小型起壟施肥機(jī)振動(dòng)特性研究

曲龍龍，吳雪梅，張康，符德龍

（1.550025 貴州省 貴陽(yáng)市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，2.551700 貴州省 畢節(jié)市 貴州省煙草公司畢節(jié)市公司）

0 引言

單位土地糧食產(chǎn)量技術(shù)對(duì)于我國(guó)賴以養(yǎng)活十幾億人口有著極其重要的意義[1]。施肥機(jī)被用于肥料的條播和穴播，有利于提高施肥效率[2]，而小型起壟施肥機(jī)在田間工作時(shí)的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響到施肥機(jī)的施肥性能。一方面，機(jī)具的振動(dòng)會(huì)引起各零部件的共振，從而損害小型起壟施肥機(jī)的重要零部件，使施肥機(jī)本身發(fā)生脆性斷裂的可能性，還會(huì)導(dǎo)致施肥機(jī)出肥量的不均勻、不精確，降低施肥精度[3]；另一方面，小型起壟施肥機(jī)的振動(dòng)加噪音會(huì)嚴(yán)重影響操縱者的身心健康[4]。

目前國(guó)內(nèi)在施肥機(jī)振動(dòng)對(duì)施肥量影響方面的研究鮮有報(bào)道，且大多數(shù)集中在播種機(jī)械振動(dòng)方面。2015 年，劉月琴等[5]對(duì)氣吸式免耕播種機(jī)排種裝置進(jìn)行了振動(dòng)分析和基于響應(yīng)面法的振動(dòng)排種優(yōu)化試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)排種裝置的模型優(yōu)化和理論上的分析，得出了排種裝置上種子振動(dòng)受力分析方程式，再通過(guò)試驗(yàn)，得到振動(dòng)因素對(duì)播種機(jī)的合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響優(yōu)先級(jí)，并得出試驗(yàn)種子玉米在振動(dòng)頻率55～65 Hz，種盤轉(zhuǎn)速為25-30 m/s2，真空度為3～3.5 kPa 的條件下，播種機(jī)的播種性能最好。2016 年，劉媛杰等[6]以棉花精量覆膜播種機(jī)為例，探究其在不同速度下的振動(dòng)特性，對(duì)播種機(jī)在不同速度下的振動(dòng)位移進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果顯示，棉花精量覆膜播種機(jī)的振動(dòng)幅值與行駛速度成正比，而振動(dòng)頻率隨著速度減小有增大的趨勢(shì)。2017 年，姜化凱等[7]為了改善馬鈴薯播種機(jī)的漏播、重播問(wèn)題，將振動(dòng)排序技術(shù)引入馬鈴薯播種設(shè)備，對(duì)排種輸送裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并通過(guò)播種試驗(yàn)得到播種機(jī)的性能與工作符合要求。2019 年，劉虎等[8]在研究工作地表激勵(lì)對(duì)吸式玉米高速精密排種器的影響時(shí)，使用振動(dòng)測(cè)試、模態(tài)分析相結(jié)合的方法分析得出結(jié)果，播種機(jī)的行駛正常速度6～12 km/h 時(shí)，地表不平衡激勵(lì)振動(dòng)信號(hào)在3～10 Hz，遠(yuǎn)低于排種器振動(dòng)頻率53.8 Hz，玉米排種器在正常工作時(shí)不會(huì)因地表激勵(lì)引發(fā)共振。

綜上，對(duì)于小型起壟施肥機(jī)振動(dòng)檢測(cè)的研究意義重大。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)開展減振研究，可以提高小型起壟施肥機(jī)的壽命與性能、工作效率以及減小對(duì)人體的損害。研究振動(dòng)對(duì)排肥性能的影響，是實(shí)現(xiàn)精量施肥的關(guān)鍵技術(shù)。

1 小型起壟施肥機(jī)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

1.1 小型起壟施肥機(jī)工作原理

小型起壟施肥機(jī)工作時(shí)，汽油機(jī)動(dòng)力經(jīng)皮帶傳輸將動(dòng)力傳遞至旋耕刀軸，實(shí)現(xiàn)旋耕起壟作業(yè)。機(jī)具設(shè)計(jì)有實(shí)現(xiàn)間歇排肥的排肥系統(tǒng)，行走輪處的速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前進(jìn)速度，并傳輸給控制器，根據(jù)機(jī)器前進(jìn)速度、間歇式排肥軸轉(zhuǎn)速和設(shè)定株距的匹配關(guān)系，可通過(guò)控制排肥輪軸的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同株距的穴施肥。調(diào)整間歇式排肥器的工作長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)每穴排肥量的精確控制。如圖1 為小型起壟施肥機(jī)在田地工作時(shí)側(cè)面圖。

圖1 小型起壟施肥機(jī)Fig.1 Small-ridge fertilizing machine

1.2 振動(dòng)測(cè)試采集系統(tǒng)構(gòu)成及測(cè)試流程

小型起壟施肥機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)、振動(dòng)信號(hào)采集軟件（電腦）以及電源4 部分組成，如圖2 所示。

圖2 振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Composition of vibration detection system

施肥機(jī)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)采用電測(cè)法。使用DH311E 壓電式加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)DH5922N 動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)將振動(dòng)信號(hào)導(dǎo)入到電腦中，DHDAS 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)軟件對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

小型起壟施肥機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集選取排肥管、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪和把手處四處測(cè)試點(diǎn)，如圖3 所示的位置就是傳感器檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)前，連接振動(dòng)測(cè)量?jī)x和傳感器，打開DHDAS 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析軟件，保證檢測(cè)到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和穩(wěn)定。開始檢測(cè)后，采用控制變量法測(cè)量小型起壟施肥機(jī)行駛過(guò)程中的振動(dòng)頻率，施肥機(jī)以0.5 m/s 的速度前進(jìn)，試驗(yàn)地壟高20 cm，壟底寬55 cm，試驗(yàn)次數(shù)為4 組，每組重復(fù)3 次，4 組實(shí)驗(yàn)都檢測(cè)垂直方向上的振動(dòng)信號(hào)，取平均值作為每組實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。

圖3 測(cè)試點(diǎn)位置Fig.3 Measuring points position

2 振動(dòng)信號(hào)的處理與分析

2.1 振動(dòng)信號(hào)的小波變換

小波變換可以很好地對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。小波分析對(duì)振動(dòng)信號(hào)的各頻率進(jìn)行正交分解，獲取各頻率區(qū)內(nèi)的信息[9]，在信號(hào)細(xì)節(jié)處理方面更為精準(zhǔn)，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)小波去噪后沒有冗雜、無(wú)泄露，信息量保留較完整[10]。

2.1.1 原始信號(hào)小波降噪

經(jīng)測(cè)試得到小型起壟施肥機(jī)行駛過(guò)程中各部位的振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)中摻雜了環(huán)境噪音等造成的干擾信號(hào)[11]，利用origin 軟件對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理。料箱口處振動(dòng)信號(hào)經(jīng)小波去噪后的圖像對(duì)比如圖4 所示，

圖4 小波降噪后的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖Fig.4 Time domain diagram of vibration signal after wavelet denoising

由處理結(jié)果（圖5）可知，排肥管原始信號(hào)振動(dòng)頻率110 Hz 處的信息被小波變換保留下來(lái)，并減弱了噪音信號(hào)的影響，振動(dòng)加速度從11 m/s2減少到10 m/s2，而其他振動(dòng)頻率在振動(dòng)加速度上也都有1～2 m/s2程度的消減。降噪后的信號(hào)與原信號(hào)相比，振動(dòng)頻率主峰值沒有改變，數(shù)字上改變也不就很大，說(shuō)明此次試驗(yàn)環(huán)境中的噪音信號(hào)對(duì)排肥管振動(dòng)信號(hào)的影響遠(yuǎn)小于施肥機(jī)正常工作時(shí)自身的振動(dòng)幅值。

圖5 振動(dòng)信號(hào)去噪處理后頻域?qū)Ρ葓DFig.5 Frequency domain comparison diagram of vibration signal after denoising

2.2 振動(dòng)信號(hào)短時(shí)傅里葉分析

短時(shí)傅里葉變換通過(guò)時(shí)間窗內(nèi)的一段信號(hào)表示原始信號(hào)在某一時(shí)刻內(nèi)的信號(hào)特征，是用穩(wěn)態(tài)分析方法處理非平穩(wěn)信號(hào)的一種方法[12]。短時(shí)傅里葉變換處理小型起壟施肥機(jī)振動(dòng)信號(hào)時(shí)，將時(shí)域與頻域數(shù)據(jù)有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，同時(shí)分析兩者在振動(dòng)加速度上的分量[13]。小型起壟施肥機(jī)料箱處振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換處理后的時(shí)頻分析如圖6、圖7 所示。

圖6 振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)傅里葉分析三維圖Fig.6 3D Graph of short-time Fourier analysis of vibration signals

圖7 振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換投影圖Fig.7 Short-time Fourier transform projection of vibration signals

由圖7 可知，小型起壟施肥機(jī)自身的振動(dòng)頻率在正常工作時(shí)基本不變，110 Hz 時(shí)振動(dòng)加速度到達(dá)最大值，該頻率的振源為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，而60 Hz 與180 Hz 的振動(dòng)頻率系小型起壟施肥機(jī)在行駛過(guò)程中地面不平激勵(lì)所傳遞的振動(dòng)。小型起壟施肥機(jī)在剛啟動(dòng)前幾秒時(shí)振動(dòng)頻率都有偏低的傾向，是由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)速度還未達(dá)到正常工作狀態(tài)，施肥機(jī)未在試驗(yàn)地行走，導(dǎo)致各級(jí)振動(dòng)頻率偏低。

2.3 振動(dòng)信號(hào)相關(guān)性分析

相干函數(shù)描述2 個(gè)信號(hào)在頻域的相關(guān)性或相似程度，反映了系統(tǒng)輸入與輸出間的因果關(guān)系[14]。小型起壟施肥機(jī)正常進(jìn)行施肥作業(yè)時(shí)，排肥口處的振動(dòng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)與地面不平度造成[15]，用origin對(duì)小型起壟施肥機(jī)不同測(cè)試點(diǎn)處的頻域數(shù)值進(jìn)行相干分析處理，獲取不同振源與排肥口處振動(dòng)的相關(guān)性。

2.3.1 排肥管處的振源比例

將排肥導(dǎo)管處振動(dòng)頻域值與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相干分析，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)處對(duì)排肥管處振動(dòng)的影響程度整體比車輪處的影響程度大。當(dāng)振動(dòng)頻率f=110 Hz 時(shí)，排肥管與發(fā)動(dòng)機(jī)的相干系數(shù)為0.92，而排肥管與車輪的相干系數(shù)為0.81，因此著重分析f=110 Hz 附近的相干系數(shù)，而次要分析頻率在其他數(shù)值處的相干系數(shù)，并比較發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪對(duì)于排肥管處振動(dòng)的影響大小。表1 為不同頻率下排肥管與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪振源的相干系數(shù)及兩振源的重相干系數(shù)。

圖8 排肥管振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪振源的相干分析圖Fig.8 Analysis diagram of coherence between the vibration of fertilizer discharge pipe and the vibration sources of engine and wheels

表1 排肥管振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪振源相干系數(shù)表Fig.1 Coherence coefficients of fertilizer discharge pipe vibration and engine and wheel vibration sources

對(duì)比表1 和圖8 綜合得出，低頻段處發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪對(duì)排肥管處的振動(dòng)影響不大；在振動(dòng)頻率f為101，110，122 Hz 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪對(duì)排肥管的振動(dòng)相干系數(shù)很大，尤其是f 為110 Hz 附近，發(fā)動(dòng)機(jī)與排肥管處的振動(dòng)相關(guān)系數(shù)為0.98；相關(guān)性最大，車輪和排肥管的振動(dòng)相關(guān)系數(shù)為0.89。二者的影響都較大。由此，發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪在振動(dòng)頻率為100～122 Hz 時(shí)對(duì)排肥管振動(dòng)影響較大。

2.3.2 扶手處的振源比例

將扶手處振動(dòng)頻域圖與發(fā)動(dòng)機(jī)處和車輪處的振動(dòng)做相干分析，如圖9 所示。綜合分析圖9 和圖10 發(fā)現(xiàn)，扶手振動(dòng)頻率大致集中在20～150 Hz，因此只分析這個(gè)范圍的相關(guān)關(guān)系數(shù)值變化。

圖9 扶手振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪振源的相干分析圖Fig.9 Coherence analysis diagram of armrest vibration and engine and wheel vibration sources

圖10 扶手振動(dòng)信號(hào)頻域圖Fig.10 Frequency domain diagram of armrest vibration signal

表2 為在不同頻率下排肥管與兩振源的相干系數(shù)及兩振源的重相干系數(shù)。

表2 扶手與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪振動(dòng)信號(hào)相干系數(shù)表Tab.2 Coherence coefficients of vibration signals of armrest with engine and wheels

由圖9、圖10 及表2 可知，在9，19，40 Hz的低頻處，扶手與發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪處的振動(dòng)信號(hào)相關(guān)系數(shù)較大，數(shù)值大于0.92；在66，83，125 Hz 等處，相干系數(shù)較小；93 Hz 和110 Hz 處，車輪處明顯大于發(fā)動(dòng)機(jī)處的振動(dòng)相干系數(shù)，說(shuō)明高頻振動(dòng)處車輪對(duì)扶手的振動(dòng)影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，施肥機(jī)啟動(dòng)階段，低頻振動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和地面不平激勵(lì)對(duì)扶手處的振動(dòng)影響最大，在正常運(yùn)行階段，地面不平激勵(lì)在93～110 Hz 處對(duì)扶手的振動(dòng)影響較大。

3 結(jié)論

（1）由小型施肥振動(dòng)信號(hào)頻域圖可知，排肥管處振動(dòng)信號(hào)頻率主要集中在110 Hz，在60 Hz 與170 Hz 也有少量分布，在小波降噪處理之后，頻域圖的主峰值并未發(fā)生太大變化，而其他小峰值都有衰減。說(shuō)明在進(jìn)行施肥工作時(shí)，小型起壟施肥機(jī)的排肥管處的固有頻率為110 Hz，其他頻率多數(shù)為噪音信號(hào)。短時(shí)傅里葉分析中還有時(shí)間上的差別，機(jī)器剛啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)頻率明顯低于正常工作時(shí)的頻率。

（2）通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行的相關(guān)性分析可以看到，在不同頻段發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和車輪振動(dòng)兩振源對(duì)排肥管與扶手的振動(dòng)頻率影響程度各不相同，f=110 Hz 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪的振動(dòng)對(duì)排肥管的振動(dòng)接近于1，可以根據(jù)兩振源對(duì)排肥管振動(dòng)的影響來(lái)合理減少或利用小型起壟施肥機(jī)的固有振動(dòng)。

（3）在頻域圖中，扶手的振動(dòng)頻率大致有4個(gè)峰值：40，60，80，110 Hz，振動(dòng)頻率為60 Hz時(shí)振幅最大，兩振源對(duì)扶手處的振動(dòng)頻率也有很大的影響，可依據(jù)扶手振動(dòng)頻率和作用大小來(lái)調(diào)節(jié)扶手振動(dòng)頻率，以減小振動(dòng)對(duì)人體的傷害。