柴油機中曲軸的振動對簡易打麻機的影響分析

朱炯光 郭克君

摘要： 滾筒式打麻輥是簡易苧麻剝麻機的核心部件，由柴油機驅動，主要作用是將喂入的苧麻條麻骨打碎。柴油機工作時產生的機械振動造成打麻輥的疲勞壽命和工作性能大幅降低。在這個過程中，打麻輥中緊固L型刀片的螺栓受影響最大。螺栓松動會造成L型刀片松動甚至脫落導致機器嚴重受損。為解決上述問題，本文研究柴油發動機的振動機理，建立合適的振動模型，運用MATLAB分析振型提出改進方案，最后通過樣機試驗來驗證方案的可行性。

Abstract： Drum type ramie beating roller is the core component of simple ramie stripping machine， driven by diesel engine， the main role is to feed ramie strip bone broken. The fatigue life and working performance of the roll are greatly reduced due to the mechanical vibration of the diesel engine. In this process， the bolts fastening the L-shaped blade in the hemp roll are most affected. Loose bolts may cause l-shaped blades to loose or even fall off， resulting in serious damage to the machine. In order to solve the above problems， this paper studies the vibration mechanism of diesel engine， establishes a suitable vibration model， uses MATLAB to analyze the vibration mode and puts forward an improvement scheme， and finally verifies the feasibility of the scheme through prototype test.

關鍵詞： 柴油機;打麻輥;機械振動;建模;仿真分析

Key words： diesel engine;scutching roller;mechanical vibration;modeling;simulation analysis

中圖分類號：TK429 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0044-03

0 ?引言

苧麻是我國重要的農業經濟作物，其剝制加工一直是制約苧麻產業化發展的瓶頸之一[1]。目前，國內苧麻剝麻機以滾筒式為主[2]。1991年，中國農業科學院麻類研究所研制出6BM-350型滾筒式剝麻機。2005年，四川省達州市農業機械研究所研制出一種滾筒式苧麻打麻機;湖南省洗江市新安鄉農機廠研制出6BM-32型麻滾筒式剝麻機[3-4]。2007年，涪陵農業機械局設計出FL-235型復刮式苧麻雙滾筒反拉剝麻機。打麻滾筒（如圖2（a）所示）是以上幾種剝麻機的核心部件，其工作質量和壽命決定了剝麻的效果。打麻滾筒通常由固定盤、短軸、長軸、L型刀片組成。L型刀片通過螺栓連接到固定盤上（如圖2（b）所示）。當柴油機工作時會產生機械振動，會使螺栓松動會造成L型刀片斷折，打麻機將損壞。

為解決這個問題，本文根據機械振動原理提前對柴油機的曲軸進行振動分析，然后用MATLAB計算的分析結果并應用在樣機（如圖1所示）中，最后通過試驗來驗證振動分析的結果。

1 ?簡易打麻機與滾筒式打麻輥

簡易打麻機主要由打麻滾筒、柴油機、齒輪箱、喂料口、機架、箱體組成。該套旋轉式苧麻剝麻機采用目前較為成熟的雙滾筒剝麻形式，上下滾筒的L型刀片相互交錯，間距可通過更換不同預制孔位的刮板來調整。工作時柴油機通過皮帶和齒輪組帶動兩對刮板滾筒相向轉動?？赏ㄟ^柴油機上的油門及調速撥片控制轉速。

剝麻機的工作原理是利用相向轉動的滾筒將喂入的麻桿帶入上下刮板間交錯的空隙，從而使麻桿多次彎折、碾壓并折碎麻骨。之后人工反拉麻桿，使刮板反向刮擦麻纖維上粘連的碎骨，刮離麻骨保留麻纖維，達到脫麻去骨的目的。

簡易打麻機的核心部件為打麻滾筒（如圖2所示）。打麻滾筒由固定盤、短軸、長軸、L型刀片組成。兩個打麻滾筒通過一對嚙合齒輪連接，其中一個打麻滾筒和柴油機通過長軸連接。當柴油機工作時會帶動長軸轉動，然后長軸的轉動會帶動嚙合齒輪的轉動，最終兩個打麻滾筒會相向轉動。

L型刀片是通過螺栓緊固在固定盤上。通過放大圖（如圖（2）b所示）可清晰看到其連接結構?？紤]到是打麻過程中L型刀片高頻次碰撞麻條會導致其損耗，長時間工作后刀片不能正常作業，需采用螺栓連接的方式便于更換。

2 ?滾筒的機械振動分析

2.1 滾筒的參數

滾筒的總體尺寸是參照麻條的長度和一次喂入麻條根數設計出來的，固定盤（材料為Q235）的直徑為130mm，長軸（材料為45鋼）的總長為625mm，短軸為500mm。通過試制樣機，使用正交試驗法[5]確定了其中各部件的大小，如L型刀片規格為40mm×40mm（材料為不銹鋼）。

2.2 柴油機的參數

該柴油機的參數：型式為單缸、立式、四沖程、風冷、直沖式;啟動方式為電啟動;缸徑×行程為78×62mm，壓縮比為20;發動機轉速為0-3600r/min。

2.3 柴油機產生的振動分析

柴油機中的曲柄連桿是引起滾筒產生振動的來源。一根扭轉、彎曲并縱向具有彈性的曲軸以及曲軸組件的各個質量體構成了一個振動系統，這個系統在交變作用力、交變力矩和交變彎矩作用下會受到激發而振動[6]。該振動方程為：

2.3.2 受迫振動下的激發力矩

當柴油機在工作時，激發力矩FE（t）是由慣性力、氣體作用力、以及傳動系統內變化的負荷力矩組成，會使往復活塞式柴油發動機的曲軸連桿機構受到激發而出現扭轉振動。振幅即曲柄連桿機構的彈性、動態扭矩變形會與旋轉運動相疊加。疊加態的往復運動的方程可以使用傅里葉級數簡化表達，如公式（6）所示。

簡諧階數越高，簡諧力矩的振幅越小，相應地對扭振影響越小，所以對四沖程發動機來說，一般只考慮階數i？燮6的簡諧力矩。設φ=180°，360°，540°，720°，通過轉速可知其為89rad/s，使用MATLAB求解i？燮6的簡諧力矩，如圖5所示。

3 ?分析振動對簡易打麻機的影響

圖4表明柴油機的機械振動是存在的，圖中顯示了柴油機的曲軸在自由振動的情況下，其振幅從初始達到峰值，然后隨著時間遞減，在180s之后基本沒有了振動。這符合自由振動的規律，由于沒有外力，振動會隨時間減小直至停止。根據公式（5），得到了曲軸的固有頻率，意味著在調節柴油機的轉速時，要避免轉速接近固有頻率，否則會引起共振，極大地損壞設備。轉速和頻率之間的轉換如公式（7）所示：

圖5的激發力矩FE（t）及其諧波分量圖表明了柴油機在工作時一定會產生機械振動。這個機械振動對簡易打麻機中打麻滾筒的影響最大，尤其是打麻滾筒中緊固L型刀片的螺栓。

簡易打麻機的機架采用焊接成為一個整體，穩固性較好，受機械振動較小。簡易打麻機為了便于移動，在底座安裝了個鼓輪，機架和車輥輪的連接處不是一個整體，受機械振動較大。滾筒式打麻輥在工作過程中受自身轉動、打麻的反作用力、柴油機的機械振動的混合影響，所以柴油機的激發力矩對滾筒式打麻輥影響最大。為了便于更換L型刀具，采用螺栓連接的方式緊固，但這也帶來風險。柴油機的激發力矩作用在螺栓上，如果不采取防振動措施，極有可能會出現螺栓松動（一種情況是松動、另一種情況是螺紋受損，產生滑絲）導致L型刀片脫落。脫落的刀片會碰撞其他刀片，造成其他L型刀片嚴重變型，造成機器嚴重損壞。

通過深入研究柴油機的振動機理和對簡易打麻機造成的最大影響，提出以下減小振動危害的方案。

①使用合適的轉速。不要使用共振轉速，在調整轉速時，要迅速越過共振轉速，不要在共振轉速位置停留過久。

②對螺栓進行防止松動處理。一種方案是使用質量較好的彈性墊片增大螺栓的接觸面進行防滑，一種是加大預緊力，使螺栓不易松動。

③對曲軸和滾筒做處理，比如安裝扭轉振動阻尼器和吸收器，這些裝置會降低相關頻率的范圍內的振動振幅，從而限制振動應力，起到降低磨損和改善舒適性的作用。扭轉振動阻尼器將動能變為熱能，其內部有彈性元件、高粘度硅油，將振動的動能轉化為熱能然后通過散熱排出去，達到減振的目的。扭轉振動吸收器產生一個與激發力矩方向相反的慣性力矩，不是像阻尼器消耗能量，而是將能量大部分傳給連接的振動吸收系統。這種裝置主要由扭轉彈簧組成，扭轉彈簧的高應力限制了振動吸收器的，簡易和阻尼器一塊使用。

4 ?試驗和總結

本文通過對樣機進行試驗來進一步驗證分析和方案的正確性和可靠性。由于打麻滾筒受振動影響大，以螺栓松動的程度來衡量振動影響的大小，由于是破壞性試驗，僅做了4組試驗，每組一種參數不同。

第一組轉速是72.4r/min，螺栓分有無彈簧墊片，預緊力較大;第二組轉速是72.4r/min，有彈簧墊片，但預緊力一個剛好，一個較大。第三組轉速是850r/min，螺栓分有無彈簧墊片，預緊力較大;第四組850r/min，螺栓有彈簧墊片，但預緊力預緊力一個剛好，一個較大。

通過做這4組試驗，發現了：①在共振轉速下，柴油機發出的噪聲和振動瞬間增大，沒有彈簧墊片的螺栓很快開始松動，有彈簧墊片的螺栓，預緊力不足也會在一段時間后，螺栓產生松動。（為了安全，工作一段時間后，停機檢測螺栓松動程度）。②當轉速上升后，柴油機工作時沒有產生如在共振轉速下的大噪音和振動，但同樣的條件下，螺栓松動變的更快，原因時振動的振幅變大，但在有彈簧墊圈和較大預緊力下，螺栓幾乎沒有松動。之所以沒有做增加阻尼器的試驗，是因為成本問題，如果通過簡單改變機械結構就能實現減振，那么就增加阻尼器就不是必需的了。

本文通過對柴油機的振動機理入手，建立合理的振動模型，先通過自然振動模型得到曲軸的固有頻率，其次再通過強迫振動模型分析對簡易打麻機的各部位影響情況，然后對影響最大的情況提出解決方案，最后通過試驗來驗證解決方案的正確性和可行性，為解決機械振動對機構的影響提供一種可行的建模分析方法。

參考文獻：

[1]王瑛，譚冬梅，劉定煒，等.淺談苧麻剝麻機的選型應用[J].南方農機，2020，51（07）：3-4.

[2]向偉，馬蘭，劉佳杰，等.我國苧麻纖維剝制加工技術及裝備研究進展[J].中國農業科技導報，2019，21（11）：59-69.

[3]向偉，馬蘭，劉佳杰，等.苧麻剝制加工技術與裝備研究進展[J].中國麻業科學，2019，41（01）：24-35.

[4]鄒舒暢，蘇工兵，邵運果.基于離散元法的苧麻莖稈分離裝置仿真優化與試驗[J].中國農機化學報，2017，38（01）：60-67.

[5]蘇寧，郭克君，吳立國，等.基于正交試驗的田間苧麻剝麻機參數優選[J].林業機械與木工設備，2020，48（05）：19-23.

[6]克勞斯·莫倫豪爾.柴油機手冊[M].機械工業出版社，2018.