多源激勵(lì)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)螺栓連接處振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

顧庭偉， 錢鵬飛， 李鵬程， 顧新陽， 唐 忠

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

由于聯(lián)合收獲機(jī)惡劣工作環(huán)境及內(nèi)部存在眾多運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜的工作部件，聯(lián)合收獲機(jī)在工作過程中易出現(xiàn)強(qiáng)烈的不平衡振動(dòng)與沖擊現(xiàn)象，主要的振動(dòng)源有發(fā)動(dòng)機(jī)、脫粒滾筒、振動(dòng)篩、風(fēng)機(jī)、割臺(tái)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(yán)重，工作過程中瞬時(shí)沖擊和交變載荷易引起螺栓松動(dòng)、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(dòng)分析都主要集中于工作部件本身，包括對(duì)割臺(tái)、輸送槽、脫粒滾筒和發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)頻響應(yīng)分析得到各工作部件主要振動(dòng)頻率和各階模態(tài)振型，也有研究人員通過仿真軟件對(duì)滾筒及振動(dòng)篩模型進(jìn)行靜力學(xué)和諧響應(yīng)分析及離散元分析等[9-12]。但實(shí)際上聯(lián)合收獲機(jī)螺栓連接受載最為復(fù)雜，失效時(shí)其振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生較大改變，表現(xiàn)在振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量的變化上，可以用時(shí)頻特征變化來量化表征，常用的時(shí)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(jī)單一工作部件理論建模與分析，但對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)螺栓及連接件的振動(dòng)分析很少。本研究對(duì)工作部件螺栓處振動(dòng)特性進(jìn)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(jī)工作安全性與可靠性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

信號(hào)采集儀采用DH5902 堅(jiān)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(yàn)采用三向壓電加速度傳感器（型號(hào)1A312E）可分別輸出X、Y、Z軸向加速度信號(hào)，整套采集系統(tǒng)如圖1 所示。

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

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)過程

采用加速度傳感器對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)主要工作部件的螺栓及連接件6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的3 個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集并保存。

具體試驗(yàn)過程：將傳感器貼到圖2 所示聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)應(yīng)的部位，試驗(yàn)使用兩個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)采集儀6 個(gè)通道同時(shí)采集，設(shè)置儀器采樣頻率2.56 kHz 保證采集信號(hào)不發(fā)生混疊，參數(shù)設(shè)置完成后開啟聯(lián)合收獲機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高2 700 r/min，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速2000 r/min 左右，滾筒轉(zhuǎn)速560 r/min，運(yùn)行聯(lián)合收獲機(jī)待信號(hào)穩(wěn)定之后采集2 min 各測(cè)點(diǎn)3 個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)，得到聯(lián)合收獲機(jī)各主要工作部件螺栓及連接件主要振動(dòng)響應(yīng)。

圖2 振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Location of measuring points in vibration response test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 振動(dòng)響應(yīng)能量強(qiáng)度

將各通道加速度時(shí)域響應(yīng)信號(hào)截取最穩(wěn)定的25 s數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖3 所示。為了得到各測(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)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(dòng)指標(biāo)主要反映振動(dòng)信號(hào)的能量強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在螺栓松動(dòng)前期作為一個(gè)識(shí)別參考值。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)信號(hào)Fig.3 Acceleration response signal of each measurement point

式中N——數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)

xi——數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，m/s2

用包絡(luò)有效值衡量振動(dòng)能量強(qiáng)度，即信號(hào)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(diǎn)的影響。計(jì)算得到6 個(gè)測(cè)點(diǎn)在3 個(gè)方向上包絡(luò)有效值如表2 所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)3 個(gè)方向包絡(luò)有效值Tab.2 Effective value of three-way envelope at each measurement point

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

為更好地進(jìn)行螺栓連接件振動(dòng)特性橫向?qū)Ρ炔⒈３指唠S機(jī)性，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)包絡(luò)有效值如表2 所示，依據(jù)數(shù)據(jù)得出各測(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)方向?yàn)椋?-Z、2-X、3-Y、4-Z、5-X和6-Z。

2.2 振動(dòng)響應(yīng)峭度因子

峭度因子是信號(hào)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(duì)螺栓連接沖擊特征的區(qū)分能力較強(qiáng)。

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

圖4 各測(cè)點(diǎn)信號(hào)3 個(gè)方向隨機(jī)峭度因子Fig.4 Signal random kurtosis factor in three directions at each measurement point

以每個(gè)測(cè)點(diǎn)的主要振動(dòng)方向峭度因子為分析對(duì)象，提取其數(shù)值進(jìn)行定量分析，如表3 所示。1-Z處有最高值為16.702 5，但計(jì)算過程中數(shù)值在某段時(shí)間明顯增大說明工作時(shí)沖擊不平衡，1-Z處存在相對(duì)間隙造成偽故障使其沖擊特征增強(qiáng)加快螺栓連接的破壞。偏心振動(dòng)篩急回特性決定了4-Z數(shù)值12.562 2 也達(dá)到嚴(yán)重沖擊標(biāo)準(zhǔn)。2-X處數(shù)值也處于較高水平為6.093 0，而其他測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)方向信號(hào)時(shí)域特征值Tab.3 Time domain eigenvalues of main vibration direction signals at each measurement point

2.3 振動(dòng)響應(yīng)偏度因子

偏度指標(biāo)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(duì)平衡位置的偏離程度，偏度值有正偏和負(fù)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(cè)點(diǎn)信號(hào)3 個(gè)方向隨機(jī)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(cè)點(diǎn)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(jī)在螺栓連接件處的不平衡碰撞具有明顯的方向性。各測(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)方向偏度計(jì)算值如表3 所示，定量分析發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)4 偏度最大為-0.259 9 ，說明振動(dòng)篩螺栓連接處所受單側(cè)碰撞的次數(shù)多、強(qiáng)度大。處于單擺模型末端的測(cè)點(diǎn)1 處偏度也處于較高水平，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3 和測(cè)點(diǎn)5 處的偏度值近似認(rèn)為測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)4 處的1/3 和1/4，認(rèn)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(dòng)響應(yīng)裕度因子

裕度因子（Ce）常用來檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的磨損狀況，通過此指標(biāo)對(duì)各測(cè)點(diǎn)沖擊衡量的同時(shí)也對(duì)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(dòng)篩運(yùn)動(dòng)形式導(dǎo)致。3-Y處數(shù)值僅次于4-Z處，此處為機(jī)體動(dòng)力輸入，雖然沒有部件運(yùn)動(dòng)沖擊但具有最強(qiáng)的振動(dòng)能量使微小位移明顯增大；而測(cè)點(diǎn)1 只在1-Z處較高。

圖6 各測(cè)點(diǎn)信號(hào)3 個(gè)方向隨機(jī)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(dòng)沖擊與磨損最嚴(yán)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(shí)域特征在各測(cè)點(diǎn)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(shí)域特征出現(xiàn)有高有低的情況。因此，頻域分析主要針對(duì)1-Z、2-X、3-Y和4-Z4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

表4 各測(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)方向時(shí)域特征對(duì)比Tab.4 Comparison of time domain characteristics of main vibration directions at each measurement point

2.5 振動(dòng)響應(yīng)頻譜

為探究各測(cè)點(diǎn)螺栓連接件的頻譜響應(yīng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換得到其工作過程中各測(cè)點(diǎn)在主要振動(dòng)方向上的頻域響應(yīng)，如圖7 所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)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(jī)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(hào)，1-Z處螺栓連接件存在部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)偽松動(dòng)可對(duì)其進(jìn)行濾除；2-X處噪聲頻率達(dá)到1 000 Hz 以上也可直接濾除；3-Y處高頻信號(hào)幅值不明顯而中頻信號(hào)多以轉(zhuǎn)頻信號(hào)的高倍頻成分，可直接并入低頻成分分析。

4 個(gè)測(cè)點(diǎn)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(dòng)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(shí)了34.719 5 Hz 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻，而各部件的幅值明顯小于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻幅值，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)篩工作頻率，另一幅值點(diǎn)為工作頻率的16 倍頻37.079 4 Hz 處，其他頻率成分或?yàn)檎駝?dòng)篩自身固有頻率未出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分，說明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻成分在振動(dòng)篩處未有明顯的影響。

圖8 測(cè)點(diǎn)主要振動(dòng)方向低頻段信號(hào)頻譜Fig.8 Low-band signal spectrum of main vibration direction of measurement point

3 結(jié)束語

通過對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)各工作部件螺栓及連接件處振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域特征對(duì)比與分析，找到了主要振動(dòng)方向及位置，為振動(dòng)篩處螺栓及連接件的加工制造、防松及失效在線監(jiān)測(cè)技術(shù)從振動(dòng)特征角度提供了參考。

（1）通過對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)各工作部件螺栓及連接件處主要振動(dòng)方向振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域特征對(duì)比與分析。得到聯(lián)合收獲機(jī)螺栓及連接件最易破壞的位置及方向：割臺(tái)與輸送槽螺栓連接件處橫向振動(dòng)方向、輸送槽與前部機(jī)架螺栓連接處豎直振動(dòng)方向、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架螺栓連接處豎直振動(dòng)方向及振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)時(shí)、頻域特征分析，振動(dòng)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(yuǎn)高于其他工作部件螺栓連接處，說明振動(dòng)篩螺栓連接處在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(cè)提供了振動(dòng)響應(yīng)角度的參考。

（3）分析了對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)各工作部件螺栓及連接件處主要振動(dòng)方向振動(dòng)響應(yīng)頻域。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻34.7595 Hz 和多倍頻對(duì)多個(gè)工作部件都有明顯影響，但振動(dòng)篩螺栓結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分幅值極低，說明振動(dòng)篩工作過程中基本不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞影響，并且振動(dòng)篩頻率成分更為復(fù)雜，幅值遠(yuǎn)高于其他螺栓連接件處，為螺栓防松及監(jiān)測(cè)提供了頻域參考。