CN218599234U - 一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，包括顶板、连接竖板和传感器安装竖板；所述顶板的两侧分别设有连接竖板，顶板的一面上设有传感器安装竖板，传感器安装竖板位于连接竖板之间；所述传感器安装竖板的一侧设有若干声学黑洞；传感器安装在传感器安装竖板具有声学黑洞的一侧，传感器上设有传感器检测板。本实用新型将声学黑洞集成于联合收获机传感器安装支架，从传感器安装支架结构设计角度实现联合收获机本体宽频振动的吸收与耗散，无需特别设计滤波/降噪电路和算法，应用方便。
Description
技术领域
本实用新型属于联合收获机传感器技术领域，尤其涉及一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置。
背景技术
联合收获机是用于水稻、小麦、油菜等主粮作物收获的关键农机装备，由行走部件、割台、输送槽、脱粒、清选、输粮等多个子系统组成，联合收获机多以柴油机作为动力，每个子系统均包含多个旋转部件，振动冲击大、情况复杂。谷物流量、损失率、含杂率等关键信息都是通过检测谷物对联合收获机传感部件的冲击力获得，机器本体产生的振动容易对检测信号造成严重干扰，因此如何实现联合收获机与传感器之间的减振与隔振是亟待解决的问题。
为了降低联合收获机本体振动对传感器的干扰，现有方法多是通过设计特定的滤波/降噪电路与算法加以解决。然而，联合收获机存在多个旋转部件，这些旋转部件的转动频率并不一致，且振动情况会随着作业工况的改变而发生变化，导致设计出理想的滤波/降噪电路与算法十分困难，难以有效降低联合收获机本体振动对传感器的干扰。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型的一个方式的目的之一是提供一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，将声学黑洞集成于联合收获机传感器安装支架，从传感器安装支架结构设计角度实现联合收获机本体宽频振动的吸收与耗散，无需特别设计滤波/降噪电路和算法，应用方便。
本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，包括顶板、连接竖板和传感器安装竖板；
所述顶板的两侧分别设有连接竖板，顶板的一面上设有传感器安装竖板，传感器安装竖板位于连接竖板之间；所述传感器安装竖板的一侧设有若干声学黑洞；传感器安装在传感器安装竖板具有声学黑洞的一侧，传感器上设有传感器检测板。
上述方案中，所述声学黑洞区域的传感器安转竖板的厚度沿声学黑洞从边缘到中心原点逐渐减小。
进一步的，所述声学黑洞区域的传感器安转竖板的截面轮廓曲线由两端向中间收缩，直至声学黑洞区域的对称轴，以轮廓曲线在对称轴上的中点为原点，轮廓曲线满足如下函数：
h(x)＝εxm+h0
式中，h(x)为廓曲线在x点的厚度，x为坐标原点两侧的长度坐标，h0为轮廓曲线的最低厚度，ε为比例系数，m为正有理数且需满足m≥2。
上述方案中，还包括横板；所述横板分别与连接竖板连接。
上述方案中，还包括传感器龙门支架；
所述传感器龙门支架安装在传感器安装竖板具有声学黑洞的一侧；传感器安装在传感器龙门支架上。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型通过布置序列排布的声学黑洞，将联合收获机本体传递的振动能量转移至声学黑洞区域，进行吸收和耗散，降低机器振动对传感器的干扰；将声学黑洞集成于联合收获机传感器安装竖板，从传感器安装结构设计角度实现联合收获机本体宽频振动的吸收与耗散，无需特别设计滤波/降噪电路和算法，应用方便。
附图说明
图1是本实用新型一实施方式的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置的主视图示意图。
图2是本实用新型一实施方式的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置的正视图示意图。
图3是本实用新型一实施方式的声学黑洞的截面轮廓曲线函数示意图。
图4是本实用新型一实施方式的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置的安装传感器示意图。
图5是本实用新型一实施方式模拟力锤冲击仿真结果图。
图6是本实用新型一实施方式对1～1000Hz、5N激励的振动响应仿真结果图。
图中：1、横板；2、顶板；3、连接竖板；4、传感器安装竖板；4-1、声学黑洞区域；5、传感器龙门支架；6、传感器；7、传感器检测板。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1、图2所示为所述基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置的一种较佳实施方式，包括顶板2、连接竖板3和传感器安装竖板4；
所述顶板2的两侧分别设有连接竖板3，顶板2的一面上设有传感器安装竖板4，传感器安装竖板4位于连接竖板3之间；所述传感器安装竖板4的一侧设有若干声学黑洞4-1；传感器6通过传感器龙门支架5安装在传感器安装竖板4具有声学黑洞4-1的一侧，传感器6上设有传感器检测板7。
根据本实施例，优选的，所述声学黑洞4-1区域的传感器安转竖板4的厚度沿声学黑洞4-1从边缘到中心原点逐渐减小。
根据本实施例，优选的，所述声学黑洞4-1区域的传感器安转竖板4的截面轮廓曲线由两端向中间收缩，直至声学黑洞区域的对称轴，以轮廓曲线在对称轴上的中点为原点，轮廓曲线满足如下函数：
h(x)＝εxm+h0
式中，h(x)为声学黑洞变截面段单侧轮廓曲线在x点的厚度，x为坐标原点两侧的长度坐标，h0为声学黑洞变截面段单侧轮廓曲线的最低厚度，ε为比例系数，m为正有理数且需满足m≥2和为常数。
根据本实施例，优选的，还包括横板1；所述横板1分别与连接竖板3连接，横板1、顶板2、连接竖板3和传感器安装竖板4形成龙门支架结构。
根据本实施例，优选的，还包括传感器龙门支架5；所述传感器龙门支架5安装在传感器安装竖板4具有声学黑洞4-1的一侧；传感器6安装在传感器龙门支架5上。
如图4所示，本实用新型的横板1能够与联合收获机本体连接，传感器安装竖板4上声学黑洞4-1一面能够安装传感器龙门支架5，传感器龙门支架5上能够固定传感器6，传感器6上设有传感器检测板7；
本实用新型通过运用声学黑洞的减振技术，使得通过结构几何参数的逐渐减小，使弯曲波的传播速度随着结构几何参数或材料特性参数的变化逐渐减小到零，将弯曲波的能量聚集到声学黑洞中心且不发生反射，从而在宽频域实现结构的减振、降噪、隔音的目的；通过布置序列排布的声学黑洞，将联合收获机本体传递的振动能量转移至声学黑洞区域，进行吸收和耗散，降低机器振动对传感器的干扰。
本实用新型的工作原理如下：
联合收获机本体产生振动在本实用新型提出的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置上以弹性波形式传导。当弹性波经过声学黑洞区域4-1时，随着传感器安装竖板4厚度的逐渐减小，弹性波的相位会逐渐累积，波速会逐渐减小，振幅逐渐增大。当传递至声学黑洞区域4-1的中心原点时，累积相位达到最大、波速减到最小、振幅达到最大，振动能量在声学黑洞中心区域进行耗散，从而实现减振的作用。
通过仿真手段验证本实用新型减振结构的有效性。首先，利用建模软件建立了传感器龙门支架的三维模型；然后，采用Hypermesh软件对龙门支架模型进行有限元网格划分；最后，将模型导入到有限元仿真软件Ansys中，依次进行模态分析和谐响应分析，获取龙门支架的各阶模态固有频率，以及在外部激励下的频率响应曲线，来探究二维声学黑洞结构的振动效果。
实施案例一
通过仿真的手段验证本实用新型的有效性。
1.三维建模与材料设置
对谷物流量传感器龙门支架结构的三维建模通过SOLIDWORKS软件完成，分别建立了不含声学黑洞结构的原始龙门支架和嵌入了二维声学黑洞结构的龙门支架的模型。传感器安装竖板4的尺寸为115*42*3.0mm，在其一面嵌入声学黑洞区域4-1，黑洞区域4-1内包含4个声学黑洞，声学黑洞4-1直径20mm，声学黑洞变截面段单侧轮廓曲线最厚处为3mm，连接竖板3中心点处的厚度为1.5mm，3＝ε*102+1.5，ε＝0.015，
因此轮廓曲线方程为h(x)＝0.015x2+1.5，如图3所示。
材料设置为结构钢，密度7850kg/m3，杨氏模量为2×105Mpa，泊松比为0.3。
2.有限元仿真
考虑到ANSYS软件中内置的网格划分工具的处理结果比较粗糙，使用Hypermesh进行网格划分，将龙门支架结构离散化，Hypermesh操作简单便捷，能够在短的时间内划分出质量更高的网格，Hypermesh软件同时具有良好的兼容性和丰富的数据接口，可以完美实现与ANSYS等有限元分析软件的对接。
网格划分时的最小单元尺寸为1mm。无声学黑洞的传感器支架网格划分的单元数量为82698个，单元的节点数量为136971个。
嵌入二维声学黑洞结构的传感器减振结构的单元数量为84597个，单元的节点数量为140983个。
使用Ansys软件对结构进行数值仿真，计算结构的振动响应。本仿真使用Ansys中的模态分析模块分析结构振动模态，使用Ansys中的谐响应分析模块分析结构对于激励的振动响应。
模态是机械结构固有的振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比以及振型。模态分析通过计算或实验分析的方法来确定这些用以描述结构动态特性的模态参数。模态分析是研究结构的动态特性的主要方法之一，通过模态分析可以获得结构在某些频率范围内的各阶模态特性，包括固有频率、模态振型等，还能够模拟出结构在该段频率下的振动效果。利用模态分析获得的结构振动特性数据可以建立其振动响应的预测模型，以便对结构进行控制或优化设计。进行谐响应分析需要以模态分析结果作为基础。
谐响应分析可以计算出结构在某些频率范围内受到正弦激励作用下的稳态振动响应值，获得结构的位移、速度、加速度的响应和频率曲线。在模态分析中求解出龙门支架模型的固有频率后，再利用ANSYS谐响应分析获取结构在模拟作业环境下的频率响应曲线，来分析减振结构的减振性能。
频率响应函数是以频率作为自变量的函数，它描述了在不同频率下外部输入与系统的响应之间的对应关系，包含幅值信息和相位信息等，系统响应可以是结构的振动位移、速度、加速度等。频率响应函数描述了振动系统受外部激励时的振动特性，可以用来分析机器或结构的动态强度和刚度。
对横板1施加固定约束，对连接竖板3施加20N的力，模拟力锤冲击情况。
对横板1施加固定约束，对连接竖板3施加1～1000Hz、5N的激励，模拟振动冲击情况。
3.计算结果分析
统计传感器安装竖板上声学黑洞所在侧面的加速度，模拟力锤冲击仿真结果如图5所示。实验组虚线为本实用新型的振动响应曲线，对照组实线为不含声学黑洞结构的振动响应曲线，纵坐标为频率，横坐标为log10(a)，a为加速度响应值，单位mm/s2。
本实用新型提供的基于声学黑洞的减振结构的频率响应曲线在图像上表现为左移。在0-4000Hz的频率范围内，可以明显看到原始结构和本实用新型提供的减振结构有三个共振峰，共振峰值反映了当激励频率和结构的某个固有频率相同时，引起结构共振的剧烈程度。
本实用新型提供的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振结构的共振峰明显低于不含声学黑洞结构，表明本实用新型可以降低力锤冲击引发的传感器安装竖板的振动。
本实用新型对1～1000Hz、5N的激励的振动响应仿真结果如图6所示。实验组虚线为本实用新型的振动响应曲线，对照组实线为不含声学黑洞结构的振动响应曲线，纵坐标为频率，横坐标为log10(a)，a为加速度响应值，单位mm/s2。
本实用新型提供的基于声学黑洞的减振结构的频率响应曲线在图像上表现为左移。在0-4000Hz的频率范围内，可以明显看到两个模型分别有三个共振峰。本实用新型提供的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振结构的共振峰明显低于不含声学黑洞结构，表明本实用新型可以降低振动冲击引发的传感器安装竖板的振动。
综上所述，本实用新型提出的一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振结构的整体结构简单，能实现高效的振动能量聚集和吸收，达到良好的减振效果。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，其特征在于，包括顶板(2)、连接竖板(3)和传感器安装竖板(4)；
所述顶板(2)的两侧分别设有连接竖板(3)，顶板(2)的一面上设有传感器安装竖板(4)，传感器安装竖板(4)位于连接竖板(3)之间；所述传感器安装竖板(4)的一侧设有若干声学黑洞(4-1)；传感器(6)安装在传感器安装竖板(4)具有声学黑洞(4-1)的一侧，传感器(6)上设有传感器检测板(7)。
2.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，其特征在于，所述声学黑洞(4-1)区域的传感器安装竖板(4)的厚度沿声学黑洞(4-1)从边缘到中心原点逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，其特征在于，所述声学黑洞(4-1)区域的传感器安装竖板(4)的截面轮廓曲线由两端向中间收缩，直至声学黑洞区域的对称轴，以轮廓曲线在对称轴上的中点为原点，轮廓曲线满足如下函数：
h(x)＝εxm+h0
式中，h(x)为轮廓曲线在x点的厚度，x为坐标原点两侧的长度坐标，h0为轮廓曲线的最低厚度，ε为比例系数，m为正有理数且需满足m≥2。
4.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，其特征在于，还包括横板(1)；所述横板(1)分别与连接竖板(3)连接。
5.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的联合收获机传感器减振装置，其特征在于，还包括传感器龙门支架(5)；
所述传感器龙门支架(5)安装在传感器安装竖板(4)具有声学黑洞(4-1)的一侧；传感器(6)安装在传感器龙门支架(5)上。
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