水田激光耙漿平地機振動特性研究

孫啟新,陳書法,楊　進,蘆新春

(淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港　222005)

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水田激光耙漿平地機振動特性研究

孫啟新,陳書法,楊進,蘆新春

(淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港222005)

摘要：激光耙漿平地機代表了水田耕整機的智能化和精準化發展方向，如何提高其作業精度是當前研究的重點，而激光信號接收精度是保證水田耕整機作業精度的關鍵因素之一。為此，從整機角度出發，分析了其振動特性對激光信號接收精度的影響。耙漿平地機是自由振動和受迫振動的耦合，振動給激光接收器和支撐桿帶來較大的空間擺動，造成接收器偏離激光信號。根據動力學方程和四參數法建立雙層隔振模型，采用模糊優化方法對隔振系統進行優化求解，在此基礎上完成隔振系統結構設計。試驗結果表明：該隔振系統可有效地降低整機振動對支撐桿的激勵，支撐桿擺角從25°減小到2°左右，激光接收器橫向振動振幅控制在6cm以下，隔振系統傳遞率穩定。

關鍵詞：激光；耙漿平地機；振動；四參數法；隔振系統

0引言

近年來，水田耕整機正由單一型向復合型轉變，由粗獷型作業向精細作業轉變，由半自動向智能化轉變。激光平地機以激光為測量信號來精確控制平地鏟的高度和水平傾斜度，可實現自動化和精準化作業，在水田作業中的應用越來越廣[1-2]。將耙漿埋茬機與激光平地機集成可實現水田耕整一次作業，減少拖拉機下地次數及機具對水田的破壞性，保護水田的生態環境；同時可提高生產效率，降低作業能耗。

由于土壤厚度高低不同，耙漿埋茬機在作業時，會產生劇烈的抖動，再加上拖拉機發動機的振動，這些振動經連接接頭傳到平地機，造成液壓系統和姿態調整機構的抖動，對平地鏟的姿態調整帶來誤差。特別是激光接收器支撐桿的前后左右劇烈抖動，嚴重影響接收器正常工作，進而造成激光平地作業失敗。為此，設計了專用隔振系統，提高了支撐桿的裝配精度，并通過試驗驗證該系統的隔振效果。

1整機振動性能分析

水田激光耙漿平地機由懸掛機構、耙漿埋茬機構、平地機構、液壓控制系統、姿態調整機構和激光發射接收系統組成，如圖1所示。該機可一次性完成水田耙漿埋茬平地作業，以激光信號作為基準平面通過液壓控制系統調整平地鏟的姿態，耕整后的田面平整度低于3cm。與普通耙漿平地機相比作業效率可提高30%左右，節省水肥投入20%左右，有利于水田可持續性耕作。

1.耙漿埋茬機構　2.三點懸掛機構　3.傳動機構　4.變速器

農業機械的作業環境非常惡劣，振源和振動類型非常復雜，本文從對信號接收精度主要影響因素出發對激光耙漿平地機的振動特性進行分析。

1.1　振源分析

激光耙漿平地機振源主要來自拖拉機行走及其發動機產生的振動、耙漿埋茬機作業產生的振動及平地鏟自身產生的振動3個方面。柴油發動機可產生高頻周期性振動，對耕整機會帶來直線顛簸和空間耦合擺動[3]。耕耙機的振動較復雜，既是受迫振動又是自激振動。邱白晶[4]對整機的隨機振動進行了響應分析，提出對傳動系統和旋耕刀軸系統進行優化，減小整機尺寸提高關鍵零部件的強度和剛度，可有效降低整機的振動。平地鏟本身沒有運動傳遞，其振動是由地面的高低不平和耕耙機振動引起，主要是受迫振動。通過對緩沖系統及運動特性優化，液壓系統可吸收部分振動。但受以上振動影響最嚴重的是激光接收裝置，由于支撐桿細長的結構和裝配連接方式，這些振動會被進一步放大。

1.2　振動類型分析

通過分析激光接收裝置產生振動的原因，支撐桿所受振動可分為自由振動、受迫振動，這些都是隨機振動。按照振動方向，分為縱向振動、橫向振動。

本文以自制樣機作為大田試驗對象，在激光接收器位置安裝傾角和位移傳感器，并借助頻率測量儀，測得整機作業時的接收器與支撐桿的各項振動性能參數如表1所示。針對不同的作業要求將試驗分為8組進行。

表1　接收器與支撐桿振動試驗數值

從表1可得出：牽引機前進速度、耕深和刀軸轉速越大，支撐桿擺角和振幅越大。這說明外部激勵對接收器和支撐桿有強烈的振動激勵作用，必須采取措施進行隔振消振。但三因素對振動頻率影響不大，其原因可能是支撐桿存在自由振動。支撐桿擺角和振幅之間也不滿足幾何關系，這也進一步證明支撐桿所受振動包括自由振動和受迫振動。

2振動性能對作業精度的影響

正常情況下，支撐桿處于豎直狀態固定在平地鏟上，其長度在2m左右，直徑0.03~0.05m，在平地鏟的帶動下做垂直上下運動。當平地鏟處于高位時(如圖2中B點所示)，接收器接收不到激光信號，控制系統開始啟動液壓系統帶動平地鏟下降直到接收到信號為止。由于支撐桿的左右抖動，造成接收器在信號平面附近不停的晃動(如C點所示)。這樣控制系統就會不停地計算當前位置，然后給液壓系統發出動作指令，并反饋調整結果，系統始終處于運算狀態，造成整個系統運算量大,動態響應速度慢。因此，消除激光接收器的振動是提高耙漿平地機作業精度的關鍵因素之一。

設支撐桿振動過程中擺角為α，則

Δh3=L(1-cosα)

(1)

水田作業時激光接收器豎直高度要超過牽引機高度，為防止激光信號被遮擋，所以支撐桿的長度L一般為2m左右。根據表1試驗數值，支撐桿最大擺角α可達25°，將這兩個數據代入式(1)可得△h3=18.7cm,接收器振幅達到85cm。以美國天寶(Trimblr)激光平地機為例，其激光接收器檢測精度為±0.6cm，△h3數值遠遠超出接收器檢測接收范圍。這樣控制系統會驅動液壓系統升高，調整平地鏟位置不停地尋找激光信號，系統一直處于修正狀態，此時拖拉機已帶動作業機具來到下一個位置D點，最終造成平地作業失敗。

1.水田地表　2.支撐桿　3.接收器　4.基準平面

3隔振系統設計

3.1　隔振系統建模

支撐桿通過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激勵。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。整個隔振系統設計為雙層隔振，系統模型如圖3所示。圖3中，m1表示支撐桿和激光接收器，兩者通過隔振系統固定在連接座上；m2表示連接座，通過隔振系統固定在平地鏟上；平地鏟和耙漿機被視為剛體基礎，在基礎上加上隨機位移μ0作為輸入激勵。

圖3　隔振系統模型

借助動力學定律建立隔振系統的運動微分方程[5]為

(2)

式中m1—被隔振物體質量；

m2—中間物體質量；

k1、k2、k3—剛度系數；

c1—阻尼系數；

x1、x2、xc、μ0—位移(mm)。

四參數法只考慮隔振系統的結構動特性，特別適合復雜結構系統的振動問題的分析設計[6]。對式(1)進行傅里葉變換，并運用四端參數法整個隔振系統可表示為[7]

(3)

令

(4)

由隔振傳遞率計算公式得[8-9]

(5)

式中Td—隔振傳遞率；

m1—被隔振物體質量；

m2—中間物體質量；

k1、k2、k3—剛度系數；

c1—阻尼系數；

x1、u0—位移(mm)。

設

(6)

則Td可寫為

(7)

其中，μ為質量比；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　隔振系統優化求解

按照式(7)對Td進行優化計算便可確定被隔振物體與中間物體的各項參數的最優取值。

隔振系統包含大量的模糊因素, 具體表現在設計變量的模糊性及約束條件的模糊性。本文采用模糊優化理論，建立被隔振物體與中間物體的各項參數與隔振傳遞率間的多目標模糊優化數學模型，采用粒子群算法對變量進行優化搜索。

3.2.1優化函數構建

由于激光信號接收器外形結構與質量一定，所以質量m1、ω1是已知條件，選取m2、ω2、k1、k2、k3、c1為設計變量。這些參數決定隔振傳遞率，即

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

(8)

隔振系統設計的主要目的是保證傳遞率最小和穩定性，因此選取Td為目標函數，為考察分別中間物體、剛度系數和阻尼系數等不同參數對Td的影響，同時考慮減少計算量，構建如下4個目標函數，有

(9)

然后按照按照式(6)、式(7)構造目標函數式(9)。

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

(10)

式(8)~式(10)構成了求解傳遞率最優值的模糊優化函數模型。

3.2.2多目標模糊優化的求解

由于約束的模糊性, 為了獲得模糊目標集, 應用λ最優水平截集法將模糊約束的允許區間轉化為實數論域上的一個普通集合[10]，則

(11)

其中，λ*為最優值。按照式(11)可求得式(9)中各子目標函數在普通集合條件下的約束最優解。

接下來構造各子目標函數模糊目標集的隸屬函數[11]，有

(12)

考慮到各子目標函數的貢獻率應包含在同一模糊集合之中, 此模糊集合的隸屬函數可取為[12]

(13)

(14)

對式(14)運用粒子群算法尋找全局最優值，最終結果如表2所示。

表2　多目標模糊優化的最優值和最優解

3.3　隔振系統結構設計

在理論分析計算的基礎上，本文完成了整個隔振系統的結構設計，如圖4所示。為隔斷縱向振動，考慮到空間尺寸和裝配工藝問題，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計了彈性筒夾、錐套與隔振環，三者配合消除了支撐桿與連接座之間的配合間隙，保證支撐桿安裝時的垂直精度，使現場作業操作更簡便和快速。

1.連接座　2.隔振器　3.銷釘　4.隔振環　5.螺母

在彈性筒夾通過自身彈性吸收部分激振，減振環采用橡膠材料，經減震槽可靠地固定到底座上，進一步減小支撐桿的縱向振動。

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

圖5　隔振器結構

4試驗驗證

為驗證隔振系統的隔振效果，進行了數次試驗，試驗系統如圖6所示。試驗在1-3 000Hz/SZT型四度空間振動平臺上完成，該平臺可實現垂直、水平正負方向的單獨振動和多個方向的組合振動，振動頻率在1～3 000Hz之間，可較好地模擬水田作業真實振動情況。

1.夾具　2.傳感器　3.隔振系統　4.振動頻率測量儀

試驗分為兩組進行：第1組是激光接收器支撐桿直接通過無減振隔振性能的夾具固定在振動平臺上；第2組是激光接收器支撐桿通過隔振系統固定在振動平臺上，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際生產中的情況處理。在振動臺相同的輸入情況下，分別測量兩種情況下支撐桿的振幅和振動頻率。在支撐桿中部、激光接收器固定位置處分別設置兩組位移傳感器，用來測量支撐桿的擺動角度和位移。支撐桿的底部安裝一振動頻率測量儀來測量其振動頻率。測量數據經數據采集系統傳輸到電腦經處理系統處理生成圖表，便于進一步分析。

由試驗結果可看出本文設計的隔振系統的效果良好。由圖7得出：隔振系統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，根據接收器高度可計算出其擺動角度從25°減小到2°左右，保證了接收器不會偏離激光信號。圖8隔振傳遞率曲線進一步說明該系統在高頻階段的性能比較穩定。低頻階段波動較大，這與系統的固有頻率有關，系統產生了共振。

從圖9中看到：當輸入頻率為20Hz時，隔振系統輸出頻率在初始階段下降了50%左右，隨著時間的推移振動頻率出現一定波動，這與支撐桿的細長結構產生的共振以及激光接收器自身質量有關，需進一步從材料和結構上對支撐桿及接收器的固定方式進行改進。與表1相比較，試驗數據與田間樣機試驗數據比較吻合。

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結論

1)在系統分析了激光耙漿平地機的振動性能基礎上，提出二級隔振方法，運用動力學原理和四端參數法，建立了二級隔振系統模型。

2)采用模糊優化方法對隔振系統的各項參數進行求解，在此基礎上完成隔振系統的結構設計。該二級隔振系統由隔振器、減振墊和隔振環及彈性筒夾組成，前兩者用來隔斷縱向激振，后兩者用來隔斷橫向激振。

3)試驗表明：該隔振系統隔振效果較好，支撐桿最大擺角從25°減小到2°左右，激光信號接收器振幅控制在6cm以下，隔振系統系統振動傳遞率穩定，大大提高了耙漿平地機的激光信號接收精度。

4)支撐桿自身的細長結構和接收器質量會引起自由振動， 從材料、 結構上對其進行改進是后續研究的重點。

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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：TP18；S222.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0028-06

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

基金項目：蘇北科技發展計劃項目(BN2014020)；連云港市農業攻關項目(CN1413)

收稿日期：2015-10-14