摘 要：滚筒式打麻辊是简易苎麻剥麻机的核心部件，由柴油机驱动，主要作用是将喂入的苎麻条麻骨打碎。柴油机工作时产生的机械振动造成打麻辊的疲劳寿命和工作性能大幅降低。在这个过程中，打麻辊中紧固L型刀片的螺栓受影响最大。螺栓松动会造成L型刀片松动甚至脱落导致机器严重受损。为解决上述问题，本文研究柴油发动机的振动机理，建立合适的振动模型，运用MATLAB分析振型提出改进方案，最后通过样机试验来验证方案的可行性。
关键词：柴油机；打麻辊；机械振动；建模；仿真分析
0引言
苎麻是我国重要的农业经济作物，其剥制加工一直是制约苎麻产业化发展的瓶颈之一[1]。目前，国内苎麻剥麻机以滚筒式为主[2]。1991年，中国农业科学院麻类研究所研制出6BM-350型滚筒式剥麻机。2005年，四川省达州市农业机械研究所研制出一种滚筒式苎麻打麻机；湖南省洗江市新安乡农机厂研制出6BM-32型麻滚筒式剥麻机[3,4]。2007年，涪陵农业机械局设计出FL-235型复刮式苎麻双滚筒反拉剥麻机。打麻滚筒（如图2(a）所示）是以上几种剥麻机的核心部件，其工作质量和寿命决定了剥麻的效果。打麻滚筒通常由固定盘、短轴、长轴、L型刀片组成。L型刀片通过螺栓连接到固定盘上（如图2(b）所示）。当柴油机工作时会产生机械振动，会使螺栓松动会造成L型刀片断折，打麻机将损坏。
为解决这个问题，本文根据机械振动原理提前对柴油机的曲轴进行振动分析，然后用MATLAB计算的分析结果并应用在样机（如图1所示）中，最后通过试验来验证振动分析的结果。
1简易打麻机与滚筒式打麻辊
简易打麻机主要由打麻滚筒、柴油机、齿轮箱、喂料口、机架、箱体组成。该套旋转式苎麻剥麻机采用目前较为成熟的双滚筒剥麻形式，上下滚筒的L型刀片相互交错，间距可通过更换不同预制孔位的刮板来调整。工作时柴油机通过皮带和齿轮组带动两对刮板滚筒相向转动。可通过柴油机上的油门及调速拨片控制转速。
图1 简易打麻机
1.车轮；2.齿轮箱；3.打麻滚筒；4.刮叶器；5.柴油机；6.挡泥板；7.机架；8.把手；9.喂料口；10.箱体.
剥麻机的工作原理是利用相向转动的滚筒将喂入的麻杆带入上下刮板间交错的空隙，从而使麻杆多次弯折、碾压并折碎麻骨。之后人工反拉麻杆，使刮板反向刮擦麻纤维上粘连的碎骨，刮离麻骨保留麻纤维，达到脱麻去骨的目的。
图2 滚筒式打麻辊
简易打麻机的核心部件为打麻滚筒（如图2所示）。打麻滚筒由固定盘、短轴、长轴、L型刀片组成。两个打麻滚筒通过一对啮合齿轮连接，其中一个打麻滚筒和柴油机通过长轴连接。当柴油机工作时会带动长轴转动，然后长轴的转动会带动啮合齿轮的转动，最终两个打麻滚筒会相向转动。
L型刀片是通过螺栓紧固在固定盘上。通过放大图（如图（2)b所示）可清晰看到其连接结构。考虑到是打麻过程中L型刀片高频次碰撞麻条会导致其损耗，长时间工作后刀片不能正常作业，需采用螺栓连接的方式便于更换。
2滚筒的机械振动分析
2.1滚筒的参数
滚筒的总体尺寸是参照麻条的长度和一次喂入麻条根数设计出来的，固定盘（材料为Q235）的直径为130mm，长轴（材料为45钢）的总长为625mm，短轴为500mm。通过试制样机，使用正交试验法[5]确定了其中各部件的大小，如L型刀片规格为40mm×40mm（材料为不锈钢）。
2.2柴油机的参数
该柴油机的参数：型式为单缸、立式、四冲程、风冷、直冲式；启动方式为电启动；缸径×行程为78×62mm，压缩比为20；发动机转速为0-3600r/min。
图3 风冷式柴油机
2.3柴油机产生的振动分析
柴油机中的曲柄连杆是引起滚筒产生振动的来源。一根扭转、弯曲并纵向具有弹性的曲轴以及曲轴组件的各个质量体构成了一个振动系统，这个系统在交变作用力、交变力矩和交变弯矩作用下会受到激发而振动[6]。该振动方程为：
其中m是旋转质量（kg)，K是扭转刚度（Nm2/rad)，C是阻尼系数；θ是旋转角度（rad)；FE(t）是激发力矩（N·m）。
扭转刚度K的计算公式如下：
其中ME为作用的扭矩（N·m)，L为扭矩作用处到固定端的距离（m），θ为扭转角（rad）。
2.3.1自然振动条件下θ的振幅
首先研究在自然振动条件下θ的振幅和频率，意味着在柴油机没有工作的前提下（即FE(t)=0），求解其固有频率。
联立公式（2）和（3），可得公式（4)
根据该型号柴油机，可得m=3kg，C=0.02（曲轴的材料是球墨铸铁）；ME=1.3N·m；L=0.04m。设初始θ0=1ad，时间从0到无穷大，使用MATLAB求解该振动方程，求出θ的固有频率。
图4 在自然振动条件下的振型
通过MATLAB可以得到θ的振幅方程，如公式（5）所示：
在上式（5）中，可得到曲轴振动的固有频率为
2.3.2受迫振动下的激发力矩
当柴油机在工作时，激发力矩FE(t）是由惯性力、气体作用力、以及传动系统内变化的负荷力矩组成，会使往复活塞式柴油发动机的曲轴连杆机构受到激发而出现扭转振动。振幅即曲柄连杆机构的弹性、动态扭矩变形会与旋转运动相叠加。叠加态的往复运动的方程可以使用傅里叶级数简化表达，如公式（6）所示。
其中i为阶数（值为
简谐阶数越高，简谐力矩的振幅越小，相应地对扭振影响越小，所以对四冲程发动机来说，一般只考虑阶数i燮6的简谐力矩。设φ=180°，360°，540°，720°，通过转速可知其为89rad/s，使用MATLAB求解i燮6的简谐力矩，如图5所示。
图5 激发力矩及其谐波分量图
3分析振动对简易打麻机的影响
图4表明柴油机的机械振动是存在的，图中显示了柴油机的曲轴在自由振动的情况下，其振幅从初始达到峰值，然后随着时间递减，在180s之后基本没有了振动。这符合自由振动的规律，由于没有外力，振动会随时间减小直至停止。根据公式（5），得到了曲轴的固有频率，意味着在调节柴油机的转速时，要避免转速接近固有频率，否则会引起共振，极大地损坏设备。转速和频率之间的转换如公式（7）所示：
其中n为柴油机的转速（r/min），ω为频率（rad/s）。已知
通过公式（7），可计算出共振转速为72.4r/min。也就是说在调节柴油机的转速时，要么选择合理转速的大小不要再72.4r/min附近，而且调速经过72.4r/min时要迅速越过，以免进入共振状态，损坏柴油机，进而使简易打麻机宕机。
图5的激发力矩FE(t）及其谐波分量图表明了柴油机在工作时一定会产生机械振动。这个机械振动对简易打麻机中打麻滚筒的影响最大，尤其是打麻滚筒中紧固L型刀片的螺栓。
简易打麻机的机架采用焊接成为一个整体，稳固性较好，受机械振动较小。简易打麻机为了便于移动，在底座安装了个鼓轮，机架和车辊轮的连接处不是一个整体，受机械振动较大。滚筒式打麻辊在工作过程中受自身转动、打麻的反作用力、柴油机的机械振动的混合影响，所以柴油机的激发力矩对滚筒式打麻辊影响最大。为了便于更换L型刀具，采用螺栓连接的方式紧固，但这也带来风险。柴油机的激发力矩作用在螺栓上，如果不采取防振动措施，极有可能会出现螺栓松动（一种情况是松动、另一种情况是螺纹受损，产生滑丝）导致L型刀片脱落。脱落的刀片会碰撞其他刀片，造成其他L型刀片严重变型，造成机器严重损坏。
通过深入研究柴油机的振动机理和对简易打麻机造成的最大影响，提出以下减小振动危害的方案。
(1)使用合适的转速。不要使用共振转速，在调整转速时，要迅速越过共振转速，不要在共振转速位置停留过久。
(2)对螺栓进行防止松动处理。一种方案是使用质量较好的弹性垫片增大螺栓的接触面进行防滑，一种是加大预紧力，使螺栓不易松动。
(3)对曲轴和滚筒做处理，比如安装扭转振动阻尼器和吸收器，这些装置会降低相关频率的范围内的振动振幅，从而限制振动应力，起到降低磨损和改善舒适性的作用。扭转振动阻尼器将动能变为热能，其内部有弹性元件、高粘度硅油，将振动的动能转化为热能然后通过散热排出去，达到减振的目的。扭转振动吸收器产生一个与激发力矩方向相反的惯性力矩，不是像阻尼器消耗能量，而是将能量大部分传给连接的振动吸收系统。这种装置主要由扭转弹簧组成，扭转弹簧的高应力限制了振动吸收器的，简易和阻尼器一块使用。
4试验和总结
本文通过对样机进行试验来进一步验证分析和方案的正确性和可靠性。由于打麻滚筒受振动影响大，以螺栓松动的程度来衡量振动影响的大小，由于是破坏性试验，仅做了4组试验，每组一种参数不同。
第一组转速是72.4r/min，螺栓分有无弹簧垫片，预紧力较大；第二组转速是72.4r/min，有弹簧垫片，但预紧力一个刚好，一个较大。第三组转速是850r/min，螺栓分有无弹簧垫片，预紧力较大；第四组850r/min，螺栓有弹簧垫片，但预紧力预紧力一个刚好，一个较大。
通过做这4组试验，发现了：(1)在共振转速下，柴油机发出的噪声和振动瞬间增大，没有弹簧垫片的螺栓很快开始松动，有弹簧垫片的螺栓，预紧力不足也会在一段时间后，螺栓产生松动。（为了安全，工作一段时间后，停机检测螺栓松动程度）。(2)当转速上升后，柴油机工作时没有产生如在共振转速下的大噪音和振动，但同样的条件下，螺栓松动变的更快，原因时振动的振幅变大，但在有弹簧垫圈和较大预紧力下，螺栓几乎没有松动。之所以没有做增加阻尼器的试验，是因为成本问题，如果通过简单改变机械结构就能实现减振，那么就增加阻尼器就不是必需的了。
本文通过对柴油机的振动机理入手，建立合理的振动模型，先通过自然振动模型得到曲轴的固有频率，其次再通过强迫振动模型分析对简易打麻机的各部位影响情况，然后对影响最大的情况提出解决方案，最后通过试验来验证解决方案的正确性和可行性，为解决机械振动对机构的影响提供一种可行的建模分析方法。
参考文献
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[2]向伟，马兰，刘佳杰，等.我国苎麻纤维剥制加工技术及装备研究进展[J].中国农业科技导报，2019,21(11)：59-69.
[3]向伟，马兰，刘佳杰，等.苎麻剥制加工技术与装备研究进展[J].中国麻业科学，2019,41(01)：24-35.
[4]邹舒畅，苏工兵，邵运果.基于离散元法的苎麻茎秆分离装置仿真优化与试验[J].中国农机化学报，2017,38(01)：60-67.
[5]苏宁，郭克君，吴立国，等.基于正交试验的田间苎麻剥麻机参数优选[J].林业机械与木工设备，2020,48(05)：19-23.
[6]克劳斯·莫伦豪尔.柴油机手册[M].机械工业出版社，2018.
文章摘自：朱炯光,郭克君.柴油机中曲轴的振动对简易打麻机的影响分析[J].内燃机与配件,2022(01):44-46.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2022.01.015.
