劉媛杰 ，胡　燦，樸在林

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾　843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾　843300；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 沈陽　110866)

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棉花覆膜播種機(jī)振動測試試驗(yàn)與激勵源分析

劉媛杰1，2，胡燦1，2，樸在林3

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾843300；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 沈陽110866)

摘要：南疆棉田中大量的田間雜物對播種機(jī)造成了較大的振動影響，降低了排種器的排種精度。為了測試不同作業(yè)速度下的播種機(jī)振動特性，以2BMJ-8/2 型機(jī)械式棉花精量覆膜播種機(jī)為測試點(diǎn)，利用測振儀器布置測點(diǎn)，測試在不同作業(yè)速度下的振動位移，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果表明：覆膜播種機(jī)作業(yè)速度為9.8～10.5km/h時，振動幅值主要發(fā)生在低頻0～10Hz的頻率段，受到的振動激勵主要為田間雜物的纏繞、土塊振動等影響；覆膜播種機(jī)作業(yè)速度為7.5～8km/h時，播種機(jī)振動幅值明顯減小，能保持較優(yōu)的作業(yè)效率，工作狀況為最優(yōu)；覆膜播種機(jī)低速作業(yè)時，振動幅值較小，振動頻率在0～50Hz之間，與柴油機(jī)的振動頻率接近，振動激勵主要來自于拖拉機(jī)動力振動。

關(guān)鍵詞：棉花；覆膜播種機(jī)；振動測試；頻譜分析

0引言

春耕季節(jié)，新疆棉花主要以大型機(jī)械化方式進(jìn)行覆膜播種。目前，采取的播種作業(yè)包括滴灌帶布置、地膜覆蓋、開溝覆土及精密播種等作業(yè)工序。隨著長期覆膜播種耕作的進(jìn)行，農(nóng)田中殘留了大量的農(nóng)用殘膜、棉茬等田間雜物，播種機(jī)以不同的作業(yè)速度進(jìn)行播種作業(yè)時，田間雜物對播種機(jī)造成了較大的振動影響，從而降低了精密播種機(jī)的排種性能[1-2]。因此，研究播種機(jī)作業(yè)速度與振動影響之間的關(guān)系，對提高排種精度與準(zhǔn)確度有著重要的實(shí)際意義。

在播種機(jī)振動特性的研究上，張曉冬等對農(nóng)田的不平度激勵振動進(jìn)行了力學(xué)建模分析，分析了農(nóng)田不平度振動激勵對鏟式玉米精密播種機(jī)播種性能的影響，并建立了播種機(jī)受不平度振動穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與理論粒距關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[3]。劉月琴等利用排種實(shí)驗(yàn)臺，對免耕方式下氣吸式播種機(jī)排種裝置的受田間雜物的振動激勵影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定。結(jié)果表明：玉米排種時受播種機(jī)作業(yè)速度影響最大，經(jīng)測試最優(yōu)的種盤速度為25～30m/s，此時的排種性能最好[4]。

為此，針對南疆棉田春耕聯(lián)合播種機(jī)械的受振動影響下機(jī)械式旋播器的排種現(xiàn)狀，結(jié)合棉花種植的農(nóng)藝技術(shù)，利用振動測試設(shè)備及相關(guān)振動分析軟件，測試了聯(lián)合播種機(jī)在受到田間雜物影響下的振動特性，旨在為進(jìn)一步研究機(jī)械式旋播器的振動激勵影響提供技術(shù)參數(shù)與參考數(shù)據(jù)。

1試驗(yàn)裝置與測試設(shè)備

1.1　棉花精量覆膜播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

南疆棉田的播種作業(yè)機(jī)械中，機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。振動測試試驗(yàn)采用2BMJ—8/2 型棉花機(jī)械式精量覆膜播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，如圖1所示。該機(jī)采用水平圓盤機(jī)械式排種器，作業(yè)幅寬為2.2m，配套動力為37kW，最大作業(yè)速度可達(dá)11.0km/h，正常作業(yè)時生產(chǎn)率為0.69hm2/h；播種作業(yè)時，可一次性進(jìn)行滴灌帶鋪設(shè)及地膜覆蓋等作業(yè)，是南疆干旱區(qū)最常用的播種作業(yè)機(jī)械[5]。

圖1　2BMJ—8/2 型機(jī)械式棉花精量覆膜播種機(jī)

1.2　振動測試的主要設(shè)備

棉花精量覆膜播種機(jī)的振動測試儀表設(shè)備主要包括兩部分：一是現(xiàn)場各測量點(diǎn)的傳感器及信號變送裝置；二是是對現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換處理、振動信號顯示及頻譜分析等。

1)現(xiàn)場的振動測量傳感器?，F(xiàn)場振動測量傳感器采用磁電式速度傳感器，其在振動測量時優(yōu)化了壓電式傳感器在低頻振動信號采集時測量精度不夠的問題，具有更好的精度及可靠性?，F(xiàn)場傳感器采用江陰眾和公司生產(chǎn)的SZ-6型磁電式速度傳感器，測振量程為0～500mm，輸出信號為4～20mA電流信號；信號通過現(xiàn)場變送器輸入到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)輸入至顯示儀表與計算機(jī)上，可方便地進(jìn)行振動試驗(yàn)的記錄。

2)數(shù)據(jù)記錄與處理。通過對播種機(jī)進(jìn)行振動測試試驗(yàn)后，數(shù)據(jù)通過計算機(jī)實(shí)時自動獲取與保存。同時，利用MatLab 7.0軟件與FFT頻譜分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，以得出各種狀態(tài)下的振動激勵變化。FFT頻譜分析方法是一種最用的振動信號分析方法，主要用于振動數(shù)據(jù)處理與頻譜分析[6-7]。

2振動測試試驗(yàn)方法

2.1　測點(diǎn)的布置

覆膜播種機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時受到的振動激勵是多方面的振動影響，根據(jù)覆膜播種機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要在排種器各個平面進(jìn)行振動傳感器的布置。以排種器為基準(zhǔn)坐標(biāo)，垂直于地面的方面為Z方向，排種器的左、右振動方向分別為X、Y方向。在不同的方向分別安裝傳感器，以確保測試出各個方向的振動位移[8]。

2.2　測試的方法

測試試驗(yàn)主要以播種機(jī)作業(yè)速度作為主要的參考依據(jù)，測試在不同的播種速度下播種器振動變化情況。根據(jù)棉花播種機(jī)的各類進(jìn)行參數(shù)，設(shè)計了高速、中速與低速3種播種機(jī)作業(yè)速度，分別為：高速9.8～10.5km/h，中速7.5～8km/h，低速4～4.5km/h。根據(jù)田間地表狀況的不同，每種速度下進(jìn)行3組單因素的測試試驗(yàn)，將測定后的振動值取平均值，記錄3種速度下的單因素試驗(yàn)結(jié)果。

3測試結(jié)果與分析

3.1　測試結(jié)果

振動試驗(yàn)記錄了播種機(jī)在高速、中速與低速3種作業(yè)速度下的氣吸式精量播種器X、Y、Z方向的振動值。表1顯示了播種機(jī)高速作業(yè)時的播種器各測點(diǎn)振動值。結(jié)果表明：Z方向垂直于地面的振動為播種器受到田間雜物等因素影響的主要振動，振動的幅值較大，最大時達(dá)到0.8mm的振動幅值，影響播種器的排種性能；X、Y方向的振動幅值較小，振動的頻率主要集中在較低的頻率段，對播種器的排種性能影響較小。表2、表3分別為播種機(jī)中速作業(yè)時的播種器各測點(diǎn)振動值。其中，Z方向仍為振動的主要發(fā)生方向，振動幅值明顯高于其他方向的振動；播種機(jī)作業(yè)速度對振動值影響顯著，同樣的播種模式下，降低速度，可使振動值明顯減小。

表1　播種機(jī)高速作業(yè)時的各測點(diǎn)振動值

表2　播種機(jī)中速作業(yè)時的各測點(diǎn)振動值

表3　播種機(jī)低速作業(yè)時的各測點(diǎn)振動值

3.2　振動激勵源分析

根據(jù)振動測試結(jié)果，Z方向?yàn)檎駝拥闹饕较?，對Z方向的垂直振動進(jìn)行頻譜分析可揭示不同作業(yè)速度下的振動值頻譜分布規(guī)律。利用MatLab 7.0軟件與FFT頻譜分析方法，對測試后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與頻譜分析，得到3種轉(zhuǎn)速下的播種機(jī)Z方向頻率振動特點(diǎn)。 圖2所示為2s時間內(nèi)播種機(jī)高速作業(yè)時的瞬間垂直振動圖。

圖2　播種機(jī)高速作業(yè)時的振動信號

圖3 所示為覆膜播種機(jī)高速作業(yè)時Z方向的振動頻譜。圖3中，較大的振動幅值主要發(fā)生在低頻0～10Hz 的頻率段。其中，2.5Hz時與7.5Hz時振動的幅值最大，達(dá)到0.8mm的振動值，結(jié)合田間實(shí)驗(yàn)，此時為田間較大土塊和雜物對地輪的振動影響；4.5～5.5Hz頻率段振動幅值為0.4mm，振動頻率較為集中，結(jié)合田間實(shí)驗(yàn)，此時一般為播種機(jī)傳動機(jī)構(gòu)受到田間雜物的纏繞影響。

圖4 所示為覆膜播種機(jī)中速作業(yè)時Z方向的振動頻譜。圖4中，較大的振動幅值主要發(fā)生在低頻0～5Hz 的頻率段。其中，0.5Hz時與2.5Hz時振動的幅值較大，分別達(dá)到0.6mm與0.8mm的振動值。頻譜分析的結(jié)果表明：播種機(jī)作業(yè)速度為7.5～8km/h時，播種機(jī)振動幅值明顯減小，且播種效果良好；根據(jù)大面積播種作業(yè)速度不低于8km/h的要求，中速作業(yè)時的振動幅值與作業(yè)效果為最優(yōu)。

圖3　播種機(jī)高速作業(yè)時Z方向的振動頻譜

圖4　播種機(jī)中速作業(yè)時Z方向的振動頻譜

圖5所示為覆膜播種機(jī)低速作業(yè)時Z方向排種器與播種機(jī)本體合成的振動頻譜。低速作業(yè)時，振動發(fā)生的幅值較小，振動的影響主要來自于拖拉機(jī)動力振動，最大振動幅值為0.5mm，振動頻率在0～50Hz之間，與柴油機(jī)的振動頻率接近。因此，在低速作業(yè)時，由于田間雜物振動激勵影響減小，主要的激勵源來自拖拉機(jī)動力振動激勵。

圖5　播種機(jī)低速作業(yè)時Z方向的振動頻譜

4結(jié)論

1)測試結(jié)果表明：在作業(yè)速度較高時，垂直于地面的Z方向振動為排種器受到田間雜物等因素影響的主要振動，振動的幅值較大，最大時達(dá)到0.8mm的振動幅值，影響播種器的排種性能；X、Y方向的振動幅值較小，對播種器的排種性能影響較小。

2)覆膜播種機(jī)作業(yè)速度為9.8～10.5km/h時，振動幅值主要發(fā)生在低頻0～10Hz 的頻率段，受到的振動激勵主要為田間雜物的纏繞、土塊振動等影響。覆

膜播種機(jī)作業(yè)速度為7.5～8km/h時，播種機(jī)振動幅值明顯減小，播種效果良好，能保持較優(yōu)的作業(yè)效率，此時的工作狀況為最優(yōu)。

3)覆膜播種機(jī)低速作業(yè)時，振動幅值較小，振動的影響主要來自于拖拉機(jī)動力振動，振動頻率在0～50Hz之間，與柴油機(jī)的振動頻率接近。

參考文獻(xiàn)：

[1]王穎,李成華,王慧慧.鏟式玉米精密播種機(jī)振動對播種質(zhì)量影響的試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(8):124-126.

[2]胡軍.精密播種單體播深控制的理論與試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué),2012.

[3]張曉冬,李成華,湯秋艷,等.鏟式玉米精密播種機(jī)振動特性試驗(yàn)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009(6):732-735.

[4]劉月琴,劉漢濤,趙滿全,等.氣吸式免耕播種機(jī)排種裝置的振動試驗(yàn)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(4):145-149.

[5]董春旺,毛樹春,胡斌,等.盤吸式穴盤播種機(jī)拋振系統(tǒng)運(yùn)動分析與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(6):124-128.

[6]張曉冬,李成華,李建橋,等.鏟式玉米精密播種機(jī)振動特性模型建立與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2014,45(2):88-93.

[7]曹文,丁俊華,李再臣.機(jī)械式精密排種器的研究與設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(7):142-145.

[8]陳紹斌.精密播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2007.

The Excitation Vibration Test and Analysis in Cotton Precise Plastic Film Layering Sower

Liu Yuanjie1,2, Hu Can1,2, Piao Zailin3

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2. The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang, Alar 843300, China; 3.College of Information and Electrical Engineering, Shenyang Agricultural Uinversity, Shenyang 110866, China)

Abstract：A large number of field Cotton sundry to drill the larger vibration impact in southern xinjiang, reduce the row of kind of accuracy. To test the machine vibration characteristics under different operation speed, precise coated with 2 BMJ-8/2 mechanical cotton seeding machine for the test point, using vibration instrument measuring point, testing vibration displacement under different operation speed, and frequency spectrum analysis was carried out on the test data. Results show that the effect of seeding machine operation speed is 9.8 10.5km/h, mainly in low frequency vibration amplitude of 0 to 10 HZ frequency, are motivated by the vibration of the main clutter for the field winding, clod vibration, etc; Plastic film layering sower operation speed of 7.5～8km/h, the seeder vibration amplitude was decreased, can keep the optimal efficiency and working conditions for the optimal; Plastic film layering sower operation at low speed, small vibration amplitude, vibration frequency, between 0 to 50 hz and frequency close to the vibration of the diesel engine, the vibration motivation mainly comes from the tractor vibration power.

Key words：cotton; plastic film layering sower; vibration test; spectrum analysis

中圖分類號：S23-0;S237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0151-04

作者簡介：劉媛杰(1982-)，女，陜西府谷人，講師，(E-mail)liuyuanjie2005@163.com。通訊作者：胡燦(1983-)，男，湖南益陽人，講師，(E-mail)hucanboy1@qq.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503105)；塔里木大學(xué)校長基金項(xiàng)目(TDZKSS201412，TDZKQN201510)

收稿日期：2015-07-13