振動技術在耕種收機械中的應用研究進展與展望

崔普杰

（池州學院，安徽 池州 247000）

我國作為農業(yè)大國，在經濟發(fā)展過程中，農業(yè)產業(yè)始終發(fā)揮著重要作用，而耕種、播種、收獲則是農業(yè)生產當中的重要環(huán)節(jié)，對于農作物產量和質量有著直接影響。在農業(yè)生產過程中，受到環(huán)境等方面的影響，存在振動情況，通過對振動技術的科學應用，能夠有效改變物體運動狀態(tài)，達到提高作業(yè)效率、保障作業(yè)穩(wěn)定性、降低作業(yè)成本的效果，對于增加農業(yè)產出、提高經濟收益有著積極作用。因此，加強對振動技術在耕種收機械中的應用研究和探討是十分有必要的。

1 振動技術原理

廣義上的振動指的是某個物理量發(fā)生周期性變化，狹義上指的是物體在一定位置附近發(fā)生的往返運動，即機械運動，屬于特殊運動形式，在此過程中，物體會沿著平衡位置做往復運動，振動情況的強弱可通過物體位移、速度等指標進行衡量和表述[1]。可按照激振源不同，將振動劃分為電磁振動和機械振動。在實際展開振動研究的過程中，為簡化研究過程，通常會將振動物體視為沒有彈性的物體，然后將其與一個具有彈性的彈簧連接在一起，在此過程中，需要忽略彈簧的質量，由此形成振動系統(tǒng)，用以分析振動過程。根據振動系統(tǒng)的自由度，可將其劃分為單自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)。

2 振動技術在耕種收機械中的應用研究情況

2.1 農業(yè)耕作

耕作是農業(yè)生產過程中的關鍵環(huán)節(jié)，隨著技術以及產業(yè)的發(fā)展，農業(yè)耕作逐漸由傳統(tǒng)人工作業(yè)轉變?yōu)榱藱C械作業(yè)，極大地提升了耕作效率和水平。但在機械作業(yè)的過程中，觸土部件會與土壤之間發(fā)生接觸，并相互作用，達到翻轉、破碎或者移動土壤的效果[2]。同時，由于實際耕作環(huán)境相對較為惡劣，無法避免耕作過程中出現振動情況，不僅會影響耕作質量和效率，還會產生噪聲和震顫，提高零部件的疲勞程度，加速損壞，影響機械設備的使用壽命。因此，減少振動影響，降低設備消耗，就成為振動技術在農業(yè)耕作機械當中的主要應用和研究方向。振動技術在耕作機械當中的應用，能夠有效降低實際機械設備運行過程中的工作阻力，而且還會減少設備功耗，具有明顯的減振效果，實際作業(yè)質量也相對更高。

近年來，針對振動技術在耕種機械當中的應用研究，多集中在部件減阻降耗、減振脫附等方面。例如振動式深松機試驗，該試驗表明，振動技術的運用，有效降低了實際工作阻力，相較于無振動技術應用下的機械設備，工作阻力降低了約30%[3]。此外，還有部分學者通過研究振動方式、振動頻率等，有效提高了機械設備運行效率和作業(yè)效果，如正弦振動能夠有效減少土壤在觸土部件的附著情況，當設備振動頻率在3.3 Hz 左右時，能夠有效實現對于土壤的振動切削，保障作業(yè)質量[4-5]。此外，很多學者結合振動技術，創(chuàng)新研發(fā)了耕作機械，有效解決了實際耕種過程中松土阻力較大等方面的問題，如周華等設計的振動深松裝置，在此方面有著良好的作業(yè)效果，與傳統(tǒng)弧形深松鏟相比，該設備的運用減阻率高達15.45%~20.05%，不僅提高了作業(yè)效率，而且降低了能耗。

隨著對振動技術的深入研究和運用，相關研究者對于振動的研究和分析，逐漸從利用振動轉變?yōu)獒槍φ駝犹匦缘姆治觯行崿F了機械設備的減振降噪。例如，運用多體動力學系統(tǒng)，建立耕種設備動力學模型，實現對于設備振動特性的有效分析，有針對性地優(yōu)化機械設備，降低振動和噪聲影響。還有學者通過對旋耕機振動情況、性能以及特點的分析，設計相應減振裝置，有效降低了設備運行過程中的振動和噪聲。此外，還有研究通過對虛擬樣機的參數進行優(yōu)化調整，以此設計振動手扶拖拉機阻尼減振把手，達到減振效果。或者開發(fā)應用減振材料，例如增強型玻璃纖維塑料等，將其運用到機械設備當中，也具有良好的減振效果。

2.2 農業(yè)播種

機械播種是提高播種效率和精度、降低種植成本的有效措施，能夠有效保障播種的可靠性。將振動技術應用在機械播種當中，能夠實現種子的有序排列與精密吸附，而且還能夠有效避免堵塞等方面的問題。在實際播種過程中，由于現場環(huán)境條件有限，設備運行過程中難以避免出現振動情況，導致物料之間的摩擦較小，整體流動性偏大，物料之間容易出現互相堆積的情況，容易使得料斗堵塞，而利用振動技術，將物料均勻散開，能夠有效避免此類問題。

振動式播種機主要分為單一式和組合式兩種類型，其中單一式還分為電磁振動機械和氣力振動機械兩種，而組合式則包括機械－振動以及氣力－振動兩種。目前，振動播種機械研究的主要方向是提高播種精度、解決播種堵塞等方面的問題。例如，部分學者針對種子斗振動頻率情況展開研究，意在促使播種機達到最佳播種狀態(tài)，當種子斗振動頻率控制在43.6 Hz~43.8 Hz 之間，振幅在0.61 mm~0.62 mm 之間時，真空吸嘴播種機能夠處于最佳狀態(tài)，播種精度和效率都相對較高[6]。針對于播種精度方面的問題，在利用振動技術時，可借助電磁振動控制外槽輪轉速，以此實現定量供種，保障播種效果。此外，部分學者針對水稻種植需求，為提高播種精度，利用了電磁振動技術，通過該技術進行排種，有效提高了水稻種子的輸送速度以及種植精度。還有學者將外槽輪定量排種與電磁振動技術進行有機結合，開發(fā)了組合式毯狀秧苗精密排種器，實現了精密播種，經過對該機械設備的試驗研究，發(fā)現該設備的排種合格率、穩(wěn)定性都相對較高，有效保障了播種效率和精度。

2.3 果實收獲

振動技術在果實收獲機械當中的運用，有助于減少果實之間的摩擦，實現對于果實的快速分離和收獲，減少損傷，以此保障農作物的產量和質量。當前國內外已經有大部分設備都應用了振動技術展開果實的采摘作業(yè)，常見的有葡萄、花椒、芒果以及紅棗等產品。當前振動式收獲機械設備主要包括以下兩種類型：一為振動搖推式，該類機械設備主要是由偏心振動電機、夾持器以及曲柄滑塊構成，在實際采收的過程中，需要將夾持器固定在樹干上，然后在偏心振動電機的驅動之下，帶動夾持器產生振動，達到搖動果樹的效果，實現采收。二為振動撞擊式，該類采收設備通過振動激勵的方式撞擊果實，使得果柄斷裂，以此進行采收。根據國外相關學者的研究分析可知，應用振動技術進行采收的過程中，設備的振動頻率對于收獲效率有著明顯影響，此外，還有學者專門分析和研究了不同振動頻率以及振動幅度對于采收效果的影響[7]。相關研究發(fā)現，振動強度越大，實際采收效果相對越差，由于高強度振動情況下果實的損傷相對較為嚴重，因此實際收集難度較高，產量反而會更低。

對于馬鈴薯、花生等農作物，也能夠利用振動技術實現機械收獲，此類根莖植物可利用高頻振動分離原理，通過激振器將需要收獲的果實與泥土分離開來。此外，還可以利用振動技術，通過機械振動和篩動方式，實現對作物的清選和篩分，有助于提高收獲效率，降低損失，提高經濟收益。

此外，值得注意的是，機械作業(yè)過程中，受到外部環(huán)境以及設備內部結構的影響，機械設備會產生震顫情況，影響實際收獲作業(yè)效果，縮短設備壽命。對此，相關學者逐漸加強了對于收獲機械設備減振降噪方面的研究和分析。例如，通過對聯合收割機展開振動特性的測試和分析，了解其激振源以及振動特點，以此為聯合收割機的優(yōu)化調整提供參考，保障設備運用的有效性，降低振動影響，實現噪聲以及能耗的有效控制[8]。還可以設計具有減振效果的水稻收割機，通過優(yōu)化設備模型，減少共振情況，減少能量消耗以及噪聲問題，保障收獲質量和效率。

2.4 物料排序

在實際進行農業(yè)生產的過程中，產品種類繁多，實際工作量較大，對此，可結合實際需求設計定向機構，實現對于物料的定向排序，以此提高農業(yè)生產質量與效率。例如，部分學者結合電磁振動理論，根據松子的外觀結構和特征，開發(fā)了松子破殼機單粒定向喂入裝置，實現了松子果實的自動化定位和破殼處理。此外，還有學者開發(fā)了超級稻種的定向排序裝置。除農業(yè)耕種、播種、收獲以及物料排序等方面，振動技術還可應用到農業(yè)生產機械設備的其他方面，實現自動化作業(yè)，提高作業(yè)精度和效率，為農業(yè)生產提供良好支持，降低實際生產投入成本，提高生產質量與效率，為農業(yè)產業(yè)創(chuàng)造更多經濟效益。

3 振動技術的應用展望

隨著近年來自動化技術、信息技術的不斷發(fā)展，農業(yè)機具設備的種類、數量逐漸增多，生產效率得到了極大提升，生產質量十分可觀。但與此同時，振動技術在農業(yè)耕種收機械設備方面的應用研究仍然需要加強，應重視機械設備工作穩(wěn)定性、可靠性以及適應性等方面的研究和探索，以此保障設備運用穩(wěn)定、安全，能夠適應多樣化的農業(yè)生產環(huán)境和條件，更好地支持大規(guī)模農業(yè)生產作業(yè)。對此，在實際展開振動技術研究、推動應用發(fā)展的過程中，應從以下幾個方面入手。

1）深化振動理論技術研究，優(yōu)化機械設備振動部件。理論研究是實現機械設備開發(fā)的重要基礎，通過相關理論研究，明確振動對于機械作業(yè)的影響，了解土壤力學與運動特性等，能夠為振動技術在機械設備當中的應用奠定良好基礎，推動農業(yè)機械領域發(fā)展。例如，在耕作機械方面，需要加強振動場、觸土部件以及土壤之間相互作用的機理，明確復雜環(huán)境下土壤運動的規(guī)律以及設備振動情況，以此明確振動部件優(yōu)化方向，提高設備適應性。對此，應結合不同區(qū)域土壤特點、種植模式、農藝技術要求，加強對振動耕種收相關理論的研究，并有針對性地實現對機械設備以及振動部件的優(yōu)化和調整，構建先進的配套機具。

2）實現振動技術與人機工程學的融合研究。振動技術在農業(yè)耕種收機械設備當中的應用，極大地提升了作業(yè)質量和效率，但同時也會增加設備荷載，可能會降低部件壽命，還會對駕駛員造成一定影響，需要機械具備較強的承受能力。因此，在實際展開機械設計的過程中，還應融入人機工程學相關理論，綜合考量振動對于設備以及操作人員的影響，合理配置振動部件設備，在保障機械設備作業(yè)質量與效率的同時，提升人體舒適性，最大程度發(fā)揮技術應用效果[9]。

3）加強振動農業(yè)機械設備自動化、智能化研究。農業(yè)機械設備的智能化、自動化發(fā)展是當前農業(yè)產業(yè)發(fā)展的關鍵，為進一步提高振動農機的作業(yè)精度、質量以及安全性，還應將振動技術與智能化、自動化技術有機地融合在一起，開發(fā)振動測量儀器，實現對于播種、作業(yè)質量以及機械設備運行情況的監(jiān)測，并以此進行參數信息的快速調節(jié)，提高設備的可控性以及運行效率，減少能耗，保障作業(yè)質量，同時改善勞動環(huán)境，促進農業(yè)產業(yè)高質量發(fā)展[10]。

4 結語

綜上所述，振動技術在耕種收機械中的應用主要體現在改善作業(yè)質量、提高作業(yè)效率和精度方面，應用振動技術能有效減輕土壤深松過程中的阻力，降低能耗，提高作業(yè)效率，還可以實現精準播種，解決播種堵塞等方面的問題。此外，也可以通過振動技術收獲作物，減少收獲損失；或者利用振動技術進行物料排序，為農業(yè)生產提供良好支持。相信隨著對振動技術的深入研究和探索，農業(yè)產業(yè)將會得到更好的發(fā)展。