朱磊華，李耀明，唐 忠，徐立章

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)作為一種復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的位置。現(xiàn)有的聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)由于工作部件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由此產(chǎn)生的振動和噪聲嚴(yán)重影響整機(jī)的可靠性和駕駛員舒適性。目前，對于聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動的分析與減振降噪的研究還處于起步階段，機(jī)體在收獲打捆時存在強(qiáng)烈振動并嚴(yán)重影響整機(jī)的工作性能。因此，對于聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的振動測試與分析尤為重要[1-3]。

目前，國內(nèi)外的一些學(xué)者對農(nóng)業(yè)機(jī)械振動領(lǐng)域展開了相關(guān)的研究[4-7]。龐鳳斌等[8]對3060型聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了減振方面的研究，并基于理論參數(shù)分析提出了在發(fā)動機(jī)與機(jī)體間加裝減振墊的方法來減小整機(jī)的振動。朱聰玲等[9]對聯(lián)合收獲機(jī)割臺進(jìn)行研究，指出了割臺傳動系統(tǒng)的不平衡質(zhì)量和不等速運(yùn)動是聯(lián)合收獲機(jī)的主要振源之一。何成秀等[10]通過對小麥聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出調(diào)整作業(yè)時的工作負(fù)荷對小麥聯(lián)合收割機(jī)具有明顯的減振作用。王芬娥、陳建恩等[11-12]對聯(lián)合收割機(jī)主駕駛室座椅振動強(qiáng)度與振動頻率進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了駕駛室基座的模態(tài)參數(shù)和模態(tài)陣型。張翔等[3]對粗纖維壓縮打捆機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)與諧響應(yīng)分析，得到了打捆壓縮機(jī)構(gòu)的固有頻率和較大變形區(qū)域。以上研究主要是針對聯(lián)合收獲機(jī)，而聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與聯(lián)合收獲機(jī)有一定的區(qū)別，它在聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上匹配了秸稈喂入壓縮打捆裝置，同時整機(jī)的傳動方案和運(yùn)動參數(shù)也有較大的區(qū)別，關(guān)于聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動特性的研究鮮有報道。

本文對聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的整機(jī)配置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，以江蘇大學(xué)和南通棉花機(jī)械有限公司聯(lián)合研制的4L-4.0型聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)為試驗(yàn)對象，采用DH5902動態(tài)信號采集系統(tǒng)在整機(jī)5種不同的工況下進(jìn)行振動測試分析，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果探究整機(jī)振動的主要振源，為改善聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)整機(jī)振動和駕駛舒適性提供依據(jù)。

1 聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)主要由切割輸送裝置、脫粒分離裝置、清選裝置、籽粒收集儲運(yùn)裝置、秸稈喂入裝置、壓縮打捆裝置、打結(jié)裝置、動力系統(tǒng)及駕駛操作系統(tǒng)等組成。聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要性能參數(shù)如表1所示。

收獲打捆復(fù)式作業(yè)原理是：切割器將谷物切斷并在撥禾輪和割臺攪龍的作用下拋送至輸送槽，輸送槽將谷物推送至脫粒分離裝置，谷物經(jīng)脫粒分離后，在風(fēng)機(jī)和振動篩的共同作用下干凈的籽粒被推送至糧箱；同時，脫粒滾筒排出的秸稈經(jīng)喂入裝置輸送至壓縮打捆裝置中，壓縮打捆裝置將秸稈不斷壓縮并向前推移，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的長度值時，打結(jié)裝置對草捆進(jìn)行打結(jié)。

1.撥禾輪 2.割臺 3.脫粒滾筒 4.撥草裝置 5.壓縮裝置 6.糧箱 7.駕駛室 圖1 聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of all-in-one machine of combine harvester and baler表1 聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)性能參數(shù) Table 1 Performance parameter of all-in-one machine of combine harvester and baler

項(xiàng)目單位數(shù)據(jù)發(fā)動機(jī)型號玉柴140額定功率kW103發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速r/min1500～2600整機(jī)外形尺寸mm×mm×mm7100×3260×3440整機(jī)質(zhì)量kg5736喂入量kg/s6割幅mm2560作業(yè)速度km/h1.2～3.6滾筒類型切流+橫軸流整機(jī)最小離地間隙mm300壓縮成捆尺寸mm×mm×mm400×500×600

2 聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)激振源分析

聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)可以看成一個有限多自由度的離散彈性系統(tǒng)，整機(jī)各種激振源對其產(chǎn)生振動與變形[13]。聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的激振源主要來自整機(jī)工作部件的激振及地面的隨機(jī)振動：

1)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體壓力交替作用引起曲軸的輸出轉(zhuǎn)矩做周期性變化，這種周期性變化使得發(fā)動機(jī)產(chǎn)生燃燒激振頻率，同時往復(fù)運(yùn)動部件產(chǎn)生的離心慣性力使得發(fā)動機(jī)產(chǎn)生慣性力激振頻率[14]。

2)割臺切割裝置產(chǎn)生振動的主要原因是由于切割器的往復(fù)運(yùn)動及其傳動系統(tǒng)不平衡質(zhì)量旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不斷變化的慣性力。

3)聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的脫粒滾筒、風(fēng)機(jī)、逐稿器和秸稈喂入撥叉等部件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，會對整機(jī)產(chǎn)生不平衡慣性力激振[14]。

4)秸稈喂入壓縮打捆裝置產(chǎn)生振動的主要原因是壓縮裝置的核心部件為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動時會產(chǎn)生質(zhì)心加速度及角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生周期性變化的振動。

5)公路路面、鄉(xiāng)村土路及田地產(chǎn)生的隨機(jī)振動也是聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)激振源之一[15-18]。

3 聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動試驗(yàn)

3.1 振動試驗(yàn)原理

聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動試驗(yàn)的基本原理如圖2所示。安裝在聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)上的三向加速度傳感器將某測點(diǎn)處的振動信號傳輸至DH5902動態(tài)信號采集儀，通過無線wifi發(fā)射器，動態(tài)信號采集儀與電腦中的動態(tài)信號分析系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信號的傳遞，經(jīng)分析處理后即可得到振動信號的頻率特性。

圖2 振動試驗(yàn)基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of vibration test

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用的三向加速度傳感器、DH5902動態(tài)信號采集儀及DH5902動態(tài)信號分析系統(tǒng)等設(shè)備如圖3所示，試驗(yàn)儀器性能參數(shù)如表2所示。

3.3 試驗(yàn)方案與測點(diǎn)布置

為全面分析聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)整機(jī)振動特性，試驗(yàn)選擇小油門發(fā)動機(jī)空載、大油門發(fā)動機(jī)空載、小油門整機(jī)空載、大油門整機(jī)空載，以及大油門田間作業(yè)共5種工況進(jìn)行整機(jī)振動測試。振動測試試驗(yàn)方案如表3所示，測試現(xiàn)場如圖4所示。

(a) 加速度傳感器

(b) DH5902信號采集儀 圖3 測試設(shè)備Fig.3 Test instruments表2 試驗(yàn)儀器性能參數(shù)表 Table 2 Performance parameters of test instruments

編號設(shè)備名稱性能指標(biāo)1動態(tài)型號采集儀32個通道,AD分辨率16位,帶寬100kHz,失真度<0.5%2動態(tài)信號處理軟件DH5902專用動態(tài)信號分析處理軟件3三向加速度傳感器量程±500m/s2,頻響0.3～6kHz,靈明度10mv/ms2

表3 振動測試試驗(yàn)方案Table 3 Test plans for vibration test

(a) 空載試驗(yàn)

(b) 收獲試驗(yàn) 圖4 振動測試試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Vibration test scene

由于發(fā)動機(jī)、割臺切割器、割臺攪龍、脫粒滾筒、振動篩、風(fēng)機(jī)、秸稈喂入裝置及壓縮裝置是聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的主要激振源，在整機(jī)上布置8個測點(diǎn)已能反映整機(jī)主要振動信息。聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動測點(diǎn)布置如表4所示。

表4 聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動測點(diǎn)分布Table 4 Distribution of testing positions

3.4 試驗(yàn)過程與信號采集

試驗(yàn)前將測點(diǎn)在對應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記，并將測點(diǎn)位置擦拭干凈，同時把傳感器吸附在所選取的測點(diǎn)處；將三向加速度傳感器、動態(tài)信號采集儀、動態(tài)信號分析處理軟件準(zhǔn)確連接好；每個三向加速度傳感器都有X、Y、Z3個通道，在安裝時將X、Y、Z3個通道分別對應(yīng)聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的前進(jìn)方向、機(jī)器左右方向、機(jī)器高度方向。為了保證測試波形的準(zhǔn)確性，在DHDA5902 動態(tài)信號分析系統(tǒng)中對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[19]，設(shè)置完成后即可進(jìn)行信號采集，每次采樣前都需進(jìn)行通道平衡清零操作。在第3工況下，風(fēng)機(jī)驅(qū)動軸支座測點(diǎn)處X方向的時域波形和頻域波形如圖5所示。

(a) 時域波形

(b) 頻域波形 圖5 風(fēng)機(jī)驅(qū)動軸支座測點(diǎn)處X方向的振動信號Fig.5 Vibration signal of X direction at the measuring point of the fan drive shaft

3.5 振動試驗(yàn)結(jié)果與分析

通常采用振動加速度的均方根值作為駕駛員人體舒適性的評價指標(biāo)[20]，不同工況下8個測點(diǎn)振動加速度的均方根如表5所示。

表5 不同工況下8個測點(diǎn)振動加速度均方根值Table 5 Under different conditions of 8 points of root mean square value of vibration acceleration

由表5數(shù)據(jù)分析可知：

1)測點(diǎn)1在工況1和工況3時的振動加速度均方根分別為4.21 m/s2和4.87 m/s2，可知在小油門工況下，發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)對發(fā)動機(jī)支架激振程度相當(dāng)。在工況2和工況4時振動加速度均方根值是工況1和工況3的3倍左右，說明發(fā)動機(jī)在全油門狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)支架上的振動幅值增加明顯。而在工況5聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)田間收獲時，其振動加速度均方根值相比工況4減少了4.18m/s2，說明此時隨著各工作部件和發(fā)動機(jī)負(fù)載的增加，發(fā)動機(jī)支架振動幅值也在下降。

2)測點(diǎn)2在工況1和工況2下的振動加速度均方根分別為3.29m/s2和3.87m/s2，相差僅為0.58m/s2，說明發(fā)動機(jī)振動的增加沒有對聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)割臺振動產(chǎn)生明顯的影響。對比分析工況2和工況3可以發(fā)現(xiàn)：切割器驅(qū)動軸支座處的振動加速度均方根僅相差了1.02m/s2，說明在發(fā)動機(jī)怠速下切割器驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速較低，割臺整體沒有產(chǎn)生明顯的振動。在工況4下測試時，測點(diǎn)2的振動加速度均方根增加至13.26m/s2，說明在大油門狀態(tài)下，切割器驅(qū)動軸的高速轉(zhuǎn)動，使得割臺的不平衡力矩明顯增加，割臺產(chǎn)生明顯的振動。對比工況4和工況5可知：在聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)正常田間作業(yè)時，切割器負(fù)載的增加減弱了割臺的振動強(qiáng)度。

3)測點(diǎn)3～測點(diǎn)7在5種工況下的振動加速度均方根變化情況類似，即從工況1到工況3，振動加速度均方根逐步增加；在工況4時，振動加速度均方根顯著增加，說明整機(jī)在大油門空載狀態(tài)下使得聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的各工作部件產(chǎn)生明顯的振動；在工況5時，各測點(diǎn)的振動加速度均方根又顯著下降，說明在聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)正常作業(yè)時，各運(yùn)動部件負(fù)載的增加減弱了對整機(jī)振動的影響。

4)測點(diǎn)8壓縮裝置驅(qū)動軸支座在工況1和工況2下的振動加速度均方根增加了8.33m/s2，這是由于發(fā)動機(jī)和壓縮裝置驅(qū)動軸支座位置很接近，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加通過支架對測點(diǎn)8的振動加速度均方根影響較大。對比工況3和工況4可以看出：說明在大油門狀態(tài)下，壓縮裝置的來回往復(fù)式運(yùn)動產(chǎn)生周期性變化的振動力和振動力矩，此時振動加速度均方根較大，對整機(jī)振動影響顯著。

4 結(jié)論

1)通過對聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)整機(jī)振動測試與分析可知：發(fā)動機(jī)上下振動、振動篩和壓縮裝置的前后往復(fù)式運(yùn)動和切割器的左右往復(fù)式運(yùn)動是聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)整機(jī)主要激振源；而輸送槽、風(fēng)機(jī)、秸稈喂入撥叉和脫粒滾筒回轉(zhuǎn)運(yùn)動中產(chǎn)生的不平衡力矩是聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)產(chǎn)生振動的次要原因。在對聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化時可以考慮從增加隔振結(jié)構(gòu)及在壓縮裝置增加力矩平衡裝置等方面入手來提高整機(jī)的可靠性和駕駛舒適性。

2)聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)在大油門空載工況下，發(fā)動機(jī)引起的振動頻率為76.6Hz，切割器、割臺攪龍、脫粒滾筒、風(fēng)機(jī)、振動篩、秸稈喂入裝置、壓縮裝置引起的激振頻率分別為7.63、3.16、18.62、20.67、6.52、2.63、5.41Hz。聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)在田間作業(yè)時，各工作部件的負(fù)載降低了整機(jī)的振動強(qiáng)度。

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