂，符新，冯活伦等.甘蔗切割器研究现状机展望[J].中国农机化，2011，（2）：16～19.

[2] 王汝贵.甘蔗收割机圆盘式切割器工作参数优化研究[D].南宁：广西大学硕士论文，2004.

[3] 向家伟，杨连发，李尚平.小型甘蔗收割机根部切割器结构设计[J].农业机械学报，2008，4（39）：56～59.

[4] 杨家军，刘锋，刘喜云.甘蔗收获机切割器的动态设计[J].机械科学与技术，2000，19（6）：923～924，926.

[5] 孙德鹏，蒲明辉，万佳等.模态综合法和ANSYS在甘蔗收割机切割系统上的应用[D].农机化研究，2008，（3）：171～174.

[6] 童卫华，姜节胜，廖巍.基于可靠性分析机频率约束的结构优化[J].机械科学与技术，1997，4（16）：581～584.

[7] 项忠珂，李尚平，唐满宾.基于有限元的加工中心工作台的仿生优化[J].组合机床与自动加工技术，2010，（11）：100～103.

[8] 胡迎春，陈树勋，李尚平.基于全局协调的甘蔗收割机多学科优化设计研究[J].中国机械工程，2007，18（11）：1355～1358.

作者简介：

项菲菲（1988-），女，汉族，江西丰城人，讲师，硕士，研究方向： 结构优化设计

项忠珂（1984-），男，汉族，江西上饶人，讲师，硕士，研究方向：计算机仿真

基金项目：

江西科技学院自然科学研究项目（编号：ZR12YB04）