马铃薯收获机机架的模态分析与试验研究

一、研究背景及意义

        随着水资源与耕种面积的日益减少，致使粮食安全存在着较大的隐患，马铃薯以高产、抗旱等特点逐渐成为了支撑农业发展的经济型作物，同时马铃薯的机械化收获也得到了迅速的发展。马铃薯收获机机架作为整个收获机械的基本载体，在其作业过程中承受着较强的振动载荷，而机架的振动强度可能超出机架承受能力，影响整机的工作性能，可靠性，及使用寿命。因此开展对机架的模态分析，利用DASP 软件进行模态试验加以对比和验证，通过分析作业激励频率与固有频率对机架进行优化，对改善整机的工作性能具有重要意义。

二、机架模态有限元计算及优化

        2.1 机架模态分析

              本机架主要由Q235钣金与方钢焊接构成，总体尺寸长为1500mm，宽为1100mm。其三维模型如下图1所示。

1.前梁 2.后梁 3.变速箱台 4.刀架 5.侧板

图1 机架三维模型示意图

        通常低阶模态分析最能反映系统的固有特性，模态阶数越高对系统影响越小，现对第四、五、六阶弹性模态进行计算与分析（前3阶为刚体模态），将机架的有限元模型在ANSYS 软件中利用 Block Lanczo 模态提取法进行计算，得出第四到六阶弹性模态的固有频率与振型图，如图2所示。

图2 第四~六阶弹性模态分析结果

2.2 机架的优化分析

由上述可知，收获机在工作时易发生共振现象，在保证机架质量、幅度变化不大的前提下对机架进行优化，优化方案如下：（1）机架的前梁与后梁结构和材料优化。（2）在机架两侧板之间焊接一个钢管，钢管连接两侧板，材料选用45#钢。

将优化改进后的机架进行模态分析，得到第四到六阶的固有频率和振型图，如图3所示。与未优化的第四阶、第五阶频率相比分别增加了75.672Hz、260.606Hz，第四阶、第五阶固有频率达到了111.842Hz、310.596Hz。

图3 机架优化后第四~六阶弹性模态分析结果

三、机架模态试验验证

3.1 测试系统组成

测试系统的组成主要有：试验力锤、加速度传感器、DASP 测试平台（包括INV3062C数据采集仪、DASP V11工程版平台、基本模态分析软件及PolyLSCF模态分析软件等）、计算机、配附件。机架模态试验测试系统试验现场如图4所示。

图4 机架模态试验测试系统试验现场

3.2 测试方案

此次实验共布置测点26个，由于现有传感器有限（共8个），所以要分4组进行测量，并对试验机架规定好坐标位置，如图5所示。

图5 机架模态试验模型

3.3 信号采集及模态分析

在信号采集之前要对机架的试验工况选取合适的采样频率，采样频率选为10.24kHz，变时倍数为4，每次采样点数为4096点，每个被测点分别激励三次，总的激振次数所对应的谐响应函数，如图6所示。

图6 谐响应函数图

选取DASP软件中的PolySLCF方法进行分析，分析过程只选取第四到六阶的模态振型与阻尼，实验模态分析结果，如表1所示。

表1 试验模态频率与阻尼比

3.4 试验模态置信度判据

对机架试验模态振型的相关性进行分析，所得MAC矩阵模态置信判据如图6所示。由图7可知，该模态分析结果与模态振型矩阵的验证趋于一致，则表明模态分析结果与理想情况相吻合。

图7 模态置信判据图

四、理论结果与试验结果对比分析

通过有限元的模态分析（优化后）和试验模态对比得出的数据，如表 2 所示。

表2 理论与试验模态对比

通过对理论模态和试验模态相同阶次的频率进行对比和分析，可知理论模态与试验模态的固有频率误差均小于 5%，证明两者模态振型相关且可靠性较强。

五、结论

（1）通过对马铃薯收获机架的三维建模与理论分析，可知未优化前机架的第四、五、六阶固有频率为：36.17Hz、49.99Hz、129.212Hz；

（2）对优化后的机架选取同阶次的固有频率，则频率值分别为：118.42Hz、310.596Hz、390.412Hz；

（3）利用DASP模态测试系统对机架进行了模态分析试验，理论模态与试验模态误差值小于 5%，证明了理论模态分析的准确性；

（4）通过结构优化有效的避免了共振的发生，可为今后马铃薯收获机机架的制造和工作安全性提供理论依据。

参考文献：郭新峰, 王卫兵, 郭世鲁，陈邵杰. 马铃薯收获机机架的模态分析与试验研究[J]. 机械设计与制造，2018: 154-157.