CN109084887A

CN109084887A - 一种修枝机刀片机构噪声仿真方法

Info

Publication number: CN109084887A
Application number: CN201810554291.7A
Authority: CN
Inventors: 张波; 黄迪山
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2018-12-25

Abstract

本发明公开了一种修枝机刀片机构的噪声仿真方法。本方法包括以下步骤：步骤1，修枝机刀片机构振动和噪声的测试；步骤2，建立刀片的动力学模型；步骤3，通过修枝机传动机构多体动力学仿真分析来得到修枝机噪声的来源；步骤4，刀片机构动力学模型的近似和以载荷识别得到激励力；步骤5，基于激励力，进行刀片机构的声学仿真；步骤6，为刀片机构摩擦噪声的控制，提出结构改进的方法。该方法可以预测修枝机刀片机构的摩擦噪声现象，为解决修枝机刀片机构噪声控制提供新方法。

Description

一种修枝机刀片机构噪声仿真方法

技术领域

本发明涉及园艺机械噪声领域，尤其涉及一种修枝机刀片机构噪声仿真方法。

背景技术

目前，随着城市化推进和经济的持续增长，同时伴随着机械制造技术的不断进步，各国主要城市的绿地建设和养护作业已基本实现机械化；园林装备行业进入了快速发展的时期，园林电动修枝机作为园林装备的重要组成部分，也有持续的增长。电动修枝机在工作时有严重的噪声污染，这些噪声污染会严重影响着修枝工人和居民的身心健康。

通过查询文献和综合分析发现，尽管国内外对振动摩擦产生噪声有长时间的研究，但振动摩擦噪声的理论机理问题仍未得到解决，还没有有效的技术手段能针对此类噪声进行预测和进行控制。

现在摩擦噪声研究的方法主要是噪声机理研究、试验和仿真分析。仿真方法主要是瞬态分析和复特征值仿真，瞬态分析计算效率低，计算结果与初始条件密切相关，复特征值仿真在重载下的计算结果较好，准确的预测修枝机刀片机构的噪声用这两种方法都不大适合。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，以解决目前修枝机刀片噪声预测和控制方法选择的不明确。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，包括以下步骤：

1)进行修枝机刀片机构振动和噪声的试验：

分别采集修枝机运行时刀片机构表面振动加速度信号和声压信号，振动测试点位于刀片表面上并均匀分布，声压测试点位于刀片中心平行的侧边1m处。修枝机作为一个整体，运行时噪声有电机噪声辐射、传动激励结构噪声和刀片切割运动自激辐射噪声，在刀片机构声压测试时用消声棉覆盖修枝机电机和减速箱，减轻其对测试的影响；或者通过隔离各部件再测试噪声，把其作为背景噪声对刀片机构声压级进行校正。

2)构建刀片机构的动力学模型：

测试得到刀片结构的模态参数，通过对比仿真和测试的模态参数，修正动力学模型的材料属性，并验证模型的准确性。验证动力学模型的准确性的具体条件是：在仿真和测试模态的相关性分析中，感兴趣模态的MAC矩阵的对角线值应大于0.95。

3)传动机构的多体动力学仿真：

在传动模型上设置运动边界约束条件、部件之间连接接触关系、驱动和摩擦力等，进行多体动力学仿真分析，把修枝机电机的基频和谐频、多体动力学仿真得到的啮合频率特性和步骤1)中测试的声压频率特性进行对比分析，得出修枝机工作时主要的噪声来源。

4)刀片机构模型的近似和载荷识别：

由步骤2)中的动力学模型计算预应力模态，把刀片机构的碰撞摩擦非线性模型近似为线性模型分析，而线性模型是满足Maxwell互易性原理的，再用步骤1)中的振动信号进行载荷识别反求得到激励力信号。

5)刀片机构的声学仿真：

在此激励响应下进行声学仿真计算，获得刀片机构的声学特性，并比较仿真结果与步骤1)测试结果的频率误差是否小于10%，若是，进行步骤6)，若否，则返回4)。

6)刀片机构噪声控制的结构优化：

基于配置合理的影响刀片机构声功率的关键因素，通过实验设计方法确定影响实验指标的主次因数，由优组合的结构设计方案来减低噪声辐射的倾向性。

所述的步骤1)中，对刀片机构声压级进行初略的修正方法是：在是否装配上刀片机构进行声压级测试，若两者之差为3dB，应在测量值中减去3dB；若两者之差为4~5dB，减去数为2dB；若两者之差为6~9dB，减去1dB；当两者之差大于10dB时，电机和传动的噪声作背景噪声可以忽略。若两者之差小于3dB，那么电机和传动噪声也是修枝机的主要噪声，应分开进行降噪处理。

所述的步骤6)中，影响刀片机构声功率的关键因素包括刀片机构的结构尺寸、材料特性、表面质量、装配设计和运动状态等因素。

与现有的技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：一是有效的解决了现有修枝机刀片机构的噪声预测方法的缺少，预测精度高，且过程简便；二是提供了修枝机刀片机构噪声控制的结构优化方法的设计过程，优化效率高。

附图说明

图1为修枝机刀片机构噪声仿真方法的流程图；

图2修枝机整体示意图；

图3振动和噪声测试的测点简易图；

图4刀片仿真和试验声压频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明一种修枝机刀片机构噪声仿真方法作进一步说明。

实施例一：参见图1，本修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)进行修枝机刀片机构振动和噪声的试验；

2)构建刀片机构的动力学模型；

3)传动机构的多体动力学仿真；

4)载荷识别；

5)刀片机构的声学仿真；

6)刀片机构噪声控制的结构优化。

实施例二：本实施例与实施例基本相同，特别之处如下：

所述的步骤1)中，分别采集修枝机运行时刀片机构表面振动加速度信号和声压信号，振动测试点位于刀片表面上并均匀分布，声压测试点位于刀片中心平行的侧边1m处；修枝机作为一个整体，运行时噪声有电机噪声辐射、传动激励结构噪声和刀片切割运动自激辐射噪声，在刀片机构声压测试时用消声棉覆盖修枝机电机和减速箱，减轻其对测试的影响；或者通过隔离各部件再测试噪声，把其作为背景噪声对刀片机构声压级进行校正；对刀片机构声压级进行初略的修正方法是：在是否装配上刀片机构进行声压级测试，若两者之差为3dB，应在测量值中减去3dB；若两者之差为4~5dB，减去数为2dB；若两者之差为6~9dB，减去1dB；当两者之差大于10dB时，电机和传动的噪声作背景噪声忽略；若两者之差小于3dB，那么电机和传动噪声也是修枝机的主要噪声，应分开进行降噪处理。

所述的步骤2)中，测试得到刀片机构的模态参数，通过对比仿真和测试的模态参数，修正动力学模型的材料属性，并验证模型的准确性；验证动力学模型的准确性的具体条件是：在仿真和测试模态的相关性分析中，其感兴趣模态的MAC矩阵的对角线值应大于0.95。

所述的步骤3)中，在传动模型上设置运动边界约束条件、部件之间连接接触关系、驱动和摩擦力，进行多体动力学仿真分析，把修枝机电机的基频和谐频、多体动力学仿真得到的啮合频率特性和步骤1)中测试的声压频率特性进行对比分析，得出修枝机工作时主要的噪声来源。

所述的步骤4)中，由步骤2)中的动力学模型计算预应力模态，把刀片机构的碰撞摩擦非线性模型近似为线性模型分析，而线性模型是满足Maxwell互易性原理的，再用步骤1)中的振动信号进行载荷识别反求得到激励力信号。

所述的步骤5)中，在此激励响应下进行声学仿真计算，获得刀片机构的声学特性，并比较仿真结果与步骤1)测试结果的频率误差应小于10%。

所述的步骤6)中，基于配置合理的影响刀片机构声功率的关键因素，通过实验设计方法确定影响实验指标的主次因数，由优组合的结构设计方案来减低噪声辐射的倾向性。其中，影响刀片机构声功率的关键因素包括有刀片机构的结构尺寸、材料特性、表面质量、接触特征、装配设计和运动状态。

实施例三：本修枝机刀片机构噪声仿真方法，操作步骤如下：

步骤1，修枝机整体示意图见图2：1是刀片机构，2是齿轮减速箱，3是旋转管，4是传动机构，5是手柄和电机。进行修枝机刀片机构振动和噪声的试验，分别采集修枝机运行时刀片机构表面振动加速度和声压信号，测试点见图3，其中测点1是刀片表面振动加速度传感器的布置点，测点2是声压传感器的布置点。测得的声压主频为2005Hz。

步骤2，构建刀片机构的动力学模型：

测试刀片结构的模态参数，通过对比仿真和测试的模态参数，修正动力学模型，通过仿真和测试模态的相关性分析验证模型的准确性。在仿真和测试模态的相关性分析中，模态的MAC矩阵的对角线值是大于0.95，进行步骤3。

步骤3，传动机构的多体动力学仿真：

在传动模型上设置运动边界约束条件、部件之间连接接触关系和驱动摩擦力等，进行多体动力学仿真分析，修枝机电机的基频是300Hz，多体动力学仿真得到的啮合频率特性是750Hz和2357Hz，步骤1)中测试的声压频率特性为2005Hz，齿轮、电机频率与声压测试频率没有表现出相关性，即修枝机工作时主要的噪声来源是刀片的碰撞冲击噪声。

步骤4，刀片机构模型的近似和载荷识别：

由步骤2)中的动力学模型计算预应力模态，把刀片机构的碰撞摩擦非线性模型近似为线性模型分析，而线性机构是满足Maxwell互易性原理的，再用步骤1)中的振动信号反求得到激励力信号。

步骤5，刀片机构的声学仿真：

在此激励响应下进行声学仿真计算，获得刀片机构的声学特性，比较仿真结果与步骤1)测试结果的频率误差为5.2%，满足要求，进行步骤6)。

步骤6，刀片机构噪声控制的结构优化：

配置影响刀片机构声功率的关键因素有弹性模量、刀片间隙、摩擦系数和厚度，通过实验设计方法确定影响实验指标的主要因数是刀片厚度，按优组合结构参数设计的刀片机构的噪声声功率级降低了18%。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)进行修枝机刀片机构振动和噪声的试验；

2)构建刀片机构的动力学模型；

3)传动机构的多体动力学仿真；

4)载荷识别；

5)刀片机构的声学仿真；

6)刀片机构噪声控制的结构优化。

2.根据权利要求1所述的一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：所述的步骤1)中，分别采集修枝机运行时刀片机构表面振动加速度信号和声压信号，振动测试点位于刀片表面上并均匀分布，声压测试点位于刀片中心平行的侧边1m处；修枝机作为一个整体，运行时噪声有电机噪声辐射、传动激励结构噪声和刀片切割运动自激辐射噪声，在刀片机构声压测试时用消声棉覆盖修枝机电机和减速箱，减轻其对测试的影响；或者通过隔离各部件再测试噪声，把其作为背景噪声对刀片机构声压级进行校正；对刀片机构声压级进行初略的修正方法是：在是否装配上刀片机构进行声压级测试，若两者之差为3dB，应在测量值中减去3dB；若两者之差为4~5dB，减去数为2dB；若两者之差为6~9dB，减去1dB；当两者之差大于10dB时，电机和传动的噪声作背景噪声忽略；若两者之差小于3dB，那么电机和传动噪声也是修枝机的主要噪声，应分开进行降噪处理。

3.根据权利要求1所述的一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：所述的步骤2)中，测试得到刀片机构的模态参数，通过对比仿真和测试的模态参数，修正动力学模型的材料属性，并验证模型的准确性；验证动力学模型的准确性的具体条件是：在仿真和测试模态的相关性分析中，其感兴趣模态的MAC矩阵的对角线值应大于0.95。

4.根据权利要求1所述的一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：所述的步骤3)中，在传动模型上设置运动边界约束条件、部件之间连接接触关系、驱动和摩擦力，进行多体动力学仿真分析，把修枝机电机的基频和谐频、多体动力学仿真得到的啮合频率特性和步骤1)中测试的声压频率特性进行对比分析，得出修枝机工作时主要的噪声来源。

5.根据权利要求1所述的一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：所述的步骤4)中，由步骤2)中的动力学模型计算预应力模态，把刀片机构的碰撞摩擦非线性模型近似为线性模型分析，而线性模型是满足Maxwell互易性原理的，再用步骤1)中的振动信号进行载荷识别反求得到激励力信号。

6.根据权利要求1所述的一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：所述的步骤5)中，在此激励响应下进行声学仿真计算，获得刀片机构的声学特性，并比较仿真结果与步骤1)测试结果的频率误差应小于10%。

7.根据权利要求1所述的一种修枝机刀片机构噪声仿真方法，其特征在于：所述的步骤6)中，基于配置合理的影响刀片机构声功率的关键因素，通过实验设计方法确定影响实验指标的主次因数，由优组合的结构设计方案来减低噪声辐射的倾向性，其中，影响刀片机构声功率的关键因素包括有刀片机构的结构尺寸、材料特性、表面质量、接触特征、装配设计和运动状态。