減振技術(shù)研究與應(yīng)用

曹曉慧　徐麗明　馬帥　牛叢　王爍爍　袁訓(xùn)騰

摘要：為改善農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作舒適性、作業(yè)質(zhì)量和使用壽命，根據(jù)國內(nèi)外對(duì)減振技術(shù)的研究和應(yīng)用情況，歸納總結(jié)基于多種原理的減振技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、原理和應(yīng)用效果，為農(nóng)業(yè)機(jī)械減振技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;減振技術(shù);原理;穩(wěn)定性;作業(yè)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：S129;TB535? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2020）04-0031-03

振動(dòng)是指物體的全部或一部分沿直線或曲線往返顫動(dòng)，有一定的時(shí)間規(guī)律和周期。農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在溝坎、畦埂等作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)作物生長。例如，玉米定向播種機(jī)的振動(dòng)影響玉米種子的定向率和播深;高地隙噴霧機(jī)重心較高，車身和噴桿的劇烈振動(dòng)影響噴藥精準(zhǔn)性，造成環(huán)境污染和農(nóng)藥浪費(fèi)。減振技術(shù)可有效緩解機(jī)具外部或內(nèi)部沖擊，改善作業(yè)性能，延長機(jī)具使用壽命。根據(jù)減振技術(shù)的國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀，歸納各種減振技術(shù)的特點(diǎn)和減振原理，為農(nóng)業(yè)機(jī)械減振技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論參考。

1 國外減振技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀

國外對(duì)減振系統(tǒng)的研究起步早，技術(shù)成熟，設(shè)備先進(jìn)。橡膠減振器作為減振常用元件，在日本、德國、英國使用廣泛且技術(shù)先進(jìn)，航海船舶、電子設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等都有應(yīng)用。美國JPL實(shí)驗(yàn)室采用Stewart隔振平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)應(yīng)用于航天器上的JPL柔性隔振平臺(tái)，利用音圈電機(jī)和彈簧并聯(lián)作為系統(tǒng)的減振支腿，并在上、下平臺(tái)分別安裝加速度傳感器，以便判斷振動(dòng)的隔離衰減情況。

Kavlicoglu等發(fā)明一種基于磁流變彈性體的底座。磁流變彈性體是一種通過改變施加磁場來改變剛度的材料，為系統(tǒng)提供寬泛的可控壓縮靜態(tài)剛度范圍，起隔離外部沖擊和振動(dòng)的作用。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，自走式微耕機(jī)適合很多小農(nóng)戶使用，但其作業(yè)時(shí)使用戶的手部振動(dòng)，不僅操作不便，而且影響手部健康。Sam B在把手和手柄之間設(shè)計(jì)一種新型隔離器，如圖1所示，用絕緣系統(tǒng)減少傳遞到手部的振動(dòng)，提高操作員的人身安全，延長機(jī)具的使用壽命。

2 我國減振技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)減振技術(shù)較國外起步晚且與國外有一定差距，目前所應(yīng)用的隔振、吸振、阻振技術(shù)大多是借鑒國外研究成果或在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)。

2.1 基于減振輪的農(nóng)機(jī)施肥裝置

大部分農(nóng)業(yè)施肥機(jī)械作業(yè)時(shí)振動(dòng)較大，在崎嶇不平的田地里施肥會(huì)造成肥料撒落不均。江西師范大學(xué)設(shè)計(jì)一種安裝減振輪的農(nóng)業(yè)機(jī)械施肥裝置，在肥箱前后均通過支撐架安裝減振輪，如圖2所示，減振輪有充氣內(nèi)胎和外胎，充氣內(nèi)胎設(shè)計(jì)氣門芯，在輪圈周圍均勻分布減振彈簧，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，有效的減弱農(nóng)業(yè)施肥機(jī)械的振動(dòng)。

2.2 基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多自由度減振

陳修祥等將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到減振結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)一種二平移二轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)四自由度減振裝置。在下平臺(tái)的每條支路移動(dòng)副滑塊處安裝彈簧阻尼浮動(dòng)支撐系統(tǒng)，其中彈性元件構(gòu)成彈性浮動(dòng)支撐，對(duì)臨界頻率以上的振動(dòng)起衰減作用，阻尼部分用于消耗系統(tǒng)振動(dòng)的能量。減振平臺(tái)實(shí)現(xiàn)沿特定方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)并輔以彈簧阻尼系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)減振功能。

石奇瑞根據(jù)單開鏈和混合單開鏈的不同組合設(shè)計(jì)多種形式的六自由度并聯(lián)機(jī)。在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜平臺(tái)上施加激勵(lì)，運(yùn)動(dòng)和負(fù)載正向傳遞給動(dòng)平臺(tái)，原動(dòng)件上的彈簧及阻尼系統(tǒng)吸收能量并進(jìn)行動(dòng)力自適應(yīng)平衡，減小動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅度，從而改變系統(tǒng)的固有頻率。

根據(jù)車載發(fā)動(dòng)機(jī)組的振動(dòng)分析結(jié)果和機(jī)組力學(xué)模型，李德勝設(shè)計(jì)一種車載發(fā)動(dòng)機(jī)組并聯(lián)多維減振方案。該方案采用六自由度減振系統(tǒng)作為機(jī)組的隔振裝置，并對(duì)多維減振系統(tǒng)進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和性能仿真，在發(fā)動(dòng)機(jī)組四個(gè)支撐處利用加速度振級(jí)落差評(píng)價(jià)其減振性能。

2.3 基于機(jī)械減振彈簧和液壓減振器的減振系統(tǒng)

王亞丁針對(duì)履帶式聯(lián)合收獲機(jī)在田間的作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)一種剪刀式減振座椅懸架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。聯(lián)合收獲機(jī)正常作業(yè)時(shí)，由拉伸彈簧和液壓減振器組成的減振裝置發(fā)揮作用，通過彈簧的拉伸和壓縮來儲(chǔ)存振動(dòng)的能量，通過減振器活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)吸收振動(dòng)和緩和沖擊，剪刀型支撐桿繞中間轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到減振效果。

2.4 基于橡膠減振支座的減振降噪系統(tǒng)

Marioni等提出采用柔性支撐結(jié)構(gòu)即質(zhì)量彈簧系統(tǒng)作為高速鐵路橋梁的支撐系統(tǒng)，利用橡膠減振支座承受橋梁上部結(jié)構(gòu)的所有豎向載荷，通過嚴(yán)格設(shè)計(jì)支座豎向剛度，保證橋梁上部結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率在特定范圍，避免與橋梁上部車輛產(chǎn)生共振，從而減振降噪。

2.5 基于隔振平臺(tái)的汽車減振系統(tǒng)

韓麗針對(duì)車輛在凹凸不平路面的工作環(huán)境，在車輛和精密儀器之間加入六自由度并聯(lián)隔振平臺(tái)，如圖4所示。該隔振利用低頻振動(dòng)效果更好的空氣彈簧支撐平臺(tái)的四個(gè)邊角，連接上平臺(tái)和下支座的8只斜置阻尼器，在上下平臺(tái)間四角處橫置4根鋼絲繩彈簧，在各部分結(jié)構(gòu)的綜合作用下衰減平臺(tái)側(cè)向振動(dòng)。建立模型后利用多學(xué)科優(yōu)化軟件ISIGHT集成多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS和控制算法對(duì)阻尼器支撐點(diǎn)、剛度和阻尼參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)減振效果。

2.6 基于磁流變彈性體的坦克減振系統(tǒng)

陳澤強(qiáng)對(duì)坦克車輛發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一種基于磁流變彈性體新型智能材料的減振器，磁流變彈性體通過改變材料剛度來達(dá)到系統(tǒng)減振目的。減振器采用線圈加磁的方法，由外加電流控制彈性體的剛度。由于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量較大，故由4個(gè)減振器支撐整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)組成懸置系統(tǒng)。

為滿足坦克駕駛員的舒適性要求，中南大學(xué)孫啟超提出一種帶有磁流變阻尼器的叉形座椅，減輕炮彈發(fā)射引起的強(qiáng)烈振感對(duì)人體造成傷害。如圖5所示，這種座椅充分利用磁流變阻尼器變剛度的特點(diǎn)，通過一種模糊控制算法進(jìn)行控制，并進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)證明該裝置可有效地衰減坦克座椅的振動(dòng)。

2.7 基于摩擦阻尼器的減振系統(tǒng)

陳雨等根據(jù)高地隙行走式農(nóng)業(yè)機(jī)械的特殊作業(yè)要求，設(shè)計(jì)一種包含尼龍摩擦阻尼裝置的獨(dú)立式立軸空氣懸架系統(tǒng)。利用液壓油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向，在懸架結(jié)構(gòu)上增加阻尼器，提高了機(jī)器的減振效果。

2.8 基于隔、吸振雙功能的減振系統(tǒng)

熊志遠(yuǎn)等基于隔振、吸振原理設(shè)計(jì)一種具有隔、吸振雙功能的減振裝置，如圖6所示。臺(tái)座上部用于安裝振動(dòng)機(jī)械，隔振元件安裝在下部。在隔振臺(tái)座內(nèi)部留有空腔，將支撐桿安置在空腔底面的中間位置，橡膠動(dòng)力吸振器穿過支撐桿，經(jīng)鎖緊螺母安裝在空腔內(nèi)，蓋上厚鋼板，擰緊沉頭螺釘。

2.9 基于汽車懸架系統(tǒng)的減振控制

汽車在駕駛過程中的舒適性和平穩(wěn)性對(duì)人的身心健康有重要影響。為使汽車適應(yīng)不同路面的振動(dòng)強(qiáng)度，中國海洋大學(xué)耿曉慧研究不同路面粗糙度的影響，建立路面粗糙度對(duì)懸掛系統(tǒng)影響的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)汽車主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的前饋-反饋?zhàn)顑?yōu)減振控制律，實(shí)現(xiàn)路面粗糙度作用下汽車懸掛系統(tǒng)的最優(yōu)減振控制。

3 結(jié)語

減振技術(shù)是提高儀器設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)，能解決各領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)所帶來的不利影響。就農(nóng)業(yè)裝備而言，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動(dòng)化的快速發(fā)展，農(nóng)戶在追求農(nóng)業(yè)機(jī)具的機(jī)械化和簡便化的同時(shí)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)具的操作舒適性要求也在不斷提高。因此，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的減振措施需要不斷地完善，朝操作舒適性和作業(yè)精密性方向發(fā)展。

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