论文便携式苗木移植机操作把手减振优化设计，该文是优化设计方面有关硕士论文范文和减振和优化设计和苗木相关论文范文数据库.
摘 要：为减少苗木移植机作业时的把手振动,提高移植机操作舒适性,应用ADAMS软件,以减振器弹簧刚度系数、阻尼系数和激振频率为自变量,以把手质心处加速度均方根值为目标函数,进行了单因素设计研究和3因素3水平试验设计振动仿真,并利用SAS9.1.3软件对仿真数据进行了分析.分析结果表明：弹簧刚度系数、阻尼系数和激振器频率这三个因素对把手质心处加速度均方根值的影响均显著,且其影响的主次顺序为阻尼系数、激振器频率、弹簧刚度系数.仿真优化结果表明：当阻尼系数为10 Ns/m,激振力频率为33 Hz,弹簧刚度系数为4 000 N/m时,把手质心处加速度均方根值最小（1.0118 m/s2）.通过试制样机进行实际检测表明该优化分析减少了把手的振动,同时也为减震器的设计提供了理论参考.
关键词：林业机械；苗木移植机；ADAMS；振动仿真
0 引言
在进行大规模的城市绿化建设时,需要移栽数目巨大的苗木.然而目前我国的苗木移栽工作仍还是主要依靠人工挖掘完成.人工挖掘效率低,劳动强度大,苗木成活率低,同时随着社会上人力资源的紧张移栽成本也在不断的上升.起苗机就是一类为代工挖掘苗木而设计的机器.目前根据国内外相关文献记载,研究者们已设计出了功率不同,工作原理不同的多种起苗机.其中由于便携式起苗机具有装置体积小、成本低、操作方便、可在狭小的空间内和山地上进行挖树作业、工作效率高等优点而有着广阔的市场前景.
由土壤振动切削理论可知当对土壤进行振动挖掘时,可使挖掘阻力大幅度降低,总体来说将振动切削技术应用在土壤切削中具有显著的优越性.根据这一特性,我们设计出了一种激振式起苗机.该起苗机由汽油机带动偏心块旋转从而产生偏心力和振动来对土壤进行切削.试验表明该起苗机操作轻便（一人即可完成挖掘工作）,挖掘效率高（平均20 s就可下挖20 cm）.但同时由于挖树机采用激振式进行挖掘,使整个机器产生了比较大的振动.尤其是机器把手的振动在操作者长时间连续工作时,使其工作效率低下甚至可能会危害其健康.因此对于这样一类机器,研究其把手的减振是十分必要的.
1 工作机理
1.1 起苗机—土壤振动系统动力学模型
起苗机作业时与土壤的相互作用如图1所示.分析振动铲和土壤的作用关系,振动铲在偏心激振块的作用下产生振动和挖掘力,根据振动切削动力学理论和振动机理可以把振动铲和土壤看作是一个单自由度的系统.因而在研究起苗机切削土壤工作中把手的振动问题时,加上起苗机把手减振器的弹簧和阻尼,起苗机和与其相互作用的土壤就组成一个二自由度的振动系统,系统数学模型如图2所示.
1.2 振动系统动力学解析
根据起苗机—土壤二自由度动力学模型,以质心为坐标零点,以垂直向下为坐标轴正向可建立如下振动微分方程：
（1）
（2）
式中：-起苗机除把手之外的量；-把手质量；,-移植机体和把手位移；-土壤系统阻尼；-把手减振器阻尼；-土壤系统弹簧刚度；-把手减振器弹簧刚度系数；-激振力.
2 基于ADAMS的参数化建模及优化设计
2.1 起苗机—土壤二自由度系统仿真建模
1）土壤系统阻尼和弹簧刚度的计算.刀型切削装置工作时的阻力分析计算,目前实际应用中大多借用农业耕作犁的切削,起苗机工作时只对土壤进行切削,故只受到土壤的变形阻力（切削阻力）计算公式为：
（3）
式中：b-切削宽度；h-切削深度；K-切削比阻力（其近似值见表1）.
结合计算公式可得：土壤系统弹簧刚度
（4）
根据表1取K等于10N/cm2,根据振动铲的设计参数取b等于50mm.
故：
由于是一个与起苗机挖掘速度成正比的土壤阻力系数,而起苗机以低速对土壤进行切削,故该项忽略不计.因此在ADAMS中建立的振动仿真模型如图3所示.
2）激振力的计算
计算公式：（5）
式中：-偏心块质量；-偏心距；-偏心块转动角速度.
根据起苗机的结构设计及振动下挖试验可知,在保证起苗机有较好的工作效率时可取等于0.085 kg,等于90 mm.起苗机选用1E34F型二冲程汽油机,经过带传动（传动比1：3）的减速,偏心块的转速为1 500～2 100 r/min,故为50πrad/s-70πrad/s,因此激振力的频率f0为25～35 Hz.
故激振力：
根据起苗机的设计m1等于15 kg,m2等于1 kg,在仿真分析过程中k2,c2,f0为设计变量,初定标准值k2等于5 000 N/m；c2等于20 Ns/m；f0等于25 Hz.
2.2 单因素设计研究
为了研究把手减振器弹簧刚度系数,阻尼系数和激振器频率这三个参数变化对把手振动的影响,在ADAMS中先分别使这三个设计变量按照一定的规则在一定的范围内进行取值.根据设计变量取值的不同,以把手质心处加速度均方根值为评价指标进行一系列仿真分析,以图表的方式输出各次仿真分析的结果.
1）弹簧刚度系数.在设计研究中,减振器阻尼系数和激振力频率均取标准值,弹簧刚度系数K2的取值范围为1 000～10 000 N/m.仿真结果如图4所示.
由图4可知,随着减振器弹簧刚度系数的增加,把手的加速度均方根值也不断增大,把手振动越来越大.因此从减小把手的振动角度考虑应该选择刚度系数较小的弹簧.但是在挖树机作业时人们需要通过把手给挖树机施加一个向下的压力,因此弹簧刚度系数不能过小.由图中可以看出当刚度系数超过6 000 N/m时,加速度均方根值迅速增大,因此仅从单因素考虑,刚度系数应该选择在4 000～6 000 N/m之间.
2）阻尼系数.在设计研究中,减振器弹簧刚度系数和激振力频率均取标准值,阻尼系数的取值范围为0 Ns/m～100 Ns/m.仿真结果如图5所示.
由图5可知：
①当阻尼系数为0时,把手加速度均方根值非常大,因此为了减小把手的振动选用阻尼减振器是十分必要的.
②随着阻尼系数的增大,把手振动也不断增大.综合考虑阻尼系数应该选取在10～40 Ns/m之间.
3）激振力频率.在设计研究中,减振器弹簧刚度系数和阻尼系数均取标准值,激振力频率由于取决于汽油机工作转速,经过计算激振力频率为25～35 Hz.仿真结果如图6所示.
由图6可知：虽然激振力频率的变化对把手振动的影响相比与减振器弹簧刚度系数和阻尼系数并不十分明显,但是当激振力频率超过33 Hz后把手的振动急剧增大.因为激振力频率越大,振动铲对土壤的作用力也就越大从而可以获得一个比较好的工作效率.因此控制汽油机油门使激振力频率在33 Hz左右也就是使汽油机转速大约接近6 000 r/min,可以使挖树机获得比较好的工作性能.
2.3 试验设计及优化分析
1）在ADAMS中以激振力频率f,阻尼系数C2,刚度系数K2为设计变量,以把手质心处加速度均方根值为试验指标,进行3水平试验设计.因素水平表如表2所示.试验方案和结果如表3所示.
2.4 仿真结果分析
应用SAS9.1进行分析,给定显著性水平0.001.试验指标加速度均方根值的方差分析结果如表4所示.
由表可知,激振力频率f,阻尼系数C2,刚度系数K2这三个因素对把手的振动影响都很大,而阻尼系数C2,刚度系数K2这两个因素间并无交互作用.
3 试验验证
依据设计方案和参数优化结果试制出了便携式起苗机试验样机在苗圃场（土壤容重等于15 863 N/m3,土壤含水率等于16.35%）对该起苗机进行掘削土壤试验.进行多次试验表明：
1）在选用同一种把手减振器的情况下,在汽油机启动或转速达到最高时把手都有强烈的振动,而当使汽油机工作在6 000 r/min时把手振动较平稳.
2）当选用不同的把手减振器刚度系数和阻尼系数时,人手感觉到的振动又有较大的差别.其中当弹簧刚度系数为4 000 N/m,阻尼系数为10 Ns/m时人手感觉到振动较小,操作较舒适.
4 结语
1）虚拟优化试验得出：把手减振器的阻尼系数应选为10 Ns/m,弹簧刚度系数应选为4 000 N/m,在作业时应使激振力的频率保持在33 Hz左右,这时把手质心处加速度均方根值取到最小值1.0118 m/s2,把手振动最小.
2）应用SAS9.1软件对仿真数据进行显著性水平检验,由分析可知激振力频率f,阻尼系数C2,刚度系数K2这三个因素对把手的振动确实存在较大的影响.因此对把手的减振设计应该着重考虑这三个因素.
3）应用机械系统动力学分析软件ADAMS进行动力学仿真和优化设计并结合其它数据分析软件为机械设计参数的选择提供了理论参考.
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本文总结：上述文章是一篇关于减振和优化设计和苗木方面的优化设计论文题目、论文提纲、优化设计论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
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