棉花覆膜播種機(jī)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)與激勵(lì)源分析

劉媛杰 ，胡　燦，樸在林

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾　843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾　843300；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 沈陽(yáng)　110866)

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棉花覆膜播種機(jī)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)與激勵(lì)源分析

劉媛杰1，2，胡燦1，2，樸在林3

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾843300；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 沈陽(yáng)110866)

摘要：南疆棉田中大量的田間雜物對(duì)播種機(jī)造成了較大的振動(dòng)影響，降低了排種器的排種精度。為了測(cè)試不同作業(yè)速度下的播種機(jī)振動(dòng)特性，以2BMJ-8/2 型機(jī)械式棉花精量覆膜播種機(jī)為測(cè)試點(diǎn)，利用測(cè)振儀器布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)試在不同作業(yè)速度下的振動(dòng)位移，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果表明：覆膜播種機(jī)作業(yè)速度為9.8～10.5km/h時(shí)，振動(dòng)幅值主要發(fā)生在低頻0～10Hz的頻率段，受到的振動(dòng)激勵(lì)主要為田間雜物的纏繞、土塊振動(dòng)等影響；覆膜播種機(jī)作業(yè)速度為7.5～8km/h時(shí)，播種機(jī)振動(dòng)幅值明顯減小，能保持較優(yōu)的作業(yè)效率，工作狀況為最優(yōu)；覆膜播種機(jī)低速作業(yè)時(shí)，振動(dòng)幅值較小，振動(dòng)頻率在0～50Hz之間，與柴油機(jī)的振動(dòng)頻率接近，振動(dòng)激勵(lì)主要來(lái)自于拖拉機(jī)動(dòng)力振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：棉花；覆膜播種機(jī)；振動(dòng)測(cè)試；頻譜分析

0引言

春耕季節(jié)，新疆棉花主要以大型機(jī)械化方式進(jìn)行覆膜播種。目前，采取的播種作業(yè)包括滴灌帶布置、地膜覆蓋、開(kāi)溝覆土及精密播種等作業(yè)工序。隨著長(zhǎng)期覆膜播種耕作的進(jìn)行，農(nóng)田中殘留了大量的農(nóng)用殘膜、棉茬等田間雜物，播種機(jī)以不同的作業(yè)速度進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，田間雜物對(duì)播種機(jī)造成了較大的振動(dòng)影響，從而降低了精密播種機(jī)的排種性能[1-2]。因此，研究播種機(jī)作業(yè)速度與振動(dòng)影響之間的關(guān)系，對(duì)提高排種精度與準(zhǔn)確度有著重要的實(shí)際意義。

在播種機(jī)振動(dòng)特性的研究上，張曉冬等對(duì)農(nóng)田的不平度激勵(lì)振動(dòng)進(jìn)行了力學(xué)建模分析，分析了農(nóng)田不平度振動(dòng)激勵(lì)對(duì)鏟式玉米精密播種機(jī)播種性能的影響，并建立了播種機(jī)受不平度振動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與理論粒距關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[3]。劉月琴等利用排種實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)免耕方式下氣吸式播種機(jī)排種裝置的受田間雜物的振動(dòng)激勵(lì)影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。結(jié)果表明：玉米排種時(shí)受播種機(jī)作業(yè)速度影響最大，經(jīng)測(cè)試最優(yōu)的種盤(pán)速度為25～30m/s，此時(shí)的排種性能最好[4]。

為此，針對(duì)南疆棉田春耕聯(lián)合播種機(jī)械的受振動(dòng)影響下機(jī)械式旋播器的排種現(xiàn)狀，結(jié)合棉花種植的農(nóng)藝技術(shù)，利用振動(dòng)測(cè)試設(shè)備及相關(guān)振動(dòng)分析軟件，測(cè)試了聯(lián)合播種機(jī)在受到田間雜物影響下的振動(dòng)特性，旨在為進(jìn)一步研究機(jī)械式旋播器的振動(dòng)激勵(lì)影響提供技術(shù)參數(shù)與參考數(shù)據(jù)。

1試驗(yàn)裝置與測(cè)試設(shè)備

1.1　棉花精量覆膜播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

南疆棉田的播種作業(yè)機(jī)械中，機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)采用2BMJ—8/2 型棉花機(jī)械式精量覆膜播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，如圖1所示。該機(jī)采用水平圓盤(pán)機(jī)械式排種器，作業(yè)幅寬為2.2m，配套動(dòng)力為37kW，最大作業(yè)速度可達(dá)11.0km/h，正常作業(yè)時(shí)生產(chǎn)率為0.69hm2/h；播種作業(yè)時(shí)，可一次性進(jìn)行滴灌帶鋪設(shè)及地膜覆蓋等作業(yè)，是南疆干旱區(qū)最常用的播種作業(yè)機(jī)械[5]。

圖1　2BMJ—8/2 型機(jī)械式棉花精量覆膜播種機(jī)

1.2　振動(dòng)測(cè)試的主要設(shè)備

棉花精量覆膜播種機(jī)的振動(dòng)測(cè)試儀表設(shè)備主要包括兩部分：一是現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)量點(diǎn)的傳感器及信號(hào)變送裝置；二是是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換處理、振動(dòng)信號(hào)顯示及頻譜分析等。

1)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)測(cè)量傳感器?，F(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量傳感器采用磁電式速度傳感器，其在振動(dòng)測(cè)量時(shí)優(yōu)化了壓電式傳感器在低頻振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)測(cè)量精度不夠的問(wèn)題，具有更好的精度及可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器采用江陰眾和公司生產(chǎn)的SZ-6型磁電式速度傳感器，測(cè)振量程為0～500mm，輸出信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)；信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變送器輸入到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)輸入至顯示儀表與計(jì)算機(jī)上，可方便地進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的記錄。

2)數(shù)據(jù)記錄與處理。通過(guò)對(duì)播種機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)后，數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取與保存。同時(shí)，利用MatLab 7.0軟件與FFT頻譜分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，以得出各種狀態(tài)下的振動(dòng)激勵(lì)變化。FFT頻譜分析方法是一種最用的振動(dòng)信號(hào)分析方法，主要用于振動(dòng)數(shù)據(jù)處理與頻譜分析[6-7]。

2振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)方法

2.1　測(cè)點(diǎn)的布置

覆膜播種機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)受到的振動(dòng)激勵(lì)是多方面的振動(dòng)影響，根據(jù)覆膜播種機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要在排種器各個(gè)平面進(jìn)行振動(dòng)傳感器的布置。以排種器為基準(zhǔn)坐標(biāo)，垂直于地面的方面為Z方向，排種器的左、右振動(dòng)方向分別為X、Y方向。在不同的方向分別安裝傳感器，以確保測(cè)試出各個(gè)方向的振動(dòng)位移[8]。

2.2　測(cè)試的方法

測(cè)試試驗(yàn)主要以播種機(jī)作業(yè)速度作為主要的參考依據(jù)，測(cè)試在不同的播種速度下播種器振動(dòng)變化情況。根據(jù)棉花播種機(jī)的各類(lèi)進(jìn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)了高速、中速與低速3種播種機(jī)作業(yè)速度，分別為：高速9.8～10.5km/h，中速7.5～8km/h，低速4～4.5km/h。根據(jù)田間地表狀況的不同，每種速度下進(jìn)行3組單因素的測(cè)試試驗(yàn)，將測(cè)定后的振動(dòng)值取平均值，記錄3種速度下的單因素試驗(yàn)結(jié)果。

3測(cè)試結(jié)果與分析

3.1　測(cè)試結(jié)果

振動(dòng)試驗(yàn)記錄了播種機(jī)在高速、中速與低速3種作業(yè)速度下的氣吸式精量播種器X、Y、Z方向的振動(dòng)值。表1顯示了播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)的播種器各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值。結(jié)果表明：Z方向垂直于地面的振動(dòng)為播種器受到田間雜物等因素影響的主要振動(dòng)，振動(dòng)的幅值較大，最大時(shí)達(dá)到0.8mm的振動(dòng)幅值，影響播種器的排種性能；X、Y方向的振動(dòng)幅值較小，振動(dòng)的頻率主要集中在較低的頻率段，對(duì)播種器的排種性能影響較小。表2、表3分別為播種機(jī)中速作業(yè)時(shí)的播種器各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值。其中，Z方向仍為振動(dòng)的主要發(fā)生方向，振動(dòng)幅值明顯高于其他方向的振動(dòng)；播種機(jī)作業(yè)速度對(duì)振動(dòng)值影響顯著，同樣的播種模式下，降低速度，可使振動(dòng)值明顯減小。

表1　播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值

表2　播種機(jī)中速作業(yè)時(shí)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值

表3　播種機(jī)低速作業(yè)時(shí)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值

3.2　振動(dòng)激勵(lì)源分析

根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，Z方向?yàn)檎駝?dòng)的主要方向，對(duì)Z方向的垂直振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析可揭示不同作業(yè)速度下的振動(dòng)值頻譜分布規(guī)律。利用MatLab 7.0軟件與FFT頻譜分析方法，對(duì)測(cè)試后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與頻譜分析，得到3種轉(zhuǎn)速下的播種機(jī)Z方向頻率振動(dòng)特點(diǎn)。 圖2所示為2s時(shí)間內(nèi)播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)的瞬間垂直振動(dòng)圖。

圖2　播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)

圖3 所示為覆膜播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)Z方向的振動(dòng)頻譜。圖3中，較大的振動(dòng)幅值主要發(fā)生在低頻0～10Hz 的頻率段。其中，2.5Hz時(shí)與7.5Hz時(shí)振動(dòng)的幅值最大，達(dá)到0.8mm的振動(dòng)值，結(jié)合田間實(shí)驗(yàn)，此時(shí)為田間較大土塊和雜物對(duì)地輪的振動(dòng)影響；4.5～5.5Hz頻率段振動(dòng)幅值為0.4mm，振動(dòng)頻率較為集中，結(jié)合田間實(shí)驗(yàn)，此時(shí)一般為播種機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受到田間雜物的纏繞影響。

圖4 所示為覆膜播種機(jī)中速作業(yè)時(shí)Z方向的振動(dòng)頻譜。圖4中，較大的振動(dòng)幅值主要發(fā)生在低頻0～5Hz 的頻率段。其中，0.5Hz時(shí)與2.5Hz時(shí)振動(dòng)的幅值較大，分別達(dá)到0.6mm與0.8mm的振動(dòng)值。頻譜分析的結(jié)果表明：播種機(jī)作業(yè)速度為7.5～8km/h時(shí)，播種機(jī)振動(dòng)幅值明顯減小，且播種效果良好；根據(jù)大面積播種作業(yè)速度不低于8km/h的要求，中速作業(yè)時(shí)的振動(dòng)幅值與作業(yè)效果為最優(yōu)。

圖3　播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)Z方向的振動(dòng)頻譜

圖4　播種機(jī)中速作業(yè)時(shí)Z方向的振動(dòng)頻譜

圖5所示為覆膜播種機(jī)低速作業(yè)時(shí)Z方向排種器與播種機(jī)本體合成的振動(dòng)頻譜。低速作業(yè)時(shí)，振動(dòng)發(fā)生的幅值較小，振動(dòng)的影響主要來(lái)自于拖拉機(jī)動(dòng)力振動(dòng)，最大振動(dòng)幅值為0.5mm，振動(dòng)頻率在0～50Hz之間，與柴油機(jī)的振動(dòng)頻率接近。因此，在低速作業(yè)時(shí)，由于田間雜物振動(dòng)激勵(lì)影響減小，主要的激勵(lì)源來(lái)自拖拉機(jī)動(dòng)力振動(dòng)激勵(lì)。

圖5　播種機(jī)低速作業(yè)時(shí)Z方向的振動(dòng)頻譜

4結(jié)論

1)測(cè)試結(jié)果表明：在作業(yè)速度較高時(shí)，垂直于地面的Z方向振動(dòng)為排種器受到田間雜物等因素影響的主要振動(dòng)，振動(dòng)的幅值較大，最大時(shí)達(dá)到0.8mm的振動(dòng)幅值，影響播種器的排種性能；X、Y方向的振動(dòng)幅值較小，對(duì)播種器的排種性能影響較小。

2)覆膜播種機(jī)作業(yè)速度為9.8～10.5km/h時(shí)，振動(dòng)幅值主要發(fā)生在低頻0～10Hz 的頻率段，受到的振動(dòng)激勵(lì)主要為田間雜物的纏繞、土塊振動(dòng)等影響。覆

膜播種機(jī)作業(yè)速度為7.5～8km/h時(shí)，播種機(jī)振動(dòng)幅值明顯減小，播種效果良好，能保持較優(yōu)的作業(yè)效率，此時(shí)的工作狀況為最優(yōu)。

3)覆膜播種機(jī)低速作業(yè)時(shí)，振動(dòng)幅值較小，振動(dòng)的影響主要來(lái)自于拖拉機(jī)動(dòng)力振動(dòng)，振動(dòng)頻率在0～50Hz之間，與柴油機(jī)的振動(dòng)頻率接近。

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The Excitation Vibration Test and Analysis in Cotton Precise Plastic Film Layering Sower

Liu Yuanjie1,2, Hu Can1,2, Piao Zailin3

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2. The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang, Alar 843300, China; 3.College of Information and Electrical Engineering, Shenyang Agricultural Uinversity, Shenyang 110866, China)

Abstract：A large number of field Cotton sundry to drill the larger vibration impact in southern xinjiang, reduce the row of kind of accuracy. To test the machine vibration characteristics under different operation speed, precise coated with 2 BMJ-8/2 mechanical cotton seeding machine for the test point, using vibration instrument measuring point, testing vibration displacement under different operation speed, and frequency spectrum analysis was carried out on the test data. Results show that the effect of seeding machine operation speed is 9.8 10.5km/h, mainly in low frequency vibration amplitude of 0 to 10 HZ frequency, are motivated by the vibration of the main clutter for the field winding, clod vibration, etc; Plastic film layering sower operation speed of 7.5～8km/h, the seeder vibration amplitude was decreased, can keep the optimal efficiency and working conditions for the optimal; Plastic film layering sower operation at low speed, small vibration amplitude, vibration frequency, between 0 to 50 hz and frequency close to the vibration of the diesel engine, the vibration motivation mainly comes from the tractor vibration power.

Key words：cotton; plastic film layering sower; vibration test; spectrum analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：S23-0;S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0151-04

作者簡(jiǎn)介：劉媛杰(1982-)，女，陜西府谷人，講師，(E-mail)liuyuanjie2005@163.com。通訊作者：胡燦(1983-)，男，湖南益陽(yáng)人，講師，(E-mail)hucanboy1@qq.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503105)；塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(TDZKSS201412，TDZKQN201510)

收稿日期：2015-07-13