不同井窖孔制作機振動對比分析

馬雄位，曹 陽，2，張永江，農(nóng)世英

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學工程訓練中心，貴州 貴陽 550025；3.廣西中煙工業(yè)有限責任公司，廣西 南寧 530001）

1 引言

煙苗移栽是煙草種植過程中的關鍵工序之一，隨著煙葉種植技術的發(fā)展，井窖移栽技術逐步得到認可。井窖孔制作機以小型汽油機為動力源，具有輕便、高效及操作靈活等優(yōu)勢，現(xiàn)已逐步成為井窖孔制作的主流機具[1]。但長時間操作該機，操作者手臂部會有強烈的振動和不適感。對手持式機械設備，手傳振動是引起操作者不舒適、工作效率下降，甚至是影響操作人員的身心健康的主要原因之一。有研究表明，長期使用手持式農(nóng)業(yè)器具，手傳振動會引起人體手臂系統(tǒng)的運動及神經(jīng)功能失調(diào)，嚴重時會患受“傳振動綜合癥”[2-3]。

目前，國內(nèi)外一些學者在對傳統(tǒng)的手持式農(nóng)業(yè)機械操作人員振動舒適性方面做了一些研究。如文獻[4-5]對某小型耕整機扶手架振動進行了虛擬研究，提出了改善振動的方法，并設計了一種阻尼減振手把，仿真分析結果顯示該手把減振效果明顯；文獻[6]對手扶拖拉機、拖車機組行駛振動分析與行駛平順性的初步評價，用模態(tài)綜合法建立數(shù)學模型，并對不同類型路面進行了測量，得出了把手處振動加速度出現(xiàn)峰值時的頻率為36Hz；文獻[7]對DG3型割灌機進行了振動實驗研究，得到了手柄處支配性振動峰值的頻率，并提出割灌機的使用建議。對于煙苗移栽過程中使用的井窖制作機，由于其便攜式結構和長時間作業(yè)要求，使操作者感覺到強烈的振動不適感，因此該機器的振動特性分析和減振處理是亟需解決的關鍵問題。以市場上常見的三種操作類型的井窖制作機為研究對象，利用DH5925動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)分別對各機型的相關測試點進行振動測試與分析，結合井窖孔制作機的工作特點，從提高操作舒適性的角度提出井窖制作機的結構優(yōu)化方案。

2 井窖孔制作機結構與振源分析

2.1 結構與工作原理

2.1.1 整機的結構

常見的井窖制作機主要由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構組成。其中動力系統(tǒng)主要由汽油發(fā)動機和背架（挎帶）組成；傳動系統(tǒng)主要由離心離合器、減速器、傳動軸（軟軸）等組成，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)主要由操作手柄、油門、開關等組成；執(zhí)行機構為成孔鉆頭。

圖1 井窖孔制作機的傳動示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Drive of the Well Cellar Making Machine

按操作方式的不同，可分為手提式、手握式和斜挎式三類型。其中手提式采用背負發(fā)動機、軟軸的一端與發(fā)動機連接，另一端與鉆頭接頭連接，單手提著架子打孔；手握式采用背負發(fā)動機，軟軸一端與發(fā)動機相接，另一端通過管狀操作桿與鉆頭接頭連接，由雙手握住操作桿打孔；斜挎式的發(fā)動機直接與管狀操作桿連接，操作者通過挎帶挎著整個機具打孔，如圖2所示。

圖2 三種類型的井窖孔制作機Fig.2 Three Types of Well Cellar Making Machines

2.1.2 工作原理

井窖孔的制作由人工操作機器來完成。當汽油機啟動時，動力與運動通過連接在發(fā)動機輸出軸上的離合器傳遞出來；該離合器為離心離合器，可以起到過載保護發(fā)動機的作用；當轉速達到一定值時，離合器帶動一級減速器轉動，操作桿的一端通過軟軸與減速器的輸出軸連接，另一端連接成孔鉆頭；成孔鉆頭在入土作業(yè)時與土壤相互作用，通過鉆削與擠壓而形成井窖孔。

2.2 振源分析

從井窖制作機的結構和工作原理分析可知，工作時的發(fā)動機曲軸和活塞運動會產(chǎn)生明顯振動；離合器因離心塊之間微小的質量差，在高速運轉時會產(chǎn)生不平衡慣性力而產(chǎn)生一定振動；減速齒輪之間的齒側間隙和軸系裝配安裝精度會引起減速器和傳動軸產(chǎn)生一定振動；不平衡鉆頭轉動及其與非均質土壤相互作用也會產(chǎn)生明顯振動。因此，在發(fā)動機、離心離合器、減速器、傳動軸和成孔鉆頭的工作不穩(wěn)定性作用下，工作中的井窖制作機產(chǎn)生了較為明顯的振動。

3 振動測試

振動測試是了解設備振動情況的一種重要手段，是分析振動特性的一種輔助方法。一般振動測試系統(tǒng)包括拾振環(huán)節(jié)、放大和分析處理三大環(huán)節(jié)[8]。井窖制作機振動測試的基本原理，如圖3所示。振動測試采用DH5925動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（硬件為DH5925動態(tài)信號采集儀和DH311E三向加速度傳感器）。通過安裝在機具的三向加速度傳感器檢測某測試點處的振動信號，并將電荷信號送至動態(tài)信號分析系統(tǒng)，經(jīng)分析與處理，得到相應振動信號的頻譜特性。

圖3 振動測試原理圖Fig.3 Vibration Test Schematic

3.1 主要試驗設備

本測試所用的三種類型（手提式、手握式和斜挎式）的井窖制作機均由某科技開發(fā)有限公司所生產(chǎn)，如圖2所示。三種設備發(fā)動機均采用139F型小型汽油發(fā)動機，其額定功率0.7kW，額定轉速6500r∕min。成孔鉆頭均采用瓦片式。整機重量略有不同，分別為手提式10kg，手握式10.4kg，斜跨式9.5kg。

本測試所用振動測試儀器為某測試公司所生產(chǎn)，拾振儀器為三向加速度傳感器、后處理環(huán)節(jié)所用儀器為動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)。測試儀器主要參數(shù)，如表1所示。

表1 測試儀器主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of the Test Instrument

3.2 測試點布置

為了準確獲得三種類型井窖制作機工作時的振動特性和操作感受，試驗測點應盡量靠近操作者身體。第一個測點為背部（靠腰處），手提式與手握式均采用背負發(fā)動機，即布置在背架，因結構不同，斜挎式布置在操作桿與腰部接觸位置；第二個測點為手部，手提式與斜挎式機型的測點布置在把手處，手握式機型因前把手為主要握持、控制、施力部位，因此該機型的測點布置于前把手處；同時為了摸清鉆頭在井窖成孔過程中的振動特性，測點還應靠近鉆頭部位。三種類型機具試驗測點布置，如表2所示。為方便信號分析，安裝三向加速度傳感器時，其X、Y、Z通道分別對應操作者前后（前進方向）、左右、垂直（高度方向）3個方向。

表2 測點布置表Tab.2 Measuring Point Arrangement Table

3.3 測試方法

測試環(huán)境：標準煙壟30m，土壤濕度為26.08%，土壤硬度為111.19N∕cm2。

測試準備：為方便準確安裝傳感器位置，先將測試點標注清楚。為獲得準確的測試數(shù)據(jù)，在DH5925動態(tài)信號分析系統(tǒng)中設置采樣頻率為2kHz（分析頻率為781.25Hz），頻域線數(shù)為1600（頻域間隔為0.4883Hz），采樣方式為連續(xù)采樣。

測試過程：啟動汽油發(fā)動機，調(diào)節(jié)油門大小到工作所需油門位置，待轉速穩(wěn)定后，把DH311E型三向加速度傳感器與圓形磁座安裝在一起并吸附在標注的測試點上（注意傳感器的三個方向），通過信號線接入DH5925動態(tài)信號采集儀，并將數(shù)據(jù)導入計算機。鉆頭開始工作時，開始采集振動數(shù)據(jù)，井窖孔完成并拔出鉆頭后停止采集數(shù)據(jù)，每種機型依次打孔20個。

3.4 振動評價方法

《人體承受全身振動的評價指南》中提出振動加速度、振動方向、振動頻率和受振持續(xù)時間這四個基本參數(shù)來評價全身振動對人體產(chǎn)生的影響[8]。加速度均方根值或加權振級的大小與人體主觀感受主觀上舒服與否有直接的關系[9]，其關系，如表3所示。

表3 加權加速度、加權振級與人主觀感覺關系Tab.3 Weighted Acceleration，Weighted Vibration Level and Subjective Feeling of People

受振時間與手部發(fā)病率有一定關系，受振持續(xù)時間以日受振量來計量，4h等能量計權加速度、振動病發(fā)病率為某百分比的發(fā)病前受振年限，如圖4所示。

圖4 不同發(fā)病率人群接觸振動的接觸時間Fig.4 Contact Time of Contact Vibration of People with Different Morbidity Rates

4 測試結果與分析

4.1 時域分析

經(jīng)測試，三種機型各測點的振動加速度均方根值及加權振級如表4所示（其中各方向權重比例相同）；各測點X、Y、Z三個方向振動加速度均方根值，如圖5所示。

由表4及圖5可知：從主要接觸背（靠腰）部分析，測點1，手提式與手握式機型振動總量無明顯區(qū)別，斜挎式明顯增加。主要體現(xiàn)在Z方向上的振動斜挎式比手提式與手握式機型分別增加了50.63%、54.65%；Y方向上的振動斜挎式比手提式與手握式分別增加了32.87%、49.33%；X方向上的振動三種機型相差不大。這是由于三種機型的動力源均使用同一型號發(fā)動機，而手提式與手握式均為背負發(fā)動機的方式，導致這兩種類型在各個方向上的振動量相當；斜挎式由于發(fā)動機直接與操作桿剛性連接，在靠腰處的振動與發(fā)動機的振動有直接的關系；斜挎式在Y、Z兩個方向上的加速度均方根值均大于另外兩種類型，是由于發(fā)動機在高速運轉時活塞的往復運動不平衡力及曲軸旋轉時產(chǎn)生的慣性離心力共同作用，導致測點1在第三種機型比加速度有效值（m∕s2）其他兩種機型的Y、Z兩個方向的振動要大。

圖5 三種機型各測點不同方向加速度均方根值Fig.5 RMS of Acceleration in Different Directions of Each Measuring Point of the Three Models

表4 不同機型各測點的加速度均方根值及加權振級Tab.4 Acceleration RMS Value and Weighted Vibration Level of Each Measuring Point of Different Models

從手部接觸處分析，測點2中振動總量手提式最大、斜挎式次之、手握式最小，在X、Y、Z三個方向上，手提式機型比手握式機型的振動加速度均方根值分別增加了73.8%、57.66%、18.59%；與斜挎式相比在X、Y2個方向上分別增加了68.8%、31.13%；但Z方向降低了25.35%。手握式機型與斜挎式在X方向上振動加速度均方根值相接近，Y、Z兩個方向手握式比斜挎式加速度均方根值分別降低38.52%，32.73%。手提式在X、Y方向高于手握式、Z方向高于斜挎式的原因均與該結構材料及操作方式有關，由于手提式為單手操作，穩(wěn)定性較差；結構及材料原因可能導致在工作時發(fā)生了共振，而斜挎式在Z方向的振動較大與發(fā)動機直接固定有一定的關系。因此手握式在該測點的振動強度低于另外兩種機型。

三種機型中測點1的振動加權加速度均方根值最小值為21.869m∕s2，最大值為41.877m∕s2，加權振級分別為146.816dB、146.796dB、152.439dB，由表3可知三種機型測點1的加權振級都處于極不舒服區(qū)間；測點2的加權加速度均方根值手提式最大、斜挎式次之、手握式最小，由圖3可知以10%的概率出現(xiàn)振動病為標準，以振動量最小值計量則操作者準許操作的時間小于1年，其加權振級分別為155.123dB、148.352dB、151.670dB，可得加權振級都處于極不舒服的區(qū)間。

綜合測點1、2可看出手握式機型優(yōu)于其他兩種機型。但上述數(shù)據(jù)分析說明井窖孔制作機作業(yè)時人體直接接觸部位振動強度大，極容易對操作者的健康造成不良影響，且振動強度限制了操作者作業(yè)年限，這將會提高人力成本。因此三種機型均需優(yōu)化結構。

4.2 頻域分析

為研究各類型井窖孔制作機最大振幅時的頻率特性，把各測點的時域信號進行快速傅里葉變換，即得到每種機型測點信號的頻譜圖。取各測點振幅的前3個峰值及其對應振動頻率，對應值，如表5所示。

表5 各測試點振幅峰值及振動頻率Tab.5 Peak Amplitude and Vibration Frequency of Each Test Point

由表5可看出：從測點1知，手握式與手提式機型X方向的振動幅值相近，Y、Z2個方向的第二峰值相近。由于這兩種機型均為背負發(fā)動機，由發(fā)動機燃燒激振力所引起的振動頻率117.6Hz，經(jīng)過橡膠墊隔振后的背架在三個方向上產(chǎn)生振動幅值差距不大；而斜挎式機型的X方向的振動幅值比另兩種機型小，在Y、Z兩個方向上的振動幅值有所增加，由于該機型的操作桿直接與發(fā)動機連接，發(fā)動機的不平衡燃燒力矩和二階不平衡慣性力導致該測點在Z方向和Y方向振動幅值增加，產(chǎn)生振動的頻率為76.66Hz。上述產(chǎn)生振幅峰值的頻率均在人體發(fā)生局部共振的中頻段，且三種機型測點1的主要振動方向為豎直方向。

從測點2可知，手握式機型X、Y方向上的前兩階振幅值相差的最大值僅為0.6m∕s2，但Z方向上的振幅值是其他兩個方向上的大；手握式機型測試點3的X、Y方向上的振幅值相近且為Z方向的4倍左右，從表可知在測點2和3處的振動頻率為65.43Hz，說明該機型測點2的振源來自測點3，且測點2在該激振頻率下X、Y方向上的振幅值比測點3降低了83.03%、98%，但Z方向提高了40.9%，即該機型的振動傳遞到把手處后在X、Y方向上有所下降，得出該機型把手處的主要振動方向為豎直方向。由于該鉆頭結構為對稱的兩片帶斜邊瓦狀結構所構成，在成孔過程中產(chǎn)生的左右及前后方向的轉動慣量相互平衡，斜邊與土壤之間的相互接觸導致豎直方向的振動。手提式機型中，測點2的X、Y、Z三個方向存在測點3處的振動頻率90.3Hz；在該頻率下，測點2比測點3的X、Y兩個方向的振幅值分別增加25.4%、68.9%，Z方向無明顯變化，說明該機型在該頻率下可能發(fā)生了共振。把手處振動幅值的增加對操作者的舒適性會產(chǎn)生很大的影響，在改進時應注意前后及左右兩個方向的局部模態(tài)避免共振的發(fā)生。斜挎式機型中，測點2與測點3的主要振幅中存在共同的振動頻率52.73Hz；測點2的振動幅值在X、Y、Z三個方向的最大峰值分別為8.337m∕s2、14.82m∕s2、29.261m∕s2，比測點3的X、Y方向分別降低了31.9%、49.8%，但Z方向增加了63.2%，即在該機型工作時鉆頭的振動傳遞到把手后X、Y方向上有所降低，但該機型的結構為操作桿直接與發(fā)動機通過螺栓連接，導致把手處Z向振動受到鉆頭及發(fā)動機共同作用而振動幅值增加。

綜上所述，三種機型中測點2把手處及測點1背（腰）部產(chǎn)生振幅值的頻率在（50～200）Hz范圍內(nèi)，且頻率為52.73Hz、65.43Hz、76.66Hz、90.07Hz、117.6Hz為主要支配性峰值頻率；手握式、斜挎式把手處的主要振動方向為Z方向，手提式的主要振動方向為X方向。

5 井窖制作機改進及使用建議

為改善背（腰）部振動，從降低振動量：可在背架與發(fā)動機連接處增加隔振彈簧、橡膠墊等隔振元件；在靠腰處增加吸振性較好的軟墊等；采用寬及軟厚的背（挎）帶以提高其舒適度，以達到減小背架振動、提高背部舒適度的目的。從避開主振頻率：對背架進行結構優(yōu)化，避開主振頻率，可防止產(chǎn)生共振。為提高把手的使用舒適性，對把手處的結構改進以適合人們的操作習慣來提高舒適度，進一步研究與把手連接的防振橡膠參數(shù)，使避開把手處的振動頻率。此外應盡量減輕機具的重量。

此外，由于人體對豎直方向上的振動的敏感性較強，且上述引起振動的頻率在影響人體較大的中頻范圍，因此在使用時盡量輕握把手或帶上具有吸振效果手套；作業(yè)人員的持續(xù)作業(yè)時間不能太長；盡可能不用手持機具，使成孔鉆支撐件在地面。為提高使用時的舒適度，應對操作者的作業(yè)姿態(tài)、腕、肘部位的角度進行研究以達到最佳角度。

6 結論

背部（靠腰處）的主要振動方向為豎直方向；鉆頭作業(yè)時與土壤之間的相互作用是把手處振動的主要振源，手握式與斜挎式機型把手處的主要振動方向為豎直方向，而手提式機型把手處的主要振動方向為前后方向。手握式與手提式機型背架在豎直方向（Z向）上引起振幅最大的激振頻率為117.67Hz，其最大振幅值達到了16.201m∕s2；斜挎式機型靠腰處引起振幅最大的激振頻率為76.6Hz，最大振幅值為10.261m∕s2。手握式與斜挎式機型把手處在豎直方向（Z向）上引起振幅最大的激振頻率分別為65.43Hz、52.73Hz，最大振幅值分別為9.503m∕s2、29.261m∕s2；手提式機型在把手處前后方向（X向）引起振幅最大的激振頻率為90.07Hz，最大幅值為33.601m∕s2。工作時手握式機型把手處的振動幅值比另外兩種小。

三種機型中把手處的加速度均方根值最小值為26.1573m∕s2、最大值為57.0333m∕s2。按振動評價標準，操作者準許作業(yè)時間只有1年；且加權振級處于人體主觀感覺的極不舒服區(qū)間，說明三種機型把手處的振動強度大，極易給操作者的身心健康造成不良的影響。針對所分析的問題提出了井窖制作機操作桿及把手、背架的改進方案和使用建議，對提高操作者的操作舒適度具有一定的參考價值。