履带式联合收获机驾驶台振动分析与结构优化

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近年来,随着我国农业机械化进程的不断加快,国内对联合收获机的需求量也越来越大。其中全喂入履带式联合收获机以其良好的越野性能、较低的价格以及较短的投资回收周期等优势,在国内市场上占据了很大比重,已成为主流机型。该种机型大多只配有简易的开放式驾驶台,在结构上很少进行减振设计,作业时由工作部件及地面等激励源传递至驾驶台的振动无法得到有效衰减,甚至相互叠加,引起整机的共振,使得机器的可靠性和稳定性显著降低。随着联合收获技术的日趋成熟,国内联合收获机的保有量逐年增加,消费者对联合收获机作业时的舒适性也越来越重视。由于国内在收获机舒适性方面的研究起步较晚,相关技术和经验比较缺乏,因此联合收获机的振动与噪声问题,尤其是驾驶台的振动控制问题成为亟待解决的难题。本课题基于工程实际,针对南方市场上常见的全喂入履带式联合收获机驾驶台振动大、驾驶员乘坐舒适性差等问题,以常发锋陵850型联合收获机为研究对象,基于收获机多工况振动试验,并结合有限元分析技术,从驾驶台结构和座椅悬架系统两个方面进行优化来提高该型履带式联合收获机驾驶台振动舒适性。主要研究内容如下:(1)总结了现有的关于人体全身振动测量及评价的相关标准,结合样机的结构及工作环境等因素,选择了适宜联合收获机驾驶员全身振动评价的相关标准和推荐限值,依据选择的标准,制定了联合收获机驾驶台振动测试的试验方案,并进行了多工况振动测试。(2)根据该型联合收获机各测点测得的数据进行了频域分析、舒适性评价及座椅传递特性分析。通过频域分析得出了引起收获机振动的各主要激励源激振频率。通过舒适性评价得出:该型联合收获机各个工况下的驾驶体验均处于很不舒服与极不舒服状态,其中空载怠速工况的驾驶体验最差,座椅处Z向振动对人体振动舒适性的影响远大于其它测点及方向。通过传递特性分析发现:在1~50Hz范围内,座椅传递系数几乎均大于1,说明在人体敏感的频段内,座椅的减振性能极其不好,需对座椅结构,尤其是悬架系统进行改进。(3)基于有限元分析理论,利用CAD、CAE集成软件UG建立了驾驶机罩的有限元分析模型,对驾驶机罩模型进行了有限元模态计算,求解出驾驶机罩的前6阶模态频率及振型。利用PCB力锤、三向加速度传感器及DH5902动态数据采集仪等组成的模态测试系统对驾驶机罩进行了模态试验,识别出驾驶机罩的前6阶试验模态频率、相应的振型及阻尼比,验证了有限元模型的准确性。最后通过对比驾驶机罩固有频率与收获机激励源激振频率之间的关系,证明了驾驶机罩部分产生共振的内在可能。为下一步驾驶机罩模型的优化提供了理论依据。(4)在仿真软件UG中,通过对驾驶机罩模型各部件的灵敏度分析,确定了驾驶机罩结构优化方案的自变量,最后以改变驾驶机罩一阶和三阶频率为目标,对机罩模型进行了尺寸优化分析,并对优化后的模型进行了有限元模态验证。结果表明:优化后的驾驶机罩一阶固有频率提高至15.46Hz,三阶固有频率提高至38.3Hz,均有效的避开了收获机各激振频率。(5)针对原座椅减振效果差的问题,设计了一种附有机械减振弹簧及液压阻尼器的机械减振悬架结构,运用该悬架结构对原座椅悬置系统进行了结构改进,并通过振动测试对改进结果进行了试验验证。结果表明,座椅悬置结构改进后,在公路行走及模拟收获两种典型工况下座椅垂向的传递系数几乎均在1之下,座椅处计权均方根加速度值分别降低至1.68m/s2、1.46 m/s2,相较于改进前,分别降低了28.5%和42.9%,说明了改进措施的可行性。
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