履帶式稻麥聯合收獲機田間收獲工況下振動測試與分析

高志朋，徐立章，李耀明，王亞丁，孫朋朋

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履帶式稻麥聯合收獲機田間收獲工況下振動測試與分析

高志朋，徐立章※，李耀明，王亞丁，孫朋朋

（江蘇大學現代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，鎮(zhèn)江 212013）

為研究履帶式全喂入聯合收獲機田間收獲時的振動特性以及不同喂入量下的振動特性，以沃得銳龍4LZ-5.0E履帶式全喂入稻麥聯合收獲機為研究對象，利用DH5902動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)對不同喂入量收獲工況下整機12個測點處的振動進行了測試與分析，結果表明振動篩、脫粒滾筒、發(fā)動機分別是機器前后、左右、上下方向上的主要激振源，但作物喂入割臺和輸送槽組成的腔體結構后，吸收了部分振動，使得割臺和輸送槽測點處的振動總量分別下降了25%、39%；與無作物喂入相比，喂入量為2.44 kg/s時輸送槽驅動軸和脫粒滾筒測點處的振動分別增大了90%和149%，而喂入量增大到3.87 kg/s時振動總量卻下降了15%左右，因此收獲時應使機器保持一定的喂入量，可以降低整機振動；駕駛座椅支座、發(fā)動機機腳支座和底盤機架上測點處的振動均與作物喂入量呈正相關性。研究結果可為降低履帶式聯合收獲機田間收獲工況下整機振動，進而提高其駕駛舒適性提供參考。

聯合收獲機；振動；噪聲；不同喂入量；田間收獲

0 引 言

稻麥聯合收獲機是一種在大田工作的農業(yè)機械，為滿足潮濕、泥濘等惡劣地面環(huán)境下的持續(xù)工作要求，稻麥聯合收獲機一般采用橡膠履帶式行走底盤[1]。全喂入稻麥聯合收獲機田間收獲時，一次作業(yè)要完成作物的切割、輸送、脫粒分離、清選等工作，往復和回轉部件多，激振源復雜[2]。此外，受經濟條件和成本的限制，中國履帶式全喂入聯合收獲機除發(fā)動機與底盤機架之間采用橡膠減振塊外，其他部件之間多為剛性連接，且機體主要是由型材、板材焊接形成框架、罩殼復合結構，使得聯合收獲機整機振動較大，噪聲較高。聯合收獲機的振動容易造成部件的疲勞損壞，發(fā)生故障，降低工作可靠性和無故障工作時間，并嚴重影響駕駛員的工作環(huán)境，對駕駛員的生理和心理健康造成危害[3-5]。振動問題已經成為制約中國聯合收獲機向高可靠性和舒適性發(fā)展的瓶頸[6]。

目前農用機械的振動越來越受到國內外研究者的關注[7-12]，主要集中在駕駛座椅振動和舒適性分析[13]、振動模型的建立[14]、割刀和割臺振動[15-17]、風機的振動噪聲[18]、底盤機架模態(tài)分析[19]、傳感器振動特性[20]等方面。Hostens等[21]對聯合收獲機在混凝土路面和田間不同工況下振動的研究發(fā)現駕駛室中的低頻振動更為嚴重，在聯合收獲機舒適性評價和駕駛室或座椅設計中要特別重視低頻振動。王芬娥等[22]測試了某型號聯合收獲機在不同工況下的振動特性，得到了其振動加速度有效值和振動主頻。周林等[23]通過搭建玉米聯合收獲機駕駛室的振動實時監(jiān)控系統(tǒng)并計算振動總量對玉米聯合收獲機的的舒適性進行了評價，發(fā)現垂直方向上的低頻（2～20 Hz）大振幅振動對人體的影響最大。姚艷春等[24]通過振動測試和模態(tài)分方法，分析車架田間振動特性，并對車架進行優(yōu)化，避開了共振主頻，使優(yōu)化后車架無故障時間由20 h提升到60 h。

上述研究多是基于空載工況下開展的測試與分析，關于履帶式全喂入聯合收獲機田間收獲工況下振動測試與分析成果還不多見。實際上田間收獲是聯合收獲機工作時間最長的工況，工作部件多，振動最復雜，而喂入量是聯合收獲機的主要設計參數之一[25]，工作部件的結構和運動參數主要也是依據喂入量來設計的，喂入量的不同會使各部件處于不同負荷和工作狀態(tài)會影響整機振動。本文根據履帶式全喂入稻麥聯合收獲機的結構特點，以沃得銳龍4LZ-5.0E履帶式全喂入稻麥聯合收獲機（以下簡稱4LZ-5.0E聯合收獲機）為研究對象，開展不同喂入量收獲工況下整機振動測試研究，找出喂入量對整機振動的影響，以期為降低聯合收獲機整機振動提供參考。

1 履帶式稻麥聯合收獲機主要激振源分析

履帶式稻麥聯合收獲機的振動，可認為是一個多自由度系統(tǒng)的振動[26]。4LZ-5.0E聯合收獲機主要包括割臺1、輸送槽2、清選裝置3、脫粒裝置4、糧箱5、駕駛操縱臺6，如圖1a所示，其中割臺和輸送槽均是由薄板材焊接而成的殼體內部為空腔,如圖1b所示。田間收獲時，割下的作物莖稈向后進入割臺，莖稈在割臺上工作部件的作用下向后充入輸送槽內并進入脫粒裝置，脫下的籽粒落入清選裝置被清選后送入糧箱而秸稈經脫粒裝置進入粉碎機粉碎排至田間。

1.割臺 2.輸送槽 3.清選裝置 4.脫粒裝置 5.糧箱 6.駕駛操縱臺

聯合收獲機主要振源有發(fā)動機，往復運動的割刀、振動篩，回轉運動的攪龍、脫粒滾筒、風機、撥禾輪，輸送槽，傳動機構等部件。聯合收獲機在田間收獲時要求發(fā)動機必須在額定轉速（2 710 r/min），通過手柄可以改變機器行走速度，但發(fā)動機轉速保持仍不變，以保證各工作部件均在額定轉速工作獲得較好的收獲性能和效率，因此，當發(fā)動機轉速為2 710 r/min時，利用非接觸式轉速表測得的4LZ-5.0E聯合收獲機田間收獲時主要部件轉速并利用式（1）計算出其理論振動頻率，如表1所示。

式中為理論激振頻率，Hz；為測量的各部件驅動輪的轉速，r/min。

表1 4LZ-5.0E聯合收獲機田間收獲工況主要工作參數

四缸柴油發(fā)動機燃燒激振頻率1(Hz)計算公式[27]為

式中1為發(fā)動機轉速，r/min；為發(fā)動機氣缸數；為發(fā)動機沖程數。

由往復運動的質量和不平衡的旋轉質量引起的慣性力激振頻率f（Hz）計算公式為[26]

式中為比例系數，此發(fā)動機中為2。

由表1和式（2）、式（3）得，發(fā)動機轉頻為45.17 Hz，發(fā)動機燃燒激振頻率和慣性力激振頻率為90.33 Hz。

2 振動測試系統(tǒng)

振動測試使用DH5902動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（硬件為DH5902信號采集儀和三向加速度傳感器）對4LZ-5.0E聯合收獲機在不同喂入量下的田間收獲工況進行振動測試，測試儀器主要性能參數如表2所示。

表2 測試儀器主要性能參數

3 聯合收獲機整機振動測試與分析

由于通過控制機器作業(yè)速度來保持喂入量的穩(wěn)定等的研究已經取得了一些進展[28-29]，本論文采用通過控制前進速度來改變喂入量的方法。為比較不同喂入量田間收獲工況下整機振動的變化，以保證能實現順暢收獲，不堵草的最大速度為快速，取其大約一半的速度為慢速。4LZ-5.0E聯合收獲機割幅為2 m并分別以快速（1.14 m/s）和慢速（0.72 m/s）收獲以及空載（0 m/s）3個方案進行試驗，具體方案如表3所示。

表3 振動試驗測試方案

注：機器狀態(tài)為田間收獲，發(fā)動機轉速2 710 r·min-1，工作部件全部運行。

Note: The machine harvested in the field and engine speed was 2 710 r·min-1with all components working.

聯合收獲機割臺的喂入量可由式（4）計算。

式中1為聯合收獲機割臺的喂入量，kg/s；為作物籽粒平均產量，kg/m2；為作物的谷草比；為割臺幅寬，m；為機器前進速度，m/s。

在江蘇沃得農業(yè)機械有限公司的試驗基地選取一段平整田塊對4LZ-5.0E聯合收獲機田間收獲工況下整機振動進行測試，振動測試現場如圖2所示。每次試驗前進距離為35 m,試驗區(qū)前預留5 m作物以確保進入試驗區(qū)前收獲機以穩(wěn)定喂入量工作，利用采集儀在試驗區(qū)內記錄25 s振動數據，每次試驗前均清理機具，缷糧。試驗時僅通過無級變速器改變機器前進速度來改變喂入量，發(fā)動機轉速始終在額定轉速（2 710 r/min）以保證各部件工作參數保持不變。

1.脫粒滾筒 2.粉碎機 3.機架 4.信號采集儀 5.發(fā)動機 6.底盤 7.割臺 8.駕駛操縱臺

試驗作物品種：鎮(zhèn)麥168，作物自然高度90.0 cm，籽粒千粒質量41.0 g，籽粒含水率14.7%，莖稈含水率：44.5%，平均產量6 605 kg/hm2，草谷比1.57。

根據4LZ-5.0E聯合收獲機的結構特點，將測點布置在主要工作部件處和激振源附近，以便準確獲得各部分的實際振動，共布置如表4所示的12個測點。

表4 測點的分布

3.1 田間收獲振動信號采集與分析

為研究方便，通過選擇三向加速度傳感器合適安裝方向和信號采集儀連接通道，使DH5902信號采集儀采集到的、、通道信號分別對應4LZ-5.0E聯合收獲機的前后（前進方向）、左右（橫向）、上下（豎直方向）3個方向。試驗時，設置測試系統(tǒng)采樣方式為連續(xù)采樣，采樣頻率為2 kHz，分析頻率781.25 Hz，時域點數為4 096，頻域線數為1 600，平均次數為10，振動信號每次試驗方案采集3次，取數據較好一組數據進行分析。

在、、方向上12個測點測得的時域信號中選取信號波動較小的部分經快速傅里葉變換變換后可得到頻譜圖。為研究聯合收獲機田間收獲時的振動特性，對上述振動試驗測試方案（表3）中方案2（喂入量為2.44 kg/s）的頻域信號（≤200 Hz）信號進行分析，頻譜圖中各測點振幅的前4個峰值及對應振動頻率如表5所示。

由表5可知：1）聯合收獲機在方向、方向、方向上的振動分別在測點12底盤機架右前、測點5脫粒滾筒驅動軸前支座、測點11發(fā)動機機腳支座處振幅達到最大值分別為4.23 m/s2（7.08 Hz，割刀和振動篩工作頻率）、4.75 m/s2（22.95 Hz，脫粒滾筒轉頻11.47 Hz的倍頻）和4.29 m/s2（180.66 Hz，燃燒激振頻率90.33 Hz的倍頻），說明振動篩的前后振動傳遞到底盤機架右前造成的振動、脫粒滾筒轉動造成的左右振動和發(fā)動機燃燒力矩產生的上下振動是聯合收獲機的主要激振源。在設計時可以考慮從改進脫粒分離機架、清選機架結構，提高其剛度，改進發(fā)動機懸架以及在底盤機架連接之間增加隔振結構等方面入手減少振幅。

2）測點1割刀傳動軸支座、測點4輸送槽正上方、測點7振動篩驅動軸支座、測點8風機驅動軸支座、測點9輸糧攪龍驅動軸支座處的主要峰值振動頻率中均存在割刀和振動篩的工作頻率（7.08 Hz），對應振幅如表5中所示，由此可看出割刀往復振動和振動篩往復振動主要沿著機架傳遞到其他部分。測點12底盤機架右前處的振動頻率7.08 Hz在、、3個方向上的振幅均達到了3.5 m/s2以上，并且振幅為峰值2振幅的2～3倍，說明底盤機架右前處在7.08 Hz可能發(fā)生了局部共振。以上測點說明割刀和振動篩的往復運動引起的振動是整機振動中的重要組成部分，在設計時應該在割刀、輸送槽、振動篩、風機、發(fā)動機與機架之間增加隔振結構，也可在傳遞振動的機架上增加阻尼塊使振動衰減，同時對底盤機架結構進行改進，尤其是改進右前部的局部模態(tài)，避免局部共振的發(fā)生。

3）測點1割刀傳動軸支座處在、、方向上的峰值頻率均為風機和中間軸轉頻24.17 Hz的倍頻（48.34 Hz），振幅分別為1.56、1.54、1.31 m/s2；測點2割臺后立柱在、方向的主要振動頻率也是48.34 Hz，振幅分別為0.92、1.54 m/s2，說明收獲過程中，喂入不均勻造成風機和中間軸負荷變化形成的激振經清選機架、脫粒分離機架、輸送槽機架傳至割臺，引起了割臺的明顯振動。測點5脫粒滾筒驅動軸前支座在、、3個方向上的峰值振動頻率均有脫粒滾筒轉頻11.47 Hz的倍頻（22.95 Hz），且振幅分別為3.08、4.75、2.7 m/s2，說明脫粒滾筒的轉動是造成滾筒驅動軸前支座處的強烈振動的主要原因。另外測點3輸送槽驅動軸支座在、、方向上的峰值1振動頻率也為22.95 Hz，且振幅分別為3.04、2.09、2.24 m/s2，而測點6脫粒滾筒后支座在22.95 Hz處也有較大的振幅，也說明脫粒滾筒的轉動是造成輸送槽驅動軸支座和脫粒滾筒后支座振動的主要原因。究其原因，田間收獲時，脫粒滾筒作為聯合收獲機負荷最大（功耗約30 kW）的工作部件，由于作物疏密、地形起伏、割茬波動、草谷比變化等造成的喂入不均勻以及滾筒齒桿磨損等形成的不平衡力，導致脫粒滾筒在、、3個方向上形成了劇烈激振。

4）測點10駕駛座椅支座和測點11發(fā)動機機腳支座的主要振動均在方向上。測點11的峰值1振動頻率為燃燒激振頻率的倍頻（180.66 Hz），振幅為4.29 m/s2，而測點10在180.66 Hz的振幅為1.01 m/s2；測點11在發(fā)動機燃燒激振頻率（90.33 Hz）的振幅為1.03 m/s2，而測點10的峰值1振動頻率為90.33 Hz，振幅為2.36 m/s2（為峰值2振幅的2倍），這說明發(fā)動機燃燒激振力是引起駕駛座上下方向振動的主要原因，駕駛臺能有效降低較高頻率（≥150 Hz）的振動，卻將燃燒激振頻率90.33 Hz的振動放大為原來的2.3倍。在駕駛臺設計過程中，應在底盤機架和駕駛臺之間增加隔振結構，降低較低頻率（<150 Hz）振動的傳遞，提高駕駛員的駕駛舒適性。

3.2 不同喂入量的振動試驗結果與分析

為研究聯合收獲機同一測點處不同喂入量下的振動強弱，對上述振動試驗測試方案（表3）中的3種方案的頻域信號進行分析比較。為準確反映每個測點處振動的強度，利用未經計權的振動加速度均方根值作為評價標準[30]。首先利用DH5902動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)對每個通道信號頻譜圖中的的2～250 Hz進行1/3倍頻程分析得到各測點在、、方向上1/3倍頻帶，測點12在方向上的20個1/3倍頻帶如表6所示，然后對各測點在、、方向上的1/3倍頻程帶利用式（5）計算各個測點單方向的振動加速度均方根值，對各測點在、、方向上的振動信號整理和計算得到的加速度均方根值如圖3所示。

式中a為第個1/3倍頻程帶的加速度均方根值，m/s2；為單個方向的加速度均方根值，m/s2；為1/3倍頻程帶的個數。

對正交坐標系下各測點的振動總量可由式（6）計算得到的加速度均方根值表示。

式中a為各測點均方根加速度的振動總量，m/s2；a、a、a分別為該測點在、、3個方向上的加速度均方根值，m/s2。由式（5）、（6）可計算得各測點的振動總量如表7所示。

由圖3和表7可以看出：測點1割刀傳動軸支座處、測點2割臺后立柱處、測點4輸送槽正上方的振動總量在有作物喂入后（喂入量為2.44 kg/s）振動明顯降低，分別降低35%、25%、39%，但是隨喂入量的再次增大（喂入量為3.87 kg/s）測點的振動總量卻無明顯變化（變化范圍在10%以內），因為割臺和輸送槽均是由薄板材焊接而成的殼體內部為空腔（如圖1b所示），作物充入兩者組成的腔體后對割臺和輸送槽的振動起到了明顯的吸收作用，其中測點1主要降低了方向上的振動（57%），測點4降低了和方向的振動（55%、44%），測點2在、方向上的振動有所降低(28%、14%)，但作物喂入量的變化沒有引起割臺和輸送槽振動的明顯變化。

注：2、4、6、8、10、12、14、16為加速度均方根值，單位為m·s-2。

表7 各測點振動總量的加速度均方根值

測點3輸送槽驅動軸支座、測點5脫粒滾筒驅動軸前支座處、測點6脫粒滾筒后支座處的振動總量在喂入量為2.44 kg/s時比無作物喂入時顯著增大，分別增加90%、87%、149%，而且在、、方向上的增加均非常明顯（50%以上），其中測點6在方向上的振動增加最多（266%），這是因為作物的喂入使得輸送槽、脫粒滾筒上增加了負荷，作物在輸送槽內輸送和脫粒滾筒中脫粒時帶來的負荷波動產生了劇烈振動，而其中測點6振動增加最大也是因為脫粒滾筒是聯合收獲機田間收獲負荷最大（功耗約30 kW）的工作部件，易產生較大的不平衡力，導致脫粒滾筒處振動增加最多。而隨著喂入量增大到3.87 kg/s后由于作物充滿輸送槽內和脫粒間隙，一定程度減小了其負荷的波動和作用其上的不平衡力使其振動總量有所減少，分別減少16%、13%、14%，因此收獲時應使機器保持一定的喂入量，可以降低整機振動。

測點10駕駛座椅支座處、測點11發(fā)動機機腳支座處、測點12底盤機架右前位置處的振動總量在喂入量為2.44 kg/s時比無作物喂入時分別增大40%、59%、31%，并且振動總量隨作物喂入量的增加（喂入量為3.87 kg/s）而分別增加11%、37%、17%。另外由圖3可知這3個測點在、、3個方向上的振動均有不同程度的增加，這說明在駕駛座椅支座、發(fā)動機機腳支座和底盤機架測點處的振動與作物喂入量呈現正相關性。

4 結 論

1）田間收獲工況下，振動篩的前后往復運動、脫粒滾筒引起的左右振動和發(fā)動機產生上下振動是聯合收獲機在、、3個方向上的主要振動源；另外，脫粒滾筒的回轉運動產生的振動是整機振動中最劇烈的部分；由于風機、振動篩、發(fā)動機、變速箱、駕駛座椅等部件均安裝在聯合收獲機機架上，這些激振源是通過機架將振動傳遞到聯合收獲機各部分的。

2）在田間收獲時，由于作物喂入使作物秸稈充入割臺和輸送槽組成的腔體結構對割臺和輸送槽的振動起到了吸收作用，使得割臺和輸送槽測點處的振動總量下降25%、39%。由于作物的喂入使得輸送槽驅動軸和脫粒滾筒上的負荷增大并產生波動，當喂入量為2.44 kg/s時，其上測點的振動比無作物喂入時分別增大了90%、149%。但隨著喂入量的增大，作物充滿輸送槽和脫粒間隙，使得負荷波動減小，當喂入量為3.87 kg/s時，振動總量減少約15%；而駕駛座椅、發(fā)動機機架和底盤機架上測點處的振動總量與作物喂入量呈正相關性。

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Vibration measure and analysis of crawler-type rice and wheat combine harvester in field harvesting condition

Gao Zhipeng, Xu Lizhang※, Li Yaoming, Wang Yading, Sun Pengpeng

(,,,212013,)

The paper aimed at studying the vibration characteristics of combine harvester in field harvest and the vibration characteristics of combine harvester in different feeding conditions. Taking 4LZ-5.0E crawler-type rice and wheat full-feeding combine harvester manufactured by World Agricultural Machinery Co. Ltd. as study objection, the investigation designed 12 measuring points on the body of the combine harvester to carry out vibration test by DH5902 dynamic signal testing and analysis system. The measuring points were located near the main working components and excitation sources according to the structural characteristics. In the experiment, the combine harvester worked at the speeds of 0, 0.72 and 1.14 m/s respectively. In the paper, only the speed of the combine harvester was changed by hydro static transmission (HST) while other operating parameters were fixed. The aim was to insure the changes in vibration conditions only caused by the changes in feeding quantities. In the research, the spectrum could be gotten from time-domain signal of measuring points by Fourier transform. The physical quantities could be obtained from spectrum diagrams such as vibration frequency of the signal, distribution and peak. In the analysis process, root mean square (RMS) value of vibration acceleration was designated as the assessment standard. And it was calculated by 1/3 octave band of each measurement point in the direction of,and, which was obtained from the spectrum received by DH5902 dynamic signal testing and analysis system. The RMS values of vibration acceleration were used as the signs of the intensity of vibration. The analysis indicated that vibrating sieve, threshing cylinder, and engine were the main vibration sources in the forward-backward, left-right, up-down direction, respectively. The vibration caused by the reciprocating motions of cutter and vibrating sieve was an important part of the whole combine harvester vibration. The rotation of the threshing cylinder was the main source of the strong vibration of the front and back support, the drive shaft support. The vibration from vibration sources could be transmitted to each part of the combine harvester through the frame. The engine combustion excitation force was the main source to the vibration in up-down direction, and the cab could effectively reduce the vibration of high frequency (≥150 Hz), but the vibration of combustion excitation frequency (90.33 Hz) was 2.3 times as large as before. In the field experiment of wheat harvest, total vibration of the measuring points on header and the conveying trough respectively decreased by 25% and 39%. The cavity structure composed of header and the conveying trough absorbed some vibration when the crop was fed into it. The feeding of crop caused the magnifying of load on the drive shaft of conveying trough and threshing cylinder. When the feeding quantity was 2.44 kg/s, the total vibration of the measuring points of drive shaft on conveying trough and the threshing cylinder increased by 90% and 149% respectively compared with that when no crop was fed. But the space was filled when feeding quantity was increased to 3.87 kg/s, and the total vibration was decreased by about 15%. The paper suggests that vibration isolation device should be installed between vibrating sieve, threshing cylinder, engine and chassis frame. To reduce vibration, the feeding quantity of threshing cylinder should be constant and vibration isolation device should also be installed on the connection location of the chassis frame. The vibrations of the measuring points on the seat support, engine support and chassis frame are positively correlated with feeding quantity. The result provides a basis for reducing the vibration and improving the driving comfort of the crawler-type rice and wheat combine harvester.

combines; vibrations; noise; different feeding quantities; field harvesting

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.006

S225.3; TB533+.1

A

1002-6819(2017)-20-0048-08

2017-05-05

2017-09-12

“十三五”國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFD0702101-1）；江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（蘇財教（2011）8號）

高志朋，主要從事履帶式聯合收獲機振動分析與減振優(yōu)化的研究。Email：2211516036@stmail.ujs.edu.cn

※通信作者：徐立章，研究員，博士生導師，主要從事收獲機械設計及理論研究。Email：justxlz@ujs.edu.cn

高志朋，徐立章，李耀明，王亞丁，孫朋朋. 履帶式稻麥聯合收獲機田間收獲工況下振動測試與分析[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(20)：48－55. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.006 http://www.tcsae.org

Gao Zhipeng, Xu Lizhang, Li Yaoming, Wang Yading, Sun Pengpeng. Vibration measure and analysis of crawler-type rice and wheat combine harvester in field harvesting condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 48－55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.006 http://www.tcsae.org