顧庭偉， 錢鵬飛， 李鵬程， 顧新陽， 唐 忠

（1.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

由于聯(lián)合收獲機惡劣工作環(huán)境及內(nèi)部存在眾多運動形式復(fù)雜的工作部件，聯(lián)合收獲機在工作過程中易出現(xiàn)強烈的不平衡振動與沖擊現(xiàn)象，主要的振動源有發(fā)動機、脫粒滾筒、振動篩、風機、割臺和輸送槽等，各工作部件的螺栓及連接件處的沖擊與磨損最嚴重，工作過程中瞬時沖擊和交變載荷易引起螺栓松動、疲勞失效、脫離甚至斷裂[1-8]。

目前各工作部件理論建模與振動分析都主要集中于工作部件本身，包括對割臺、輸送槽、脫粒滾筒和發(fā)動機時頻響應(yīng)分析得到各工作部件主要振動頻率和各階模態(tài)振型，也有研究人員通過仿真軟件對滾筒及振動篩模型進行靜力學和諧響應(yīng)分析及離散元分析等[9-12]。但實際上聯(lián)合收獲機螺栓連接受載最為復(fù)雜，失效時其振動特性會發(fā)生較大改變，表現(xiàn)在振動響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計量的變化上，可以用時頻特征變化來量化表征，常用的時頻特征有峭度因子、偏度因子和裕度因子等[13]。

上述研究主要是聯(lián)合收獲機單一工作部件理論建模與分析，但對聯(lián)合收獲機螺栓及連接件的振動分析很少。本研究對工作部件螺栓處振動特性進行分析，找到并關(guān)注特征變化最劇烈的部位，確保聯(lián)合收獲機工作安全性與可靠性。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

信號采集儀采用DH5902 堅固型數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，具體儀器參數(shù)如表1 所示。

表1 DH5902 主要參數(shù)規(guī)格Tab.1 Main parameter specification of DH5902

試驗采用三向壓電加速度傳感器（型號1A312E）可分別輸出X、Y、Z軸向加速度信號，整套采集系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 信號采集系統(tǒng)組成Fig.1 Signal acquisition system composition

1.2 試驗方案與試驗過程

采用加速度傳感器對聯(lián)合收獲機主要工作部件的螺栓及連接件6 個測點的3 個方向振動信號進行采集并保存。

具體試驗過程：將傳感器貼到圖2 所示聯(lián)合收獲機對應(yīng)的部位，試驗使用兩個傳感器對應(yīng)采集儀6 個通道同時采集，設(shè)置儀器采樣頻率2.56 kHz 保證采集信號不發(fā)生混疊，參數(shù)設(shè)置完成后開啟聯(lián)合收獲機，其中發(fā)動機轉(zhuǎn)速最高2 700 r/min，試驗轉(zhuǎn)速2000 r/min 左右，滾筒轉(zhuǎn)速560 r/min，運行聯(lián)合收獲機待信號穩(wěn)定之后采集2 min 各測點3 個方向振動信號，得到聯(lián)合收獲機各主要工作部件螺栓及連接件主要振動響應(yīng)。

圖2 振動響應(yīng)試驗測點位置Fig.2 Location of measuring points in vibration response test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 振動響應(yīng)能量強度

將各通道加速度時域響應(yīng)信號截取最穩(wěn)定的25 s數(shù)據(jù)進行繪圖，結(jié)果如圖3 所示。為了得到各測點主要振動及不平衡碰撞與沖擊特性，在交變載荷作用下，有效值（Rms）作為振動指標主要反映振動信號的能量強度和穩(wěn)定性，在螺栓松動前期作為一個識別參考值。

圖3 不同測點加速度響應(yīng)信號Fig.3 Acceleration response signal of each measurement point

式中N——數(shù)據(jù)點的個數(shù)

xi——數(shù)據(jù)點對應(yīng)的值，m/s2

用包絡(luò)有效值衡量振動能量強度，即信號包絡(luò)值的有效值，設(shè)置算法窗長度為150 弱化數(shù)據(jù)異常點的影響。計算得到6 個測點在3 個方向上包絡(luò)有效值如表2 所示。

表2 各測點3 個方向包絡(luò)有效值Tab.2 Effective value of three-way envelope at each measurement point

不同測點及不同方向振動能量存在較大的差異，如圖3 所示。由圖2 和圖3 可知，測點3 靠近聯(lián)合收獲機動力輸入裝置，3 個方向的數(shù)值都明顯高于其他測點。振動篩機構(gòu)運動特性可簡化為偏心曲柄滑塊機構(gòu)表現(xiàn)出的急回特性，使得測點4 處數(shù)值在3 個方向上存在明顯的差異且僅次于測點3。測點1 處螺栓連接件并非完全剛性連接而是預(yù)留相對運動間隙，所以將此處的螺栓看成是已松動螺栓連接結(jié)構(gòu)，此原因?qū)е聹y點1 處螺栓表現(xiàn)出較嚴重的沖擊與磨損而出現(xiàn)噪聲等高頻振動，數(shù)值略小于測點1 和測點3。其余測點數(shù)值均處于較低水平。

為更好地進行螺栓連接件振動特性橫向?qū)Ρ炔⒈３指唠S機性，計算各測點包絡(luò)有效值如表2 所示，依據(jù)數(shù)據(jù)得出各測點主要振動方向為：1-Z、2-X、3-Y、4-Z、5-X和6-Z。

2.2 振動響應(yīng)峭度因子

峭度因子是信號歸一化4 階中心距，衡量數(shù)據(jù)偏離正態(tài)分布的程度，峭度因子（Ku）對螺栓連接沖擊特征的區(qū)分能力較強。

式中μ——數(shù)據(jù)均值定性分析在同一測點不同方向的峭度因子與上文得到的主要振動方向基本相符，如圖4 所示，但測點3 和測點6 的最大值出現(xiàn)較小偏差，說明以振動強度作為主要振動方向衡量標準存在一定局限性，但發(fā)生錯誤概率較小。

圖4 各測點信號3 個方向隨機峭度因子Fig.4 Signal random kurtosis factor in three directions at each measurement point

以每個測點的主要振動方向峭度因子為分析對象，提取其數(shù)值進行定量分析，如表3 所示。1-Z處有最高值為16.702 5，但計算過程中數(shù)值在某段時間明顯增大說明工作時沖擊不平衡，1-Z處存在相對間隙造成偽故障使其沖擊特征增強加快螺栓連接的破壞。偏心振動篩急回特性決定了4-Z數(shù)值12.562 2 也達到嚴重沖擊標準。2-X處數(shù)值也處于較高水平為6.093 0，而其他測點數(shù)值分布于2.5～4.0 表現(xiàn)出來的沖擊不明顯，說明其他測點處螺栓連接在工作過程中的狀態(tài)較為平穩(wěn)且破壞較小。

表3 各測點主要振動方向信號時域特征值Tab.3 Time domain eigenvalues of main vibration direction signals at each measurement point

2.3 振動響應(yīng)偏度因子

偏度指標是數(shù)據(jù)歸一化3 階中心距主要衡量響應(yīng)數(shù)據(jù)對平衡位置的偏離程度，偏度值有正偏和負偏，如圖5 所示，此特征用來衡量螺栓連接件不平衡碰撞特性。

圖5 各測點信號3 個方向隨機偏度因子Fig.5 Signal random skewness factor in three directions at each measurement point

式中Skew——偏度因子

定性分析發(fā)現(xiàn)測點不同方向偏度有較大的差距，如圖5 所示，表明聯(lián)合收獲機在螺栓連接件處的不平衡碰撞具有明顯的方向性。各測點主要振動方向偏度計算值如表3 所示，定量分析發(fā)現(xiàn)測點4 偏度最大為-0.259 9 ，說明振動篩螺栓連接處所受單側(cè)碰撞的次數(shù)多、強度大。處于單擺模型末端的測點1 處偏度也處于較高水平，測點2、測點3 和測點5 處的偏度值近似認為測點1 和測點4 處的1/3 和1/4，認為其碰撞無明顯不平衡且不存在單側(cè)受碰撞較大的情況。

2.4 振動響應(yīng)裕度因子

裕度因子（Ce）常用來檢測機械設(shè)備的磨損狀況，通過此指標對各測點沖擊衡量的同時也對部件磨損情況作簡要分析

式中xpeak——數(shù)據(jù)峰值，m/s2

由圖6 可知，4-Z處有最高數(shù)值為振動篩運動形式導(dǎo)致。3-Y處數(shù)值僅次于4-Z處，此處為機體動力輸入，雖然沒有部件運動沖擊但具有最強的振動能量使微小位移明顯增大；而測點1 只在1-Z處較高。

圖6 各測點信號3 個方向隨機裕度因子Fig.6 Signal random margin factor in three directions at each measurement point

由表3 可知，最大值出現(xiàn)在4-Z處為81.198 8，說明各部件振動沖擊與磨損最嚴重。4-Z數(shù)值與1-Z和3-Y處數(shù)值相差30 左右，與5-X和6-Z處相差60 左右呈現(xiàn)明顯的階梯性。

綜合時域特征在各測點處的數(shù)值分析（表4）可知，4-Z處所有特征均處于最高水平，5-X、6-Z處所有特征均處于最低水平，而1-Z、2-X和3-Y處時域特征出現(xiàn)有高有低的情況。因此，頻域分析主要針對1-Z、2-X、3-Y和4-Z4 個測點。

表4 各測點主要振動方向時域特征對比Tab.4 Comparison of time domain characteristics of main vibration directions at each measurement point

2.5 振動響應(yīng)頻譜

為探究各測點螺栓連接件的頻譜響應(yīng)，對信號進行短時傅里葉變換得到其工作過程中各測點在主要振動方向上的頻域響應(yīng)，如圖7 所示。

圖7 測點主要振動方向響應(yīng)頻譜Fig.7 Esponse spectrogram of main vibration direction of each measurement point

由聯(lián)合收獲機各部件參數(shù)可知正常頻域響應(yīng)主要集中于低頻段，但圖7 中1-Z、2-X、3-Y處均出現(xiàn)了高頻信號，1-Z處螺栓連接件存在部件相對運動出現(xiàn)偽松動可對其進行濾除；2-X處噪聲頻率達到1 000 Hz 以上也可直接濾除；3-Y處高頻信號幅值不明顯而中頻信號多以轉(zhuǎn)頻信號的高倍頻成分，可直接并入低頻成分分析。

4 個測點低頻成分頻譜如圖8 所示，1-Z處主頻34.759 5 Hz，另一峰值為其3.5 倍頻123.518 1 Hz，而割刀和撥禾輪的工作頻率在0～50 Hz 內(nèi)不明顯；2-X處不僅有滾筒基頻9.119 9 Hz 及由轉(zhuǎn)子受到流體動力或往復(fù)力作用導(dǎo)致的二倍頻18.239 7 Hz 和三倍頻27.599 6 Hz，還有與1-Z主頻相同的34.759 85 Hz 及其二倍頻69.398 9Hz；而3-X處存在主頻34.719 5 Hz 及其2、3和4 倍頻，這也證實了34.719 5 Hz 為發(fā)動機轉(zhuǎn)頻，而各部件的幅值明顯小于發(fā)動機轉(zhuǎn)頻幅值，發(fā)動機轉(zhuǎn)頻成為影響螺栓連接破壞的主要頻率成分；4-Z處主頻為2.32 Hz 可能為振動篩工作頻率，另一幅值點為工作頻率的16 倍頻37.079 4 Hz 處，其他頻率成分或為振動篩自身固有頻率未出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分，說明發(fā)動機轉(zhuǎn)頻成分在振動篩處未有明顯的影響。

圖8 測點主要振動方向低頻段信號頻譜Fig.8 Low-band signal spectrum of main vibration direction of measurement point

3 結(jié)束語

通過對聯(lián)合收獲機各工作部件螺栓及連接件處振動響應(yīng)時域特征對比與分析，找到了主要振動方向及位置，為振動篩處螺栓及連接件的加工制造、防松及失效在線監(jiān)測技術(shù)從振動特征角度提供了參考。

（1）通過對聯(lián)合收獲機各工作部件螺栓及連接件處主要振動方向振動響應(yīng)時域特征對比與分析。得到聯(lián)合收獲機螺栓及連接件最易破壞的位置及方向：割臺與輸送槽螺栓連接件處橫向振動方向、輸送槽與前部機架螺栓連接處豎直振動方向、發(fā)動機機架螺栓連接處豎直振動方向及振動篩邊緣螺栓連接處行走方向。這與工作部件的主要工作方向基本一致。

（2）綜合振動響應(yīng)時、頻域特征分析，振動篩螺栓連接處的峭度因子12.562 2、包絡(luò)有效值12.42、偏度因子-0.259 9、裕度因子81.198 8 均處于較高水平且遠高于其他工作部件螺栓連接處，說明振動篩螺栓連接處在機構(gòu)運動方向上具有劇烈的沖擊、磨損及不平衡碰撞現(xiàn)象，為此處螺栓制造、防松及在線監(jiān)測提供了振動響應(yīng)角度的參考。

（3）分析了對聯(lián)合收獲機各工作部件螺栓及連接件處主要振動方向振動響應(yīng)頻域。發(fā)動機轉(zhuǎn)頻34.7595 Hz 和多倍頻對多個工作部件都有明顯影響，但振動篩螺栓結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號頻率成分包括基頻2.32 Hz 及其倍頻，以及自身的固有頻率，未發(fā)現(xiàn)或發(fā)動機轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分幅值極低，說明振動篩工作過程中基本不受發(fā)動機轉(zhuǎn)頻振動及傳動系統(tǒng)振動傳遞影響，并且振動篩頻率成分更為復(fù)雜，幅值遠高于其他螺栓連接件處，為螺栓防松及監(jiān)測提供了頻域參考。