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)
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?,F(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(dòng)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(duì)于聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動(dòng)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(shí)存在強(qiáng)烈振動(dòng)并嚴(yán)重影響整機(jī)的工作性能。因此,對(duì)于聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)的振動(dòng)測試與分析尤為重要[1-3]。
目前,國內(nèi)外的一些學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)領(lǐng)域展開了相關(guān)的研究[4-7]。龐鳳斌等[8]對(duì)3060型聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)與機(jī)體間加裝減振墊的方法來減小整機(jī)的振動(dòng)。朱聰玲等[9]對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)進(jìn)行研究,指出了割臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的不平衡質(zhì)量和不等速運(yùn)動(dòng)是聯(lián)合收獲機(jī)的主要振源之一。何成秀等[10]通過對(duì)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(shí)的工作負(fù)荷對(duì)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(duì)聯(lián)合收割機(jī)主駕駛室座椅振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)整機(jī)的傳動(dòng)方案和運(yùn)動(dòng)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(dòng)特性的研究鮮有報(bào)道。
本文對(duì)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(duì)象,采用DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)在整機(jī)5種不同的工況下進(jìn)行振動(dòng)測試分析,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果探究整機(jī)振動(dòng)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(dòng)和駕駛舒適性提供依據(jù)。
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(chǔ)運(yùn)裝置、秸稈喂入裝置、壓縮打捆裝置、打結(jié)裝置、動(dòng)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(tái)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(dòng)篩的共同作用下干凈的籽粒被推送至糧箱;同時(shí),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(shí),打結(jié)裝置對(duì)草捆進(jìn)行打結(jié)。
1.撥禾輪 2.割臺(tái) 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(dòng)機(jī)型號(hào)玉柴140額定功率kW103發(fā)動(dòng)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
聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)可以看成一個(gè)有限多自由度的離散彈性系統(tǒng),整機(jī)各種激振源對(duì)其產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng):
1)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生燃燒激振頻率,同時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的離心慣性力使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生慣性力激振頻率[14]。
2)割臺(tái)切割裝置產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是由于切割器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及其傳動(dòng)系統(tǒng)不平衡質(zhì)量旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)時(shí),會(huì)對(duì)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(dòng)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(dòng)時(shí)會(huì)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(dòng)。
5)公路路面、鄉(xiāng)村土路及田地產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)也是聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)激振源之一[15-18]。
聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動(dòng)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(dòng)信號(hào)傳輸至DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀,通過無線wifi發(fā)射器,動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀與電腦中的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)連接,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞,經(jīng)分析處理后即可得到振動(dòng)信號(hào)的頻率特性。
圖2 振動(dòng)試驗(yàn)基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of vibration test
試驗(yàn)所用的三向加速度傳感器、DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀及DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)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。
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(dòng)特性,試驗(yàn)選擇小油門發(fā)動(dòng)機(jī)空載、大油門發(fā)動(dòng)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(dòng)測試。振動(dòng)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(hào)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(hào)設(shè)備名稱性能指標(biāo)1動(dòng)態(tài)型號(hào)采集儀32個(gè)通道,AD分辨率16位,帶寬100kHz,失真度<0.5%2動(dòng)態(tài)信號(hào)處理軟件DH5902專用動(dòng)態(tài)信號(hào)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(dòng)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(dòng)測試試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Vibration test scene
由于發(fā)動(dòng)機(jī)、割臺(tái)切割器、割臺(tái)攪龍、脫粒滾筒、振動(dòng)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(gè)測點(diǎn)已能反映整機(jī)主要振動(dòng)信息。聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)振動(dòng)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(dòng)測點(diǎn)分布Table 4 Distribution of testing positions
試驗(yàn)前將測點(diǎn)在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記,并將測點(diǎn)位置擦拭干凈,同時(shí)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(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析處理軟件準(zhǔn)確連接好;每個(gè)三向加速度傳感器都有X、Y、Z3個(gè)通道,在安裝時(shí)將X、Y、Z3個(gè)通道分別對(duì)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(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)中對(duì)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(hào)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(dòng)軸支座測點(diǎn)處X方向的時(shí)域波形和頻域波形如圖5所示。
(a) 時(shí)域波形
(b) 頻域波形 圖5 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸支座測點(diǎn)處X方向的振動(dòng)信號(hào)Fig.5 Vibration signal of X direction at the measuring point of the fan drive shaft
通常采用振動(dòng)加速度的均方根值作為駕駛員人體舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[20],不同工況下8個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)加速度的均方根如表5所示。
表5 不同工況下8個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)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(shí)的振動(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架激振程度相當(dāng)。在工況2和工況4時(shí)振動(dòng)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(dòng)機(jī)在全油門狀態(tài)下,發(fā)動(dòng)機(jī)支架上的振動(dòng)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(shí),其振動(dòng)加速度均方根值相比工況4減少了4.18m/s2,說明此時(shí)隨著各工作部件和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)支架振動(dòng)幅值也在下降。
2)測點(diǎn)2在工況1和工況2下的振動(dòng)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(dòng)機(jī)振動(dòng)的增加沒有對(duì)聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)割臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)比分析工況2和工況3可以發(fā)現(xiàn):切割器驅(qū)動(dòng)軸支座處的振動(dòng)加速度均方根僅相差了1.02m/s2,說明在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下切割器驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較低,割臺(tái)整體沒有產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。在工況4下測試時(shí),測點(diǎn)2的振動(dòng)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(dòng)軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng),使得割臺(tái)的不平衡力矩明顯增加,割臺(tái)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。對(duì)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(shí),切割器負(fù)載的增加減弱了割臺(tái)的振動(dòng)強(qiáng)度。
3)測點(diǎn)3~測點(diǎn)7在5種工況下的振動(dòng)加速度均方根變化情況類似,即從工況1到工況3,振動(dòng)加速度均方根逐步增加;在工況4時(shí),振動(dòng)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(dòng);在工況5時(shí),各測點(diǎn)的振動(dòng)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(shí),各運(yùn)動(dòng)部件負(fù)載的增加減弱了對(duì)整機(jī)振動(dòng)的影響。
4)測點(diǎn)8壓縮裝置驅(qū)動(dòng)軸支座在工況1和工況2下的振動(dòng)加速度均方根增加了8.33m/s2,這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮裝置驅(qū)動(dòng)軸支座位置很接近,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加通過支架對(duì)測點(diǎn)8的振動(dòng)加速度均方根影響較大。對(duì)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(dòng)產(chǎn)生周期性變化的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩,此時(shí)振動(dòng)加速度均方根較大,對(duì)整機(jī)振動(dòng)影響顯著。
1)通過對(duì)聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測試與分析可知:發(fā)動(dòng)機(jī)上下振動(dòng)、振動(dòng)篩和壓縮裝置的前后往復(fù)式運(yùn)動(dòng)和切割器的左右往復(fù)式運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的次要原因。在對(duì)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(shí)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(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)頻率為76.6Hz,切割器、割臺(tái)攪龍、脫粒滾筒、風(fēng)機(jī)、振動(dòng)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(shí),各工作部件的負(fù)載降低了整機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度。
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