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《中国农业大学》 2018年
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复杂激励下玉米收获机框架结构振动特性与模态参数辨识方法研究

姚艳春  
【摘要】:玉米收获机田间收获作业时振动剧烈,恶劣的振动环境不仅易导致整机及关键零部件疲劳破坏并引发故障,而且造成玉米收获损失、损害驾驶员身心健康,此外也影响收获作业的准确度和作业效率,因此,与国外同类产品相比,振动和噪声问题已日益成为制约我国收获机械在高可靠性和舒适性等性能提升的瓶颈。在土壤-机器-植物-环境相互作用的农田复杂激励下,暴露于振动环境下的玉米收获机焊接框架(车架、割台等)结构常出现焊缝开裂、螺栓孔撕裂、螺栓弯曲断裂、结构变形较大等故障,仅依靠振动建模或理论模态分析的传统做法,难以准确真实地获取复杂激励下玉米收获机械的振动特性和模态参数,因此,研究复杂作业环境激励下基于实测数据的振动特性和模态参数辨识方法对振动抑制和优化设计具有重要作用。目前,基于实测田间试验数据的振动特性、模态参数辨识和试验验证方法正逐渐引起研究人员的关注。本文为了更加真实有效、准确地获取收获机械焊接框架结构在复杂农田环境激励下的振动特性和模态参数,结合理论分析和数值模拟方法,搭建了振动模态测试系统,研究了收获作业状态下的振动特性,提出了一种考虑质量时变的收获机械工作模态参数辨识方法。论文基于工程实际问题出发,围绕振动特性和模态参数辨识展开研究,主要研究工作如下:(1)针对无悬架减振措施的玉米收获机械(各工作部件与车架刚性连接),建立了车架-车轮2自由度的垂向振动模型,利用解析方法从振动微分方程中获得固有频率及模态振型,并推导了模态坐标下的振动微分方程;以某国产4YZP-3XH小三行玉米收获机为试验对象,搭建了由NI USB-6216信号采集卡、恒流源调理模块、开关稳压电源及放大器等硬件测试系统,并利用LabWindows/CVI交互式C语言编写了振动测试采集程序,有效地进行收获机械车架结构的振动测试,利用田间振动试验与共振分析方法,确定了玉米收获机的共振频率,验证了理论建模数值结果,表明理论建模和固有频率计算具有较高精度。(2)推导了时域的特征实现ERA算法和频域的最小二乘复指数Poly Max算法的理论,研究了基于多点激励、多点响应(MIMO)的玉米收获机械割台框架结构的模态试验方法,基于激励和振动响应数据,利用ERA和PolyMax算法辨识了割台框架的模态参数,并校验了模态参数辨识结果的相关性,比较了 2种算法辨识模态参数结果的差异性;进一步,利用模态试验验证了有限元自由模态的计算结果,在此基础上计算获取了更符合实际作业情况的约束模态;最后,研究了割台框架振动测试方案并搭建了测试系统,获取了不同作业工况的振动时域特性和振动频率分布,指出了割台框架在田间作业的振动频率与约束模态振型之间的对应规律。(3)复杂农田环境激励下,田间收获作业时外界激励难以准确获取,结合收获机械框架结构特征、空间布置等特点,通过级联多台测试采集仪器设备,搭建了一套可实现各采样通道响应信号相位同步的振动测试系统,解决了由相位信息不同步而造成模态参数辨识混乱的问题。研究了工作模态试验中土壤-作物等外界环境参数的测试方法,在此基础上完成了考虑收获质量时变的工作模态测试,提出了一种基于质量时变影响的收获机械运行环境下的工作模态分析方法和试验技术,仅利用田间收获作业下的振动响应数据,基于时域SSI和频域EFDD算法辨识了质量时变下的收获机械车架振动模态参数(固有频率、阻尼比和模态振型),并进一步研究分析了的收获机械振型和工作变形特征规律。此外,利用快速傅里叶变换(FFT)方法、SSI及EFDD方法确定了收获机械在田间收获状态下的振动频率,并说明了其结果可信性。(4)针对收获机械框架焊合结构(车架、割台)焊点连接关系复杂的特征,不同焊点模型将引起振动模态等数值模拟精度差异问题,以提高框架结构建模准确性与计算精度为目标,给出了 Rbe2、RBAR、CWELD和ACM2等4种焊点模型数学描述和理论建模,分别建立了不同焊点模型的有限元模型,并设计静态应变试验验证了数值模拟模型,提出了一种基于应力-应变及振动模态计算模式的不同焊点模型的适用性分析和模型优选方法,在此基础上给出了应力-应变模式和振动模态模式适用性准则,研究了不同焊点模型对收获机械框架焊合结构的数值模拟精度影响规律。(5)针对收获机械框架结构出现焊缝开裂、螺栓孔撕裂等疲劳破坏问题,以玉米收获机车架为例,研究了整机田间作业的振动特性,分析了框架结构壁厚、刚度对振动频率影响规律,并建立了框架结构的拓扑优化数学描述及优化模型,以提高一阶振动频率(基频)为优化目标,提出了以振动抑制为目标的收获机械框架结构优化设计方法,提高了车架一阶振动频率,降低了模态位移变形,提高了车架的可靠性。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S225.51

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【参考文献】
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