烟叶分拣装置机架振动特性分析及优化

吴雪梅，潘东彪，李　绪，张富贵，何厚龙

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025; 2.贵州省烟草公司黔西南州公司，贵州 黔西南 562400)



烟叶分拣装置机架振动特性分析及优化

吴雪梅1*，潘东彪1，李绪1，张富贵1，何厚龙2

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025; 2.贵州省烟草公司黔西南州公司，贵州 黔西南 562400)

为分析烟叶分拣装置中机架的振动特性，利用Workbench软件对机架进行了模态分析，提取了1～4阶机架固有频率和振型，以提高低阶固有频率和降低低阶振型模态位移为目标，优化了机架结构。仿真结果表明：支架梁的壁厚由3 mm增至5 mm，分拣装置的1阶模态固有频率由55.179Hz提高到66.641Hz，机架1阶振型位移由155.95 mm下降至109.1 mm，2阶横振型位移由176.53 mm下降至146.73 mm，提高了机架低阶固有频率，降低了低阶振型位移。该研究为烟叶分拣装置的减振设计提供了参考。

烟叶分拣装置；机架；模态分析；振动；优化；固有频率；振型位移

对烤烟烟叶实行机器自动分级，是烟叶生产机械化的重要环节，也是目前的烟叶分级相关领域研究的空白点[1]。目前对烤烟烟叶的分级主要是人工分级。分级工眼看，鼻闻，手摸等分级方式经常出现混色、杂色等现象，为后续烟站收购烟厂带来许多压力[2-5]。所以亟需依靠计算机视觉自动分级系统代替当前烟叶的人工分级以实现对烟叶的自动分级[6-11]。目前基于图像处理的烟叶自动分级研究主要集中在软件方面，烟叶自动分级的硬件部分研究较少。烟叶等级确定后需要人工将烟叶放入指定的烟叶收集箱内，需耗费一定的人力。基于此本课题组设计了一套烟叶分拣装置[12]，以期实现烟叶等级确定后的自动分拣。

机架作为烟叶分拣机构的主要支撑部件，主要承受电机引起的振动冲击，当电机振动频率接近机架固有频率时，将引起共振加速机架失效，影响机架结构动态特性与可靠性[13]。本文针对烟叶分拣装置由振动引起机架晃动、开裂等由共振引起的问题，分析研究机架模态振动特性，通过参数优化，使机架设计更为合理，避免与电机的固有频率重合。

1　烟叶分拣装置介绍

烟叶分拣装置主要由传送带、电机、机架、毛刷滚筒、毛刷轴、烟叶收集箱等部件组成，装置的三维模型如图1所示。

1.传送带 2.电机 3.毛刷滚筒 4.毛刷轴 5.机架 6.烟叶收集箱 7.烟叶图1　烟叶分拣装置示意图

如图1中所示传送带上的烟叶经过烟叶图像采集工序确定烟叶的等级后，由传送带运送至烟叶分拣工位，相应烟叶分拣机架上的电机通过链条带动毛刷轴和毛刷滚筒正反转将烟叶刷到指定的烟叶收集箱内。

2　有限元建模与分析

国家烟叶分级标准中规定烟叶分为上、中、下三个部位，其中中部和下部烟分为8个等级。上部烟为11个等级。所以整套烟分拣装置由6套独立的烟叶分拣机架构成。考虑到实际烟叶分级中，有些质量较好，等级较高的烟叶数量一般较少或者没有，所以为了适应烟站实际的分级需求，每套机架均独立固定地面，方便烟站可以根据当地历年烤烟烟叶的统计情况，增加或者减少机架的数量。

2.1机架模型

烟叶分拣装置机架主要由纵梁、横梁、毛刷轴支撑板等组成，其中横梁2和横梁3与纵梁通过焊接固定，横梁1与纵梁通过螺栓连接。毛刷轴支撑板与横梁1通过螺栓连接。横梁1截面尺寸如图2(b)所示，纵梁、横梁2和横梁3截面尺寸如图2(c)所示。

1.轴支撑板2.横梁1 3.纵梁 4.横梁2 5.横梁3图2　机架的三维几何模型及横、纵梁截面尺寸

2.2机架有限元模型

机架材料选为Q235，材料属性参数如表1所示。

表1　机架材料特性参数

有限元模型的复杂程度、网格数目、单元类型、网格质量等因素直接影响模型的计算速度、计算结果，所以考虑影响模型精度的关键因素进行几何清理，机架有限元建模假设为：1)忽略机架结构中直径较小的工艺孔，将过渡圆角和倒圆角等效为直角；2)将模型中非重点部位的螺栓孔忽略。建立机架有限元模型如图3所示。

图3　机架的有限元几何模型

3　模态分析

3.1模态理论分析

模态是机械结构的固有振动特性，结构的每一阶段的模态都具有各自唯一的固有频率、阻尼比以及相应的模态振形，结构的模态参数是由其本身的固有特性和材料的固有特性所决定[14]。根据达朗贝尔原理，结构振动的一般微分方程可描述为：

(1)

式(1)中：M为振动系统的质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F为系统所受的外界激励；x为结构振动的位移向量。

烟叶分级机架的固有频率可通过分析结构在无载荷的情况下的动态响应获得，即外界激励F=0，对于烟叶分拣装置的机架而言，整个系统为欠阻尼，即C=0，此时式(1)可简化为：

(2)

方程解的一般形式为：

x=ψejwt

(3)

将式(3)代入式(2)得到：

Kψ=λMψ

(4)

式(4)中：λ为系统的特征值；ψ为特征值对应的特征向量；j为虚数单位；ω为系统固有频率，Hz;t为时间，s；且满足λ=ω2即可获得模态分析中的特征值；K为整体刚度矩阵；M为整体质量矩阵。

3.2机架模态结果分析

图4　机架1-4阶振形图

由图4可知，机架前4阶模态固有频率集中在55～161 Hz之间。其中机架1阶模态振形主要以机架上部沿x轴水平横摆；机架2阶模态振形主要以机架上部沿y轴水平横摆；机架3阶模态振形主要以机架上部沿z轴水平横摆和毛刷轴支撑板的扭曲变形；机架4阶模态振形主要是毛刷轴支撑板的扭曲变形。

4　机架结构优化及分析

4.1机架结构优化分析

依据烟叶分拣装置的工作需求，选取55SL006型伺服电机，该伺服电机的频率为50 Hz[15]。机架的1阶模态的固有频率与之接近，需要对机架结构优化，使机架的固有频率与电机的固有频率差值较大，尽量降低由共振引起的振动。

由图4得知，机架的主要振形为扭转和毛刷轴支撑板的扭曲，而板强迫振动时的固有频率为[16]：

(5)

式中：k为刚度系数，N/m；m为质量，kg；a、b为矩形边长，mm；h为厚度，mm；ρ为密度，Kg/m3；E为弹性模量，MPa；μ为泊松比。

由式(5)可知，改变机架支撑部件的厚度可改变机架固有频率(具体改变见表2)。考虑到机架1阶固有频率与伺服电机频率向接近，所以机架优

化目标函数主要是提高机架1阶固有频率。

表2　烟叶分拣装置机架结构改进

4.2优化后机架动态特性分析

图5　优化前后结果比较

由图5(a)可知，机架壁厚为5 mm时，机架频率集中在66～114 Hz,其中机架的1阶固有频率为66.334 Hz，较机架壁厚为3 mm时的1阶固有频率已提高，同时远离了由电机引起的激励，由图5(b)可知，随着壁厚的增加，模态振型位移幅值降低。符合式(5)中固有频率与机架厚度的关系，即随着机架厚度增加，机架固有频率提高。

5　结论

基于模态分析的方法，对烟叶分拣装置机架的振动特性做了研究，通过模态分析软件优化了烟叶分拣装置的机架。本文研究结论如下：

(1)低阶的摆动和扭转是机架产生振动的主要原因，是引起机架开裂的主要因素。其中1阶固有频率与电机激励频率接近，容易引起共振。

(2)随着机架壁厚增加，机架模态固有频率相应增加，低阶频率变化较为明显。

(3)以提高低阶固有频率为目标，优化机架厚度后，其1阶固有频率从55.179 Hz提高到66.641 Hz，远离电机的激励频率。优化后的机架1阶横摆位移由155.95 mm下降至109.1 mm，2阶横摆位移由176.53 mm下降至146.73 mm,降低了机架的振动幅值。

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(责任编辑：曾晶)

Analysis and Optimization of the Frame Vibration Characteristics of the Tobacco Sorting Device

WU Xuemei1*,PAN Dongbiao1, LI Xu1, ZHANG Fugui1, HE Houlong2

(1. College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China ;2. Qianxinan Branch of Guizhou Provincial Tobacco Corporation, Xingyi 562400, China)

In order to get the vibration characteristics of tobacco sorting device frame, the model state of the device was analyzed by using the Workbench software. The inherent frequency and vibration model of the frame was extracted for improving its construction based on the aim of increasing the low-order natural frequency and reducing the low-order modal displacement. Simulation results indicated that if the thickness of the frame was added up from 3mm to 5mm, the first-order modal natural frequencies of the device increased from 55.179 Hz to 66.641 Hz, the first-order modal displacement of the frame dropped from 155.95mm to 109.1mm, and the second order transverse modes displacement dropped to 146.73mm from 176.53mm.The natural frequency of the frame was increased and the vibration amplitude was reduced. The study provides a reference to vibration reduction design of tobacco sorting device.

tobacco sorting device; frame; modal analysis; vibration; optimize; natural frequency; mode displacement

A

1000-5269(2016)03-0027-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.08

2016-01-29

贵州省科技重大专项课题(黔科合重大专项字[2014]6015-6号)；贵州大学引进人才科研项目(贵大人基合字(2013)38号)；贵州大学研究生创新基金(研理工2015024)联合资助

吴雪梅(1975-)，女，副教授，博士，研究方向：机器视觉技术在农业工程中的应用，Email:xm_wu@163.com。

吴雪梅，Email：xm_wu@163.com.

S226.9