履帶式大豆聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)測(cè)試與分析

解鴻儒，金誠(chéng)謙，，印 祥，錢(qián)震杰，滕悅江，于晨曦

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210000)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)作為一種大型田間作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含許多旋轉(zhuǎn)往復(fù)工作部件，可一次完成切割、輸送、脫粒、清選和拋灑等工作，因此會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)；且收獲機(jī)各種部件之間多為剛性連接，各部件產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)相互影響，不能有效地消除，加之作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，限于成本加工及裝配精度不高等因素，聯(lián)合收獲機(jī)普遍存在振動(dòng)強(qiáng)烈、噪聲較大的問(wèn)題[1]。我國(guó)收割機(jī)的平均無(wú)故障工作時(shí)間只有30～40h，只及國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的1/3～1/2，振動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重影響其可靠性及駕駛員工作的舒適性[2]。

越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究。早在1982年，曲修銘[3]等人對(duì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的振動(dòng)特性及舒適性進(jìn)行了分析。王芬娥[1]等人測(cè)試了在不同的4種工況下聯(lián)合收獲機(jī)的垂直振動(dòng)特性，獲得了各激振源對(duì)整機(jī)振動(dòng)的貢獻(xiàn)量。馬桂香[4]等人測(cè)試了聯(lián)合收獲機(jī)在靜止轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)輸狀態(tài)和工作狀態(tài)時(shí)3個(gè)方向上的振動(dòng)特性，并對(duì)其功率譜密度進(jìn)行分析。徐立章[5]等人以水稻聯(lián)合收獲機(jī)為研究對(duì)象，分別在空載、收獲等5種工作狀況下測(cè)得了8個(gè)振動(dòng)較強(qiáng)的位置的振動(dòng)特性。姚艷春[6]等人對(duì)玉米聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試并結(jié)合模態(tài)分析，通過(guò)優(yōu)化機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使車(chē)架固有頻率避開(kāi)激振頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

目前，針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)在不同工況下的振動(dòng)狀態(tài)測(cè)試的研究并不多。本文選取了6個(gè)收獲機(jī)上主要工作部件作為測(cè)點(diǎn)，利用DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，對(duì)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)與頻譜特性進(jìn)行研究，找到影響整機(jī)振動(dòng)較強(qiáng)的因素，并對(duì)影響駕駛座舒適性的因素進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)論可為提高聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性與舒適性提供參考。

1 聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)激勵(lì)源分析

聯(lián)合收獲機(jī)在田間工作時(shí)會(huì)受到來(lái)自地面和自身工作部件的多種振動(dòng)激勵(lì)的影響，這些振動(dòng)會(huì)危害對(duì)駕駛員的身心健康，影響機(jī)器的收獲效率。當(dāng)某些激振頻率與聯(lián)合收獲機(jī)某部件的固有頻率耦合時(shí)，該部件會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，造成機(jī)器的損壞[7-11]。

聯(lián)合收獲機(jī)主要是由撥禾輪、切割器、駕駛操縱臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)機(jī)架、糧箱、脫粒滾筒及振動(dòng)篩等部分組成，如圖1所示。聯(lián)合收獲機(jī)在正常工作時(shí)，產(chǎn)生振動(dòng)的主要來(lái)自做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的切割器、振動(dòng)篩，以及做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的撥禾輪、攪龍、風(fēng)機(jī)、脫粒滾筒、輸送槽等。此外，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和地面的激勵(lì)也是造成振動(dòng)的原因。

1.撥禾輪 2.切割器 3.駕駛操縱臺(tái) 4.發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)是影響整機(jī)振動(dòng)的主要原因之一。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和曲軸等旋轉(zhuǎn)部件會(huì)產(chǎn)生不平衡慣性力，同時(shí)受壓縮氣體會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩。理論上，這些不平衡力可通過(guò)動(dòng)平衡來(lái)消除，但由于加工及裝配上的誤差導(dǎo)致無(wú)法完全消除，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒激振頻率計(jì)算公式[12]為

(1)

其中，f1為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒激振頻率(Hz)；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；i為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；c為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。該聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸4沖程，工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為2 700r/min，理論慣性力激振頻率為90Hz。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻譜如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻譜圖

由圖2可知：發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際慣性力激振頻率為90.33Hz，與計(jì)算得到的理論激振頻率基本一致。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)樣機(jī)為大豆聯(lián)合收獲機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。測(cè)試系統(tǒng)包括東華公司生產(chǎn)的DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、1A314E型三向加速度傳感器、DHDAS2013動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，具體參數(shù)如表2所示。

表1 聯(lián)合收獲機(jī)主要性能參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)儀器主要性能參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

為測(cè)得大豆聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)的振動(dòng)特性，該實(shí)驗(yàn)選擇5種工況對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行測(cè)試，如表3所示。

表3 聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)工況

續(xù)表3

聯(lián)合收獲機(jī)的振動(dòng)主要來(lái)自做往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工作部件，因此本試驗(yàn)選取了聯(lián)合收獲機(jī)的切割器、發(fā)動(dòng)機(jī)、脫粒滾筒、風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩等6個(gè)測(cè)點(diǎn)作為測(cè)試對(duì)象(見(jiàn)表4)，重點(diǎn)分析這些測(cè)點(diǎn)在不同工作狀態(tài)下3個(gè)方向(前后、上下、左右)上的振動(dòng)特性。

表4 聯(lián)合收獲機(jī)測(cè)點(diǎn)選擇

3 聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

3.1 儀器安裝與調(diào)試

試驗(yàn)前將DHDAS2013動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)安裝到筆記本電腦，用網(wǎng)線連接DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀檢測(cè)是否聯(lián)通。將三向加速度傳感器與數(shù)據(jù)線連接，并將圓形磁鐵安裝到傳感器上；將聯(lián)合收獲機(jī)測(cè)點(diǎn)位置擦拭干凈，并把傳感器吸附在測(cè)點(diǎn)處；把與三向加速度傳感器相連的數(shù)據(jù)線連接到動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀上，注意要將傳感器方向與信號(hào)采集儀的通道相對(duì)應(yīng)(x為前進(jìn)方向，y為左右方向，z為上下方向)。聯(lián)合收獲機(jī)的旋轉(zhuǎn)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件較多，在安裝傳感器時(shí)要把數(shù)據(jù)線捆扎好，以免發(fā)生意外。

在DHDAS2013軟件中開(kāi)啟5～22通道，設(shè)置采樣頻率為2K，分析點(diǎn)數(shù)為2 048，平均方式為線性平均，平均次數(shù)為3次(每個(gè)工況試驗(yàn)3次，每次采集5min)。

3.2 振動(dòng)信號(hào)采集與分析

本次試驗(yàn)所使用的3項(xiàng)加速度傳感器能夠?qū)κ斋@機(jī)前進(jìn)方向、橫向和上下3個(gè)方向上的振動(dòng)信號(hào)連續(xù)采樣，測(cè)得5種工況下6個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)，經(jīng)快速傅里葉變換后可獲得頻譜圖。聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)測(cè)試如圖3所示。

圖3 聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)測(cè)試

3.2.1 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

利用加振動(dòng)速度均方根值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。不同工況下，6個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向上的加速度均方根值如表5所示。將表中數(shù)據(jù)生成雷達(dá)圖，可以更加直觀地分析與對(duì)比各測(cè)點(diǎn)在不同工況下的振動(dòng)強(qiáng)度，如圖4所示。

表5 5種工況下6個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向上的加速度均方根值

圖4 5種工況下6個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向上的加速度均方根值

由表5和圖4可以看出：

1)測(cè)點(diǎn)1。切割器驅(qū)動(dòng)軸支座在發(fā)動(dòng)器空轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度較小，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加振幅并沒(méi)有增加，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)切割器的影響較小；當(dāng)切割器工作時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度明顯增加，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，X方向上的振幅由2.92m/s2增加到21.04m/s2，振動(dòng)強(qiáng)度增加更為顯著；當(dāng)田間收獲時(shí)，隨著作物秸稈的喂入，切割器在各方向上的振動(dòng)強(qiáng)度有明顯下降，X、Y方向上的振幅分別下降38.38%、38.57%，且Y方向振動(dòng)強(qiáng)度明顯高于其他兩個(gè)方向，說(shuō)明切割器的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)強(qiáng)度較大。

2)測(cè)點(diǎn)2。駕駛座支架的3個(gè)方向上的振動(dòng)強(qiáng)度在發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)高50%以上，且在其他工作部件分別打開(kāi)與關(guān)閉狀態(tài)下的振動(dòng)強(qiáng)度并沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明影響駕駛座振動(dòng)強(qiáng)度的主要因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；同時(shí)5種工況下Z方向的振幅大約比另外兩個(gè)方向的振幅高50%，說(shuō)明駕駛座的主要振動(dòng)方向是上下方向，所以要在發(fā)動(dòng)機(jī)與駕駛座之間增加減振措施。

3)測(cè)點(diǎn)3。發(fā)動(dòng)機(jī)支架在工況1與工況3的X、Y、Z方向上振幅分別為1.03、0.68、1.30、1.51、0.68、1.19m/s2，振幅相差不大；工況2和工況4的振幅相對(duì)于工況1和工況3增加了4倍左右，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加并不是造成整機(jī)振動(dòng)的主要原因。

4)測(cè)點(diǎn)4。縱軸流脫粒滾筒和測(cè)點(diǎn)6風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)的振幅比靜止時(shí)有明顯增加，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加振幅明顯升高，說(shuō)明脫粒滾筒和風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)存在明顯的不平衡力；在田間作業(yè)時(shí)，脫粒滾筒振幅大約是空載時(shí)的3倍，且風(fēng)機(jī)振幅也明顯增加，說(shuō)明負(fù)載使脫粒滾筒和風(fēng)機(jī)的振動(dòng)顯著增加。

5)測(cè)點(diǎn)5。振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)軸支座的振幅從工況1到工況5逐漸增加，且工況4的振幅增加最為明顯，說(shuō)明隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和其他工作部件運(yùn)轉(zhuǎn)速度的增加，收獲機(jī)整機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度也增大；工況5時(shí)振幅達(dá)到最大，說(shuō)明聯(lián)合收獲機(jī)在田間作業(yè)有了負(fù)載之后整機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)。

3.2.2 振動(dòng)信號(hào)頻域分析

選取各測(cè)點(diǎn)X、Y、Z這3個(gè)方向上較穩(wěn)定的時(shí)域信號(hào)，經(jīng)快速傅里葉變換可獲得頻譜圖。通過(guò)對(duì)某位置的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖的分析，可獲得該位置振動(dòng)影響因素。由于聯(lián)合收獲機(jī)各工作部件的轉(zhuǎn)速不高，因此本次試驗(yàn)針對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行分析。在5種工況下的頻譜圖中各測(cè)點(diǎn)振幅的最大值及其對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率如表6所示。

由表6可以看出：

1)工況1發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，整機(jī)的振動(dòng)全都源自于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，激振頻率為37.11Hz；但各測(cè)點(diǎn)的振幅較低，影響最大的位置是發(fā)動(dòng)機(jī)支架和駕駛座的豎直方向上。

2)工況2發(fā)動(dòng)機(jī)全速狀態(tài)下，測(cè)得的由發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不平衡力及慣性力產(chǎn)生的激振頻率為90.33Hz，與理論計(jì)算值基本吻合；駕駛座Z方向上的振幅達(dá)到了5.43m/s2，遠(yuǎn)高于其他位置的振幅。因此，可得出如下結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)駕駛座上下方向的振動(dòng)影響最強(qiáng)烈。

3)由工況3可以看出：由于各工作部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)載荷增加，其激振頻率降為34.18Hz，主要影響仍是來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)支架及駕駛座位置。由于怠速狀態(tài)下轉(zhuǎn)速較低，工作部件振動(dòng)不強(qiáng)，因此各測(cè)點(diǎn)的振幅較小。

4)各工作部件運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下的激振頻率明顯比僅有發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)復(fù)雜，各工作部件的振動(dòng)相互影響使得振動(dòng)頻率辨識(shí)困難。

5)由工況4可以看出：在整機(jī)空載發(fā)動(dòng)機(jī)全速狀態(tài)下，割臺(tái)部分的切割器振動(dòng)最為強(qiáng)烈；尤其是在左右方向上，由于切割器是左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以左右方向上振幅達(dá)到5.15m/s2，振動(dòng)頻率為7.32Hz，輸送鏈耙理論激振頻率也是7.32Hz；脫粒滾筒處前后方向上的振動(dòng)受到振動(dòng)篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響，且振幅由振動(dòng)篩傳遞到脫粒滾筒處由0.60m/s2下降至0.37m/s2。

6)由工況5田間工作狀態(tài)中可以看出：當(dāng)有作物喂入割臺(tái)時(shí)，切割器的振動(dòng)頻率仍為7.32Hz，但振幅比空載時(shí)明顯減小；駕駛座上下振幅增大，主頻為170.41Hz。

表6 5種工況下6個(gè)測(cè)點(diǎn)一階振動(dòng)頻率與振幅

續(xù)表6

4 結(jié)論

1)割臺(tái)切割器的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)篩的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)和脫粒滾筒的旋轉(zhuǎn)是引起聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)振動(dòng)的主要原因；風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡燃燒力矩和慣性力引起的上下振動(dòng)是引起聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)振動(dòng)的次要原因。

2)當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)空載全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，割臺(tái)切割器造成的振動(dòng)最大；在正常田間作業(yè)時(shí)，切割器振動(dòng)明顯減輕。因此，應(yīng)避免割臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間空載運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)駕駛座受發(fā)動(dòng)機(jī)垂直振動(dòng)影響最明顯，因此在聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與駕駛座之間增加減振措施。

4)在田間收獲工況下，除割臺(tái)的振動(dòng)強(qiáng)度有所減小外，其他測(cè)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度都不同程度的增加，尤其脫粒滾筒處是整機(jī)振動(dòng)中最強(qiáng)烈的位置。