【新闻】往复式切割器的振动稳态响应分析和减振设计单晶硅片

切割器是收割机上的重要部件，常用的切割器有

回转式和往复式切割器两种基本类型。其中，往复式

切割器结构简单，工作可靠，能适应一般或较高作业

速度的要求，在稻麦收割机上应用最为广泛。

往复式切割器的切割性能与茎秆的物理机械性

质、割刀特性、切割方式和切割速度等有关，切割速度

越高,切割阻力越小，切割性能越好。但随着切割速

度的增大，割刀产生的惯性冲击和振动增大，割刀惯

性力周期变化，使切割器受到非简谐的激励作用，当

激励频率与系统固有频率相等时，机器产生剧烈振动，引起零部件磨损，甚至产生脆性断裂，从而影响机

器的使用寿命和工作质量。对往复式切割器的惯性冲击和振动进行研究，利用叠加原理对切割器振动系

统稳态响应进行求解，了解切割器的临界速率，对正

确使用切割器和提高其工作质量具有重要意义。

1切割器结构

1.1切割器的组成

切割器一般由动刀片、定刀片、护刃器、压刃器、

摩擦片和刀杆等组成，如图1所示。定刀片铆合在护

刃器上，动刀片铆合在刀杆上，动刀片两侧有光刃或

齿刃。切割时，护刃器上舌和定刀片提供双支承，动

刀做往复直线运动对作物茎秆进行剪切0。

基金项目：2012年南通市科技创新计划项目（HL2010016)

作者简介：严帅（1969-),男，江苏南通人，副教授，硕士，（E-mail)

5.动刀片6.定刀片7.护刃器

图1切割器结构

1.2往复式切割器的传动机构

往复式切割器传动机构用于将回转运动变为往

复直线运动。常用的往复式切割器传动机构有曲柄连杆机构、摆杆机构和行星齿轮机构。

1.2.1曲柄连杆传动机构

1.2.2摆环机构

摆环机构结构紧凑，工作可靠，但成本较高，如图

3所示。

1.2.3行星齿轮机构

行星齿轮机构如图4所示。曲柄轴的长度等于

行星齿轮的分度圆半径，行星齿轮的节圆半径是齿圈

2振动分析基础

2.1激励与响应

一个实际振动系统在外界激励F(t)的作用下会

呈现一定的振动效应。激励是系统的输入，响应X(t)就是系统的输出，二者由系统的振动特性联系在一

起。实际振动系统关系如图5所示。

激励

响应

输入

输出

k和理想的阻尼。等3个基本元件组成。图6是常见

的单自由度系统模型0。

以质量元件m为研究对象，取其分离体，画受力图

如图7所示。F(t)为外部激励,Fs(t)为弹簧作用力,Fd(t)为阻尼力。

2.3线性振动系统叠加原理

(t)分别激励出响应

和X2

(t),根据线性振动系统微分方程有

式(2)和式(3)相加得

2.2振动系统微分方程

2.2.1振动系统力学模型

振动系统力学模型由理想的质量m、理想的弹簧

根据式(4)得线性系统的叠加原理，即几个激励产

生的总响应是各响应函数的总和。

3切割器的振动分析bookmark6

3.1切割器力学模型

曲柄连杆切割器工作时，割刀不平衡的往复直线

运动产生惯性冲击，使系统产生振动。切割器由多个

零件组成,其简化力学模型如图8所示。

质量Mb的惯性力为

切割器系统总惯性力为

设切割器系统的质量为M,刚度为K则切割器系

统的运动微分方程为

对于线性系统,采用叠加原理，得到切割器的系统

稳态响应为

3.2切割器稳态响应

用质量代换法将连杆的质量用两个质量来代替：

第1个质量M1位于曲柄销处，同曲柄销做圆周运动；

第2个M2位于割刀处，同割刀做往复运动&]。运动

中所有不平衡质量可以简化到A和B两点，分别用质

量兄和札表示，设割刀质量为Md,曲柄销质量为Mq,则旋转质量Ma=其产生的惯性力为

旋转质量惯性力在水平方向的分量为

质量Mb做往复直线运动，其往复运动几何关系为

12wt(10)根据麦克劳林展开得r246cosa=1

4切割器减振设计bookmark7

曲柄连杆切割器由于动刀的往复运动产生惯性

力和冲击载荷，惯性力转化到曲柄销上，可以分解为

径向力合切向力。径向力引起机架振动，影响切割器

寿命;切向力引起曲柄上的扭矩交替变化，影响切割

性能6_9]。因此，必须对切割器的惯性力进行平衡，对

系统进行减振设计。

对切割器惯性力的平衡，可在曲柄对面加配重

Mp,利用Mp的旋转惯性力来平衡。前面提到可用质

量代换法解决连杆的惯性力，为此假设连杆1/3质量

随曲柄销做圆周运动，2/3质量随割刀做往复运

动E0_11。加配重后系统受力如图9所示。

在曲柄连杆切割器传动机构中，连杆的长度通常

要比曲柄半径大好几倍，因此。根据稳态响应解可以看出，

当曲柄转动速率与系统固有频率相等或曲柄转动频率为系统固有频率50%时，系统产生共振，所以应避

免工作在这两个临界速率。

提出往复式切割器的惯性力平衡方法，根据惯

性力平衡方法对切割器进行减振设计，可有效地减轻

切割器的振动，提高切割器的工作可靠性。

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