徐竹鳳，薛新宇，崔龍飛

(1.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 2100141；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥 230036)

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農(nóng)田地面不平度測(cè)量與分析

徐竹鳳1,2，薛新宇1，崔龍飛1

(1.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 2100141；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥 230036)

農(nóng)田地面高低不平是導(dǎo)致農(nóng)機(jī)行駛時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原因，想要研究各種農(nóng)機(jī)在不同農(nóng)田地面行駛時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題，不可避免地要研究不同農(nóng)田的地面不平度。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)還未開(kāi)始系統(tǒng)全面地研究不同農(nóng)田地面不平度及科研工作者在研究農(nóng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題時(shí)受限于沒(méi)有農(nóng)田地面不平度作為隨機(jī)激勵(lì)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套適用于不同類型拖拉機(jī)且安裝方便的測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)陜西海升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)中的3種地面(果園軟路面、堅(jiān)實(shí)土路、石子路)的不平度進(jìn)行了測(cè)量與分析，得到3種地面的不平度與功率譜密度曲線。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)功率譜密度比較，得出軟路面和堅(jiān)實(shí)土路的地面等級(jí)介于C級(jí)和D級(jí)之間，石子路的地面等級(jí)介于B級(jí)和C級(jí)之間，表明石子路地面較其他兩種地面平整。其結(jié)果與所觀察到的真實(shí)地況相符，從而驗(yàn)證了該套測(cè)量系統(tǒng)的可靠性，為以后建立農(nóng)田地面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)和研究農(nóng)機(jī)行駛振動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

農(nóng)田；地面不平度；功率譜密度；慣性基準(zhǔn)；測(cè)量系統(tǒng)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械(以下簡(jiǎn)稱農(nóng)機(jī))在田間工作時(shí)通過(guò)各種復(fù)雜路面，路面凹凸不平使農(nóng)機(jī)行駛機(jī)構(gòu)如輪胎或履帶對(duì)地面的附著能力降低，不利于對(duì)農(nóng)機(jī)穩(wěn)定操縱，給操作者人身安全帶來(lái)隱患；同時(shí)，路面不平使得農(nóng)機(jī)在行駛中產(chǎn)生振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)身零部件過(guò)早地出現(xiàn)磨損、疲勞和損壞現(xiàn)象，不僅會(huì)縮短農(nóng)機(jī)使用壽命，還會(huì)導(dǎo)致農(nóng)機(jī)維修次數(shù)增加，耗時(shí)費(fèi)力，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在作業(yè)過(guò)程中，農(nóng)機(jī)的振動(dòng)會(huì)降低作業(yè)效果，比較顯著的就是噴桿噴霧機(jī)噴灑農(nóng)藥時(shí)由于路面不平引起噴桿振動(dòng)，容易發(fā)生噴桿與地面接觸產(chǎn)生擠壓變形；噴桿振動(dòng)還會(huì)不斷改變噴嘴與植株的距離，造成一部分植株施藥不足，一部分植株施藥過(guò)量，達(dá)不到噴霧機(jī)在作業(yè)過(guò)程中施藥均勻性的要求，施藥效果就會(huì)降低。因此，研究農(nóng)田地面不平度對(duì)于農(nóng)機(jī)具的使用壽命及作業(yè)穩(wěn)定性研究具有重要意義。

對(duì)農(nóng)田地面不平度的研究，記錄較早的有20世紀(jì)90年代,以鄭聯(lián)珠[1-4]為代表的幾位學(xué)者利用專門研制的軟路面不平度測(cè)定儀, 測(cè)量了幾種田間軟地面的路面譜, 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并經(jīng)系列換算，統(tǒng)計(jì)出考慮了土壤和輪胎特性影響的有效軟路面譜計(jì)算表達(dá)式，雖然年代較早，所使用的測(cè)量設(shè)備也相對(duì)落后，但其提供的理論基礎(chǔ)為以后工作者的研究起到了一定的參考作用。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，人們也一直在不斷更新和改進(jìn)地面不平度的測(cè)量和分析方法。謝斌[5]等采用五輪儀對(duì)某塊耕作地的路面不平度進(jìn)行測(cè)量，得到該地塊的三維模型，用于研究某國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割樣機(jī)在該模型路上行駛平順性。韓愈[6]等提出一種軟路面識(shí)別方法，用于提高軍用越野車在軟路面的機(jī)動(dòng)性。劉姝[7]等利用Solid Works 軟件建立車輪和土壤模型，在土壤模型的定義材料當(dāng)中輸入所測(cè)得的土壤特性參數(shù)(包括土壤試樣的內(nèi)摩擦角φ，粘聚力c，彈性模量E及應(yīng)力應(yīng)變曲線)，再使用Solid works Simulation(Solid works 插件) 對(duì)車輪碾壓土壤過(guò)程進(jìn)行有限元分析，最終得出輪胎與土壤相互作用時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布圖。魯植雄[8]利用激光式不平度測(cè)試儀測(cè)定犁耕耕地地面、圓盤耙耙地地面和驅(qū)動(dòng)耙耙地地面的不平度。這些學(xué)者們的研究對(duì)于今后農(nóng)田地面不平度的采集工作提供了寶貴的借鑒參考價(jià)值。為此，在以上一些工作者的研究基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了一套相對(duì)簡(jiǎn)便的測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)陜西省海升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)中的軟路面、堅(jiān)實(shí)土路及石子路進(jìn)行了測(cè)量，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。

1 試驗(yàn)項(xiàng)目

1.1 慣性基準(zhǔn)測(cè)量原理[9]

圖1中，包括質(zhì)量M，彈簧剛度K，阻尼C，測(cè)量輪w。測(cè)量?jī)x安裝在農(nóng)機(jī)上(農(nóng)機(jī)后車橋位置為宜)，隨著農(nóng)機(jī)行駛，測(cè)量輪跟隨地面的起伏而升降，測(cè)量過(guò)程中，為確保測(cè)量輪始終保持與地面接觸， 要求測(cè)量輪組件的質(zhì)量小，以提高其自振頻率；控制測(cè)量行駛的速度，使所測(cè)量的地面諧量的激勵(lì)頻率低于測(cè)量輪的自振頻率。測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量輪跟隨地面不平而運(yùn)動(dòng)，所以測(cè)量輪產(chǎn)生的垂直位移W就是被測(cè)地面的不平度。圖2為自行設(shè)計(jì)研制的測(cè)量?jī)x三維圖。

圖1 慣性基準(zhǔn)測(cè)量原理

圖2 慣性基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x三維圖

1.2 地面不平度測(cè)量系統(tǒng)

有了測(cè)量?jī)x，還需要有對(duì)地面不平度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并保存的儀器，本試驗(yàn)采用DAHAS測(cè)試系統(tǒng)。如圖3所示：測(cè)量?jī)x安裝在拖拉機(jī)后橋上，直線位移傳感器固定在測(cè)量?jī)x上，測(cè)試端緊貼測(cè)量?jī)x底部的圓盤，通過(guò)數(shù)據(jù)線連接位移傳感器與DAHAS測(cè)試硬件；打開(kāi)硬件電源和計(jì)算機(jī)上的DAHAS測(cè)試軟件，待測(cè)試界面顯示，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，即可開(kāi)始測(cè)量農(nóng)田地面不平度。

1.連接板 2.基于慣性基準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x 3.直線位移傳感器(200mm量程) 4.DHDAS信號(hào)采集器(硬件) 5.DHDAS測(cè)試系統(tǒng)界面(軟件)

該測(cè)試系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)滿足不同離地間隙農(nóng)機(jī)具的測(cè)量。連接板上的滑動(dòng)槽長(zhǎng)度為40cm,滿足離地高度范圍在0.3～0.7m的拖拉機(jī)，還可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)。

2)跟隨輪是裝有小直徑橡膠輪子，輪子的直徑為100cm。選擇小直徑的理由是：①減輕輪子的質(zhì)量；②小輪的包容效應(yīng)較小，對(duì)地面幾何形狀的濾波作用??；③小測(cè)量輪圓度誤差的輸出信號(hào)為高頻，處于分析頻帶之外，從而可以排除圓度誤差的影響。

3)無(wú)線傳送。信號(hào)采集器可以通過(guò)無(wú)線連接將采集到的數(shù)據(jù)傳送至電腦中并保存，無(wú)線傳送的距離約為100m。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 地面不平度數(shù)據(jù)采集

測(cè)試前，設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)的分析參數(shù)如下：①分析方法，快速傅里葉變換(FFT)；②抗混淆濾波衰減率，40分貝/倍頻程(40db/oct)；③伯特沃斯濾波器(Butterworth)，低通截?cái)囝l率 80Hz；④采樣頻率為1 000Hz；⑤采樣窗函數(shù)，海寧窗(Hanning)。

測(cè)試系統(tǒng)安裝在拖拉機(jī)的后車橋位置并固定，確保測(cè)試輪不離地面并隨地面起伏而升降。安裝在測(cè)試儀上的直線位移傳感器測(cè)試端緊貼測(cè)試儀底部的圓盤，測(cè)試端伸出約100mm，保證測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)得±100mm的位移。

測(cè)試系統(tǒng)安裝完畢、分析參數(shù)設(shè)定完成后，對(duì)海升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)中存在的3種地面(果園軟路面、果園堅(jiān)實(shí)土路以及果園石子路)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)景

試驗(yàn)測(cè)得3種地面的不平度如圖5所示。

(a) 軟路面

(b) 堅(jiān)實(shí)土路

(c) 石子路

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后進(jìn)行，以測(cè)得的3種地面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析，即提取路面不平度曲線的趨勢(shì)項(xiàng)、去除所有數(shù)據(jù)中的毛刺、進(jìn)行分段路面數(shù)據(jù)間的平滑過(guò)渡連接、將等時(shí)間間隔采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為等距離間隔數(shù)據(jù)，得到有效的地面不平度曲線，如圖6所示。

(a) 軟路面

(b) 堅(jiān)實(shí)土路

(c) 石子路

2.3 地面功率譜密度

得到3種地面的不平度之后，需要對(duì)其進(jìn)行描述?，F(xiàn)有描述路面不平度的方法主要是功率譜密度函數(shù)。在空間頻域，路面不平度的功率譜密度函數(shù)可以反映路面不平度能量的分布，以及路面波的結(jié)構(gòu)與路面的總體特征[10]。因此，研究者一般通過(guò)研究路面譜來(lái)研究路面不平度。同樣地，可以通過(guò)研究農(nóng)田地面功率譜密度來(lái)研究農(nóng)田地面不平度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/TC108[11]和標(biāo)準(zhǔn)《車輛振動(dòng)輸入—路面平度的表示方法》[12]兩個(gè)文件，擬定路面不平度的路面位移功率譜密度函數(shù)的表達(dá)式為

(1)

考慮車輛行駛速度u對(duì)汽車振動(dòng)系統(tǒng)的影響，對(duì)式(1)空間功率譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到時(shí)間功率譜密度函數(shù)為

(2)

式中Gq(n)—路面位移功率譜密度(m3)；

n—空間頻率(m-1)；

n0—參考空間頻率，n0=0.1m-1；

Gq(n0)—路面不平度系數(shù)(m2/m-1)；

w—頻率指數(shù),一般取w=2；

f —時(shí)間頻率；

u—車速。

將f=un代入式(2)，轉(zhuǎn)換得到

(3)

式(3)稱為速度功率譜密度?？梢钥闯觯核俣裙β首V密度幅值大小只與Gq(n0)和u有關(guān)。

對(duì)離散隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier變換可得到功率譜，公式為

(4)

式中 x(k)—離散傅里葉變換，k=0,1,2,…,N-1;

x(n)—采樣數(shù)據(jù)，本文中指采集到的地面不平度數(shù)據(jù)，n=0,1,2,…,N-1;

N—采樣點(diǎn)數(shù)。

對(duì)測(cè)得的3種地面不平度進(jìn)行傅立葉計(jì)算，得到3種地面的功率譜密度曲線，如圖7所示。

2.4 功率譜密度平滑

圖7中，用固定帶寬計(jì)算振動(dòng)譜密度，并取log-log坐標(biāo)。圖形的高頻端表現(xiàn)出特別劇烈的波動(dòng)，這是由真實(shí)功率分布和統(tǒng)計(jì)噪音所造成的功率譜密度的波動(dòng)。因而，需要用平滑的形式來(lái)表示功率譜密度，即在以下頻率的帶寬中的功率譜密度進(jìn)行平滑計(jì)算。

(a) 軟路面

(b) 堅(jiān)實(shí)土路

(c) 石子路

1)倍頻程帶寬的計(jì)算區(qū)間：從最低的計(jì)算頻率(零頻率除外)到0.031 2周/m(0.196 3rad/m)中心頻率處；

2)1/3倍頻程帶寬的計(jì)算區(qū)間：從最后一個(gè)倍頻程帶寬到0.25周/m(1.570 8rad/m)中心頻率處；

3)其余：1/12倍頻程帶寬直到最高計(jì)算頻率。

表1為使用倍頻程平滑用的中心頻率和截?cái)囝l率(以空間頻率表示)。其中，nl為截?cái)囝l率下限，nc為中心頻率，nh為截?cái)囝l率上限。nc=2EXP，EXP為指數(shù)。1/3倍頻程與1/12倍頻程的中心頻率與截?cái)囝l率詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。

在規(guī)定的帶寬內(nèi)對(duì)功率譜密度進(jìn)行平均，按下式計(jì)算，有

式中Gs(i)—在第i個(gè)頻帶內(nèi)的平滑功率譜密度；

Be—頻率分辨率。

運(yùn)用上式對(duì)圖7中的3條功率譜密度曲線進(jìn)行計(jì)算即可完成功率譜密度的平滑處理，得到平滑后的曲線，再與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)功率譜密度進(jìn)行比較，如圖8所示。

表1 倍頻程帶寬的中心頻率與截?cái)囝l率

(a) 軟路面

(b) 堅(jiān)實(shí)土路

(c) 石子路

3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

試驗(yàn)測(cè)得果園軟路面、堅(jiān)實(shí)土路及石子路的地面不平度標(biāo)準(zhǔn)差分別為11.437、11.423、4.908mm，從圖5和圖6可以大致看出：石子路較其他兩種地面的平整度高，這與所觀察到的真實(shí)路況相符。圖8中，果園軟路面和堅(jiān)實(shí)土路的路面等級(jí)都介于C級(jí)和D級(jí)之間，石子路的路面等級(jí)介于B級(jí)和C級(jí)之間，進(jìn)一步說(shuō)明所測(cè)的石子路地面質(zhì)量高于其他兩種地面。

有了農(nóng)田地面功率譜，就可以進(jìn)行農(nóng)機(jī)振動(dòng)仿真試驗(yàn)。在農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)階段，農(nóng)田功率譜經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可以用于主流的仿真分析軟件的輸入激勵(lì)，對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行各種仿真分析試驗(yàn)。例如，農(nóng)田地面功率譜室內(nèi)模擬試驗(yàn)，該試驗(yàn)通過(guò)在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上模擬農(nóng)機(jī)在實(shí)際農(nóng)田地面上行駛時(shí)受到地面激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)情況來(lái)研究分析農(nóng)機(jī)及其各零部件的可靠性與疲勞損壞的原因，還可進(jìn)行農(nóng)機(jī)耐久性試驗(yàn)。若能將采集到的不同等級(jí)的農(nóng)田地面不平度應(yīng)用到振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，就可以觀察和分析農(nóng)機(jī)在不同農(nóng)田里作業(yè)時(shí)的振動(dòng)情況，為提高農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)水平和優(yōu)化關(guān)鍵零部件提供依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

1)設(shè)計(jì)制造了基于慣性基準(zhǔn)測(cè)量的測(cè)量?jī)x，通過(guò)直線位移傳感器和東華測(cè)試軟件來(lái)輸出農(nóng)機(jī)行駛時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的位移信號(hào)。該測(cè)量系統(tǒng)安裝方便，且適用于不同離地間隙的拖拉機(jī)，可用于多地區(qū)農(nóng)田地面不平度的測(cè)量。

2)參照路面不平度測(cè)量的基本原理和步驟，結(jié)合國(guó)標(biāo)GB/T 7031-2005中的要求，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到農(nóng)田地面不平度與功率譜密度。結(jié)果表明：果園軟路面和堅(jiān)實(shí)土路的路面等級(jí)都介于C級(jí)和D級(jí)之間，石子路的路面等級(jí)介于B級(jí)和C級(jí)之間，說(shuō)明所測(cè)的石子路地面質(zhì)量高于其他兩種地面。同時(shí)，該系統(tǒng)測(cè)得的農(nóng)田地面不平度與實(shí)際地況相符，從而驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，為以后建立農(nóng)田地面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)和研究農(nóng)機(jī)行駛振動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

3)由于時(shí)間限制，文中只測(cè)量了一個(gè)地區(qū)的3種農(nóng)田地面不平度，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到建立農(nóng)田地面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，這項(xiàng)工作需要相關(guān)單位更多科研工作者從事研究，才有可能建立起我國(guó)的農(nóng)田地面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，本文的一個(gè)主要目的是呼吁相關(guān)行業(yè)對(duì)農(nóng)田地面不平度研究的重視。中國(guó)的農(nóng)田地面不平度數(shù)據(jù)，同中國(guó)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)一樣，屬于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不能照搬國(guó)外農(nóng)田的數(shù)據(jù)來(lái)研究我國(guó)的農(nóng)田，也不能簡(jiǎn)單地把我國(guó)某一地區(qū)農(nóng)田地面振動(dòng)譜數(shù)據(jù)應(yīng)用到另一地區(qū)的農(nóng)田，只能實(shí)地測(cè)量，采集各地區(qū)不同農(nóng)田的地面不平度，這方面的工作可以參考借鑒公路部門在采集典型道路路面譜的經(jīng)驗(yàn)。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，采集典型農(nóng)田地面振動(dòng)譜，建立農(nóng)田路面不平度數(shù)據(jù)庫(kù)將是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

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[12] GB/T 7031-2005/ISO8608:1995 機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告[S].

Measurement and Analysis of Farmland Surface Roughness

Xu Zhufeng1，2，Xue Xinyu1，Cui Longfei1

(1.Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization, Nanjing 210014，China; 2.Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China)

The uneven farmland is easy to cause vibration of the agricultural machinery when traveling, and it is necessary to study the surface roughness of different farmland for studying the vibration of various agricultural machinery in different fields. In view of the present situation that the research on the surface roughness of different fields in China has not been carried out systematically and researchers studying agricultural machinery vibration problems don’t have the ground vibration spectrum as a random excitation, in this paper, a set of measuring system which is not only for different types of tractors, but also installed easily is designed and made to measure three kinds of ground roughness (that is soft pavement, hard dirt road and cobblestone street) in the modern agricultural park of Shaanxi Haisheng. Three kinds of different ground roughness and power spectral density curve are obtained by measurement and analysis. By comparing standard grade power spectral density, it is concluded that the ground level of soft pavement and hard dirt road is between class C and class D, and the ground level of cobblestone street is between class B and class C, indicating that the gravel surface flatness is higher than the other two kinds of pavement, which is consistent with the actual situation we have observed. The test verifies the reliability of the measurement system and is helpful to establishment of farmland surface roughness database and research of agricultural machinery driving vibration for the future.

farmland; surface roughness; power spectral density curve; inertial reference; measurement system

2016-02-01

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203025)

徐竹鳳(1988-)，女，安徽安慶人，碩士研究生，(E-mail)1092461058@qq.com。

薛新宇(1969-)，女，江蘇蘇州人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)735178312@qq.com。

S29;U416

A

1003-188X(2017)01-0171-06