孫啟新,陳書法,楊　進(jìn),蘆新春

(淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港　222005)

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水田激光耙漿平地機(jī)振動(dòng)特性研究

孫啟新,陳書法,楊進(jìn),蘆新春

(淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港222005)

摘要：激光耙漿平地機(jī)代表了水田耕整機(jī)的智能化和精準(zhǔn)化發(fā)展方向，如何提高其作業(yè)精度是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，而激光信號(hào)接收精度是保證水田耕整機(jī)作業(yè)精度的關(guān)鍵因素之一。為此，從整機(jī)角度出發(fā)，分析了其振動(dòng)特性對(duì)激光信號(hào)接收精度的影響。耙漿平地機(jī)是自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)的耦合，振動(dòng)給激光接收器和支撐桿帶來(lái)較大的空間擺動(dòng)，造成接收器偏離激光信號(hào)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程和四參數(shù)法建立雙層隔振模型，采用模糊優(yōu)化方法對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解，在此基礎(chǔ)上完成隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該隔振系統(tǒng)可有效地降低整機(jī)振動(dòng)對(duì)支撐桿的激勵(lì)，支撐桿擺角從25°減小到2°左右，激光接收器橫向振動(dòng)振幅控制在6cm以下，隔振系統(tǒng)傳遞率穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：激光；耙漿平地機(jī)；振動(dòng)；四參數(shù)法；隔振系統(tǒng)

0引言

近年來(lái)，水田耕整機(jī)正由單一型向復(fù)合型轉(zhuǎn)變，由粗獷型作業(yè)向精細(xì)作業(yè)轉(zhuǎn)變，由半自動(dòng)向智能化轉(zhuǎn)變。激光平地機(jī)以激光為測(cè)量信號(hào)來(lái)精確控制平地鏟的高度和水平傾斜度，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精準(zhǔn)化作業(yè)，在水田作業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣[1-2]。將耙漿埋茬機(jī)與激光平地機(jī)集成可實(shí)現(xiàn)水田耕整一次作業(yè)，減少拖拉機(jī)下地次數(shù)及機(jī)具對(duì)水田的破壞性，保護(hù)水田的生態(tài)環(huán)境；同時(shí)可提高生產(chǎn)效率，降低作業(yè)能耗。

由于土壤厚度高低不同，耙漿埋茬機(jī)在作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，再加上拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，這些振動(dòng)經(jīng)連接接頭傳到平地機(jī)，造成液壓系統(tǒng)和姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)，對(duì)平地鏟的姿態(tài)調(diào)整帶來(lái)誤差。特別是激光接收器支撐桿的前后左右劇烈抖動(dòng)，嚴(yán)重影響接收器正常工作，進(jìn)而造成激光平地作業(yè)失敗。為此，設(shè)計(jì)了專用隔振系統(tǒng)，提高了支撐桿的裝配精度，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的隔振效果。

1整機(jī)振動(dòng)性能分析

水田激光耙漿平地機(jī)由懸掛機(jī)構(gòu)、耙漿埋茬機(jī)構(gòu)、平地機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和激光發(fā)射接收系統(tǒng)組成，如圖1所示。該機(jī)可一次性完成水田耙漿埋茬平地作業(yè)，以激光信號(hào)作為基準(zhǔn)平面通過(guò)液壓控制系統(tǒng)調(diào)整平地鏟的姿態(tài)，耕整后的田面平整度低于3cm。與普通耙漿平地機(jī)相比作業(yè)效率可提高30%左右，節(jié)省水肥投入20%左右，有利于水田可持續(xù)性耕作。

1.耙漿埋茬機(jī)構(gòu)　2.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)　3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)　4.變速器

農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境非常惡劣，振源和振動(dòng)類型非常復(fù)雜，本文從對(duì)信號(hào)接收精度主要影響因素出發(fā)對(duì)激光耙漿平地機(jī)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析。

1.1　振源分析

激光耙漿平地機(jī)振源主要來(lái)自拖拉機(jī)行走及其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)、耙漿埋茬機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)及平地鏟自身產(chǎn)生的振動(dòng)3個(gè)方面。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生高頻周期性振動(dòng)，對(duì)耕整機(jī)會(huì)帶來(lái)直線顛簸和空間耦合擺動(dòng)[3]。耕耙機(jī)的振動(dòng)較復(fù)雜，既是受迫振動(dòng)又是自激振動(dòng)。邱白晶[4]對(duì)整機(jī)的隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了響應(yīng)分析，提出對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和旋耕刀軸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，減小整機(jī)尺寸提高關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度和剛度，可有效降低整機(jī)的振動(dòng)。平地鏟本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)傳遞，其振動(dòng)是由地面的高低不平和耕耙機(jī)振動(dòng)引起，主要是受迫振動(dòng)。通過(guò)對(duì)緩沖系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)特性優(yōu)化，液壓系統(tǒng)可吸收部分振動(dòng)。但受以上振動(dòng)影響最嚴(yán)重的是激光接收裝置，由于支撐桿細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)和裝配連接方式，這些振動(dòng)會(huì)被進(jìn)一步放大。

1.2　振動(dòng)類型分析

通過(guò)分析激光接收裝置產(chǎn)生振動(dòng)的原因，支撐桿所受振動(dòng)可分為自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)，這些都是隨機(jī)振動(dòng)。按照振動(dòng)方向，分為縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)。

本文以自制樣機(jī)作為大田試驗(yàn)對(duì)象，在激光接收器位置安裝傾角和位移傳感器，并借助頻率測(cè)量?jī)x，測(cè)得整機(jī)作業(yè)時(shí)的接收器與支撐桿的各項(xiàng)振動(dòng)性能參數(shù)如表1所示。針對(duì)不同的作業(yè)要求將試驗(yàn)分為8組進(jìn)行。

表1　接收器與支撐桿振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)值

從表1可得出：牽引機(jī)前進(jìn)速度、耕深和刀軸轉(zhuǎn)速越大，支撐桿擺角和振幅越大。這說(shuō)明外部激勵(lì)對(duì)接收器和支撐桿有強(qiáng)烈的振動(dòng)激勵(lì)作用，必須采取措施進(jìn)行隔振消振。但三因素對(duì)振動(dòng)頻率影響不大，其原因可能是支撐桿存在自由振動(dòng)。支撐桿擺角和振幅之間也不滿足幾何關(guān)系，這也進(jìn)一步證明支撐桿所受振動(dòng)包括自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)。

2振動(dòng)性能對(duì)作業(yè)精度的影響

正常情況下，支撐桿處于豎直狀態(tài)固定在平地鏟上，其長(zhǎng)度在2m左右，直徑0.03~0.05m，在平地鏟的帶動(dòng)下做垂直上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)平地鏟處于高位時(shí)(如圖2中B點(diǎn)所示)，接收器接收不到激光信號(hào)，控制系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)液壓系統(tǒng)帶動(dòng)平地鏟下降直到接收到信號(hào)為止。由于支撐桿的左右抖動(dòng)，造成接收器在信號(hào)平面附近不停的晃動(dòng)(如C點(diǎn)所示)。這樣控制系統(tǒng)就會(huì)不停地計(jì)算當(dāng)前位置，然后給液壓系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，并反饋調(diào)整結(jié)果，系統(tǒng)始終處于運(yùn)算狀態(tài)，造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算量大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。因此，消除激光接收器的振動(dòng)是提高耙漿平地機(jī)作業(yè)精度的關(guān)鍵因素之一。

設(shè)支撐桿振動(dòng)過(guò)程中擺角為α，則

Δh3=L(1-cosα)

(1)

水田作業(yè)時(shí)激光接收器豎直高度要超過(guò)牽引機(jī)高度，為防止激光信號(hào)被遮擋，所以支撐桿的長(zhǎng)度L一般為2m左右。根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)值，支撐桿最大擺角α可達(dá)25°，將這兩個(gè)數(shù)據(jù)代入式(1)可得△h3=18.7cm,接收器振幅達(dá)到85cm。以美國(guó)天寶(Trimblr)激光平地機(jī)為例，其激光接收器檢測(cè)精度為±0.6cm，△h3數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出接收器檢測(cè)接收范圍。這樣控制系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)升高，調(diào)整平地鏟位置不停地尋找激光信號(hào)，系統(tǒng)一直處于修正狀態(tài)，此時(shí)拖拉機(jī)已帶動(dòng)作業(yè)機(jī)具來(lái)到下一個(gè)位置D點(diǎn)，最終造成平地作業(yè)失敗。

1.水田地表　2.支撐桿　3.接收器　4.基準(zhǔn)平面

3隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　隔振系統(tǒng)建模

支撐桿通過(guò)連接座與平地鏟裝配在一起，支撐桿底部和四周都可傳遞振動(dòng)激勵(lì)。因此，支撐桿與連接座之間的隔振既要考慮底部縱向減振，又要阻斷橫向激振。整個(gè)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙層隔振，系統(tǒng)模型如圖3所示。圖3中，m1表示支撐桿和激光接收器，兩者通過(guò)隔振系統(tǒng)固定在連接座上；m2表示連接座，通過(guò)隔振系統(tǒng)固定在平地鏟上；平地鏟和耙漿機(jī)被視為剛體基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上加上隨機(jī)位移μ0作為輸入激勵(lì)。

圖3　隔振系統(tǒng)模型

借助動(dòng)力學(xué)定律建立隔振系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程[5]為

(2)

式中m1—被隔振物體質(zhì)量；

m2—中間物體質(zhì)量；

k1、k2、k3—?jiǎng)偠认禂?shù)；

c1—阻尼系數(shù)；

x1、x2、xc、μ0—位移(mm)。

四參數(shù)法只考慮隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)特性，特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題的分析設(shè)計(jì)[6]。對(duì)式(1)進(jìn)行傅里葉變換，并運(yùn)用四端參數(shù)法整個(gè)隔振系統(tǒng)可表示為[7]

(3)

令

(4)

由隔振傳遞率計(jì)算公式得[8-9]

(5)

式中Td—隔振傳遞率；

m1—被隔振物體質(zhì)量；

m2—中間物體質(zhì)量；

k1、k2、k3—?jiǎng)偠认禂?shù)；

c1—阻尼系數(shù)；

x1、u0—位移(mm)。

設(shè)

(6)

則Td可寫為

(7)

其中，μ為質(zhì)量比；d為阻尼比；ω1為被隔振物體固有頻率；ω2為中間物體固有頻率；f為固有頻率比；g為擾頻比；N為剛度比。

3.2　隔振系統(tǒng)優(yōu)化求解

按照式(7)對(duì)Td進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算便可確定被隔振物體與中間物體的各項(xiàng)參數(shù)的最優(yōu)取值。

隔振系統(tǒng)包含大量的模糊因素, 具體表現(xiàn)在設(shè)計(jì)變量的模糊性及約束條件的模糊性。本文采用模糊優(yōu)化理論，建立被隔振物體與中間物體的各項(xiàng)參數(shù)與隔振傳遞率間的多目標(biāo)模糊優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用粒子群算法對(duì)變量進(jìn)行優(yōu)化搜索。

3.2.1優(yōu)化函數(shù)構(gòu)建

由于激光信號(hào)接收器外形結(jié)構(gòu)與質(zhì)量一定，所以質(zhì)量m1、ω1是已知條件，選取m2、ω2、k1、k2、k3、c1為設(shè)計(jì)變量。這些參數(shù)決定隔振傳遞率，即

X=(x1,x2,x3,x4,x5,x6)T=(m2,ω2,k1,k2,k3,c1)T

(8)

隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是保證傳遞率最小和穩(wěn)定性，因此選取Td為目標(biāo)函數(shù)，為考察分別中間物體、剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)等不同參數(shù)對(duì)Td的影響，同時(shí)考慮減少計(jì)算量，構(gòu)建如下4個(gè)目標(biāo)函數(shù)，有

(9)

然后按照按照式(6)、式(7)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)式(9)。

設(shè)計(jì)變量m2、ω2、k1、k2、k3、c1之間存在相互影響，且取值范圍既要考慮設(shè)計(jì)制造水平，又要考慮材質(zhì)，存在不同程度的模糊性，難以準(zhǔn)確的去判斷。采用模糊表達(dá)方式確定變量的上下界約束條件為

(10)

式(8)~式(10)構(gòu)成了求解傳遞率最優(yōu)值的模糊優(yōu)化函數(shù)模型。

3.2.2多目標(biāo)模糊優(yōu)化的求解

由于約束的模糊性, 為了獲得模糊目標(biāo)集, 應(yīng)用λ最優(yōu)水平截集法將模糊約束的允許區(qū)間轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)論域上的一個(gè)普通集合[10]，則

(11)

其中，λ*為最優(yōu)值。按照式(11)可求得式(9)中各子目標(biāo)函數(shù)在普通集合條件下的約束最優(yōu)解。

接下來(lái)構(gòu)造各子目標(biāo)函數(shù)模糊目標(biāo)集的隸屬函數(shù)[11]，有

(12)

考慮到各子目標(biāo)函數(shù)的貢獻(xiàn)率應(yīng)包含在同一模糊集合之中, 此模糊集合的隸屬函數(shù)可取為[12]

(13)

(14)

對(duì)式(14)運(yùn)用粒子群算法尋找全局最優(yōu)值，最終結(jié)果如表2所示。

表2　多目標(biāo)模糊優(yōu)化的最優(yōu)值和最優(yōu)解

3.3　隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文完成了整個(gè)隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示。為隔斷縱向振動(dòng)，考慮到空間尺寸和裝配工藝問(wèn)題，在連接座與平地鏟之間添加減振墊，在支撐桿與平地鏟之間加入特制橡膠隔振器。為隔斷橫向激振，在支撐桿與連接座之間設(shè)計(jì)了彈性筒夾、錐套與隔振環(huán)，三者配合消除了支撐桿與連接座之間的配合間隙，保證支撐桿安裝時(shí)的垂直精度，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)操作更簡(jiǎn)便和快速。

1.連接座　2.隔振器　3.銷釘　4.隔振環(huán)　5.螺母

在彈性筒夾通過(guò)自身彈性吸收部分激振，減振環(huán)采用橡膠材料，經(jīng)減震槽可靠地固定到底座上，進(jìn)一步減小支撐桿的縱向振動(dòng)。

隔振器做成中空的環(huán)形裝，靠橡膠自身的阻尼特性和內(nèi)部殘留空氣的壓縮，減小支撐桿的縱向振動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該隔振器即考慮了其隔振傳遞率，又不會(huì)人為地增加整個(gè)支撐桿的安裝難度和高度。

圖5　隔振器結(jié)構(gòu)

4試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的隔振效果，進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。試驗(yàn)在1-3 000Hz/SZT型四度空間振動(dòng)平臺(tái)上完成，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)垂直、水平正負(fù)方向的單獨(dú)振動(dòng)和多個(gè)方向的組合振動(dòng)，振動(dòng)頻率在1～3 000Hz之間，可較好地模擬水田作業(yè)真實(shí)振動(dòng)情況。

1.夾具　2.傳感器　3.隔振系統(tǒng)　4.振動(dòng)頻率測(cè)量?jī)x

試驗(yàn)分為兩組進(jìn)行：第1組是激光接收器支撐桿直接通過(guò)無(wú)減振隔振性能的夾具固定在振動(dòng)平臺(tái)上；第2組是激光接收器支撐桿通過(guò)隔振系統(tǒng)固定在振動(dòng)平臺(tái)上，支撐桿與連接座的連接、激光接收器與支撐桿的連接完全按照實(shí)際生產(chǎn)中的情況處理。在振動(dòng)臺(tái)相同的輸入情況下，分別測(cè)量?jī)煞N情況下支撐桿的振幅和振動(dòng)頻率。在支撐桿中部、激光接收器固定位置處分別設(shè)置兩組位移傳感器，用來(lái)測(cè)量支撐桿的擺動(dòng)角度和位移。支撐桿的底部安裝一振動(dòng)頻率測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量其振動(dòng)頻率。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)诫娔X經(jīng)處理系統(tǒng)處理生成圖表，便于進(jìn)一步分析。

由試驗(yàn)結(jié)果可看出本文設(shè)計(jì)的隔振系統(tǒng)的效果良好。由圖7得出：隔振系統(tǒng)將激光接收器的橫向振幅控制在6mm以下，在高頻階橫向振幅比未隔振情況下減少了4倍左右，根據(jù)接收器高度可計(jì)算出其擺動(dòng)角度從25°減小到2°左右，保證了接收器不會(huì)偏離激光信號(hào)。圖8隔振傳遞率曲線進(jìn)一步說(shuō)明該系統(tǒng)在高頻階段的性能比較穩(wěn)定。低頻階段波動(dòng)較大，這與系統(tǒng)的固有頻率有關(guān)，系統(tǒng)產(chǎn)生了共振。

從圖9中看到：當(dāng)輸入頻率為20Hz時(shí)，隔振系統(tǒng)輸出頻率在初始階段下降了50%左右，隨著時(shí)間的推移振動(dòng)頻率出現(xiàn)一定波動(dòng)，這與支撐桿的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的共振以及激光接收器自身質(zhì)量有關(guān)，需進(jìn)一步從材料和結(jié)構(gòu)上對(duì)支撐桿及接收器的固定方式進(jìn)行改進(jìn)。與表1相比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與田間樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合。

圖7　激光接收器振幅變化曲線

圖8　隔振傳遞率曲線

圖9　頻率變化曲線

5結(jié)論

1)在系統(tǒng)分析了激光耙漿平地機(jī)的振動(dòng)性能基礎(chǔ)上，提出二級(jí)隔振方法，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)原理和四端參數(shù)法，建立了二級(jí)隔振系統(tǒng)模型。

2)采用模糊優(yōu)化方法對(duì)隔振系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行求解，在此基礎(chǔ)上完成隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該二級(jí)隔振系統(tǒng)由隔振器、減振墊和隔振環(huán)及彈性筒夾組成，前兩者用來(lái)隔斷縱向激振，后兩者用來(lái)隔斷橫向激振。

3)試驗(yàn)表明：該隔振系統(tǒng)隔振效果較好，支撐桿最大擺角從25°減小到2°左右，激光信號(hào)接收器振幅控制在6cm以下，隔振系統(tǒng)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率穩(wěn)定，大大提高了耙漿平地機(jī)的激光信號(hào)接收精度。

4)支撐桿自身的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和接收器質(zhì)量會(huì)引起自由振動(dòng)， 從材料、 結(jié)構(gòu)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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Study on Vibration Characteristics of Laser Leveler Installed on a Tillage Machine in Paddy Field

Sun Qixin, Chen Shufa, Yang Jin, Lu Xinchun

(College of Mechanical Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China)

Abstract：Laser leveler installed on a tillage machine in paddy field means the development direction of agricultural equipment.The accuracy improvement of laser signal receiving is one of the key factors for its popularisation. In this paper, the factors which influnced laser signal receiving accuracy were analysised on the basis of the characteristics of multifunction tillage machine. Laser leveler installed on a tillage machine was the coupling of free vibration and forced vibration which drove the the laser receiver fixed on stand bar swing.Firstly,the model of vibration isolation system was built based on the kinetic equations and four-pole parameters theory.Secondly, fuzzy optimization method was used to optimize the vibration isolation system .Thirdly, according to the system model, the structure desgin of vibration isolation system was achieved.Finally,a test was designed to verify the vibration isolation system upon vibration test stand.The prediction results showed that the vibration isolation system was reliable to laser leveler installed on a tillage machine.The lateral amplitude of the receiver was less than 6mm,and the swing angle of the supporting rod was reduced from 25 to 2 degrees.

Key words：laser； tillage machine； vibration； four-pole parameters； vibration isolation system

中圖分類號(hào)：TP18；S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0028-06

作者簡(jiǎn)介：孫啟新(1976-), 男，江蘇連云港人，講師，(E-mail)sunqixinsd@163.com。

基金項(xiàng)目：蘇北科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(BN2014020)；連云港市農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(CN1413)

收稿日期：2015-10-14