振動監(jiān)測及減振技術(shù)在耕整地機(jī)械的應(yīng)用研究*

冉文靜，趙曉順，霍曉靜，柏文杰，田瑞濤，劉尚坤

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071001)

0 引言

隨著國家對農(nóng)業(yè)機(jī)械的大力扶持，耕整地機(jī)械在國內(nèi)糧食主產(chǎn)區(qū)得到了廣泛推廣和應(yīng)用，這使得作物產(chǎn)量有了很大提升[1]。然而，劇烈振動、強(qiáng)噪聲致使機(jī)械零部件產(chǎn)生磨損或疲勞斷裂，嚴(yán)重降低其安全性和可靠性，縮短其預(yù)期使用壽命，增加了機(jī)械維修成本，更甚者會威脅人身和生產(chǎn)安全。

振動是工業(yè)設(shè)備故障檢測中非常常見的研究問題，據(jù)資料顯示，有60%以上都采用振動檢測方法進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢測及故障診斷[2]。自20世紀(jì)60年代，美國、日本、丹麥等西方國家關(guān)于故障監(jiān)測診斷技術(shù)已得到迅猛發(fā)展。我國直到80年代初才將機(jī)械振動故障監(jiān)測分析技術(shù)納入科研任務(wù)中。振動監(jiān)測技術(shù)多用于大型工業(yè)設(shè)備故障檢測中，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用較少且主要集中于收獲機(jī)械及播種機(jī)械中，在耕整地機(jī)械中的應(yīng)用空間更待進(jìn)一步拓展。

鑒于此，本文基于耕整地機(jī)械在振動監(jiān)測與減振技術(shù)方面的需求，首先介紹了振動監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍，對比耕整地機(jī)械的振動信號處理方法和不同減振手段，指出研究存在的問題，最后提出實現(xiàn)耕整地機(jī)械減振的研究建議。

1 振動監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)

振動監(jiān)測技術(shù)是對傳感器微伏級信號進(jìn)行采集、放大、濾波、A/D、分析、診斷和控制而形成的一種工程監(jiān)測科學(xué)技術(shù)。監(jiān)測中通常在測點(diǎn)位置確定相互垂直的3個方向(軸向、徑向和垂直方向)作為振動信號的采集和測量方向，根據(jù)頻率范圍劃分頻段進(jìn)行振動監(jiān)測。采用中頻(10～1 000 Hz)監(jiān)測振動速度，低頻(10 Hz以下)監(jiān)測振動位移，振動加速度監(jiān)測需要選擇高頻(1 000 Hz以上)實現(xiàn)測量。不同頻段的信號波動可以區(qū)分機(jī)械的正常和異常振動狀態(tài)。

1.1 振動信號拾取裝置

振動信號的提取依賴于傳感器的使用，傳感器將非電量的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。根據(jù)傳感器振動監(jiān)測的目的，傳感器可分為位移型(如電渦流型)、速度型(如磁電型)和加速度型(如壓電型)。在振動信號采集和傳輸過程中，由于受外界噪聲環(huán)境因素的影響，它的輸入輸出特性是非線性的，其適用范圍和特點(diǎn)如表1所示。目前耕整地機(jī)械(如微耕機(jī))測振主要通過在機(jī)殼和扶手位置安裝傳感器，利用傳感器探頭監(jiān)測被測物體的振動信號，通過動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，將信號傳輸?shù)叫盘柼幚碥浖M(jìn)行信號分析，從而根據(jù)殼體和扶手位置接收到的信號進(jìn)而判斷機(jī)器的振動位置和振動狀態(tài)信息。因此，選擇合適的振動敏感點(diǎn)對傳感器的安裝非常重要。

表1 傳感器功能及適用范圍Tab. 1 Sensor function and scope of application

電渦流傳感器是一種非接觸的線性化測量工具，能高線性度、高分辨力地測量被側(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。通常要求被測物體必須是導(dǎo)體，且被側(cè)面要盡量平整光滑，否則測量準(zhǔn)確性會受到一定影響，容易給測量值帶來附加誤差。磁電式速度傳感器產(chǎn)生與振動速度成正比的電壓信號，經(jīng)微積分運(yùn)算后，可測振動位移與加速度，多用于低頻振動烈度的測試，工作中易受磁場干擾，需要作避磁處理。而壓電加速度傳感器屬于慣性式傳感器，是自發(fā)電的，其輸出與加速度成比例的信號并可積分成速度與位移信號，輸出信號為電荷類型，需要與電荷放大器配合使用，將信號再傳輸至振動信號采集儀或其直接連接內(nèi)置電荷調(diào)理的振動信號采集儀。電荷放大器用電容作反饋，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，使用價格昂貴。

因耕整地機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件多，在耕作部件處無法完成直接測振，且機(jī)身所用材料為密度均勻的金屬，故選用基于電渦流效應(yīng)的非接觸式電渦流位移傳感器，頻響特性明顯，靈敏度高，測振更為適用。對于轉(zhuǎn)軸等結(jié)構(gòu)處的振動，可用壓電式加速度傳感器，其基于壓電敏感元件的壓電效應(yīng)得到與振動成正比的電壓量實現(xiàn)無接觸式測振，動態(tài)響應(yīng)好?，F(xiàn)有測振傳感器固有頻率相對過高，現(xiàn)場測取接近最低頻響特性的頻率時(如1 Hz以下的低頻振動信號)，其輸出信號幾乎完全淹沒在噪聲中，需在分析后期階段對傳感器進(jìn)行低頻特性補(bǔ)償或非線性補(bǔ)償。

1.2 振動監(jiān)測系統(tǒng)研究

為確保振動系統(tǒng)的完整性，整個振動監(jiān)測系統(tǒng)從傳感設(shè)備到上位機(jī)軟件監(jiān)測平臺共分為3層[3]。分別是底層采集動態(tài)信號的目標(biāo)傳感器；中層獲取信號的動態(tài)分析設(shè)備；頂層用戶用于控制和監(jiān)測的系統(tǒng)軟件平臺。振動監(jiān)測完成后的信號最終以實時曲線和頻譜圖的形式在軟件平臺端進(jìn)行顯示。

1.2.1 監(jiān)測硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)一般主要由傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)等構(gòu)成。其中信號調(diào)理模塊是對傳感器傳來的信號進(jìn)行適當(dāng)調(diào)理以便適應(yīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求，具有抗混疊濾波、為傳感器提供激勵等功能。上位機(jī)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、存儲等功能。按照硬件使用功能及總線技術(shù)類型的不同，虛擬儀器可分為GPIB、PXI、VXI和DAQ四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)[4-6]，如表2所示。

表2 虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)Tab. 2 Standard architecture of virtual instrument

盧彩云等[7]設(shè)計了一種基于CAN總線的小麥精密播種機(jī)播種實時監(jiān)控系統(tǒng)，采用光電傳感器和霍爾傳感器分別檢測排種管落種狀態(tài)和地輪轉(zhuǎn)速并輸出電壓或脈沖信號，實現(xiàn)小麥播種作業(yè)性能實時監(jiān)控。紀(jì)超等[8]設(shè)計了基于反射式紅外光電感應(yīng)的播種機(jī)排種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)玉米免耕精播作業(yè)質(zhì)量實時監(jiān)控?？梢姡瑢W(xué)者們在機(jī)械振動監(jiān)測中除使用傳統(tǒng)的傳感器外，擴(kuò)展運(yùn)用光電、紅外傳感器。雖然紅外傳感器反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，不易受周圍環(huán)境影響，但其檢測距離和精度有限，傳感器高度位置的差異對其檢測造成干擾。而光電傳感器具備非接觸、壽命長的特點(diǎn)，但需密封環(huán)境使用。

在農(nóng)業(yè)振動監(jiān)測中，常用壓電式傳感器拾取振動信號，耿令新等[9]對頂夾式氣動蔬菜移栽機(jī)振動特性研究中使用三向加速度傳感器、動態(tài)信號采集儀與信號分析系統(tǒng)和筆記本組成。高文英等[10]研究了秸稈深埋還田機(jī)振動特性，田間試驗時采用振動分析儀和加速度傳感器。郭銀春[11]、于學(xué)偉[12]圍繞旋轉(zhuǎn)機(jī)械開展振動監(jiān)測研究，使用振動傳感器、壓電式加速度傳感器作為振動信號的拾取裝置。裴陽[13]使用三軸加速度傳感器監(jiān)測機(jī)械非平穩(wěn)、時變的振動信號。以上均為傳統(tǒng)有線硬件設(shè)備監(jiān)測，存在布線困難、監(jiān)測系統(tǒng)適用性不足、費(fèi)用高、設(shè)備維護(hù)難度高等問題。為了能更好地解決有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的難題，陳仁權(quán)[14]設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)，黃峰亮等[15]設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械振動監(jiān)測終端，應(yīng)用傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了機(jī)械振動檢測終端的硬件設(shè)備。顧祖坤[16]采用模塊化設(shè)計的方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)適用性差的不足，且方便各模塊的維護(hù)，成功擺脫走線復(fù)雜的問題。

1.2.2 監(jiān)測軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是振動監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵所在，完善的軟件系統(tǒng)可有效降低機(jī)械振動監(jiān)測成本，其通常由信號監(jiān)測、信號處理、信號分析等模塊構(gòu)成，以VB(Visual Basic)語言、G(Graphical Programming Language)語言和C語言方式在LabVIEW平臺或Matlab平臺中實現(xiàn)系統(tǒng)編程。趙彥鵬[17]設(shè)計了一種適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測上位機(jī)軟件，其利用VB語言開發(fā)的嵌入式軟件系統(tǒng)用C語言編寫，在PC機(jī)上可正常運(yùn)行，不足在于使用VB語言開發(fā)的軟件功能不全，對系統(tǒng)資源依賴性強(qiáng)，且C語言本身語法限制小，變量類型約束不嚴(yán)格，影響程序安全性。為了使系統(tǒng)使用更為簡潔順暢，程序模塊化顯示，林凱等[18]研究了一種基于虛擬儀器軟件LabVIEW的多通道振動測試與分析系統(tǒng)，外置式數(shù)據(jù)采集箱采用了增強(qiáng)型并口(EPP)實現(xiàn)計算機(jī)與外置數(shù)據(jù)采集模塊的高速數(shù)據(jù)傳輸。王彥兵等[19]設(shè)計出了一套基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動的監(jiān)測系統(tǒng)，其中振動測試系統(tǒng)軟件設(shè)計準(zhǔn)確地對采集到的信號進(jìn)行分析、處理和顯示結(jié)果。隨開發(fā)系統(tǒng)逐漸成熟，LabVIEW軟件中可使用Matlab節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)兩者的互動，付士鵬結(jié)合LabVIEW與Matlab的開發(fā)優(yōu)勢，設(shè)計開發(fā)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

良好的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境可以很大程度提高耕整地機(jī)械振動監(jiān)測系統(tǒng)的性能，而軟件系統(tǒng)設(shè)計更是保證機(jī)械振動監(jiān)測高效率運(yùn)行的保障。丁宇[20]通過LabVIEW軟件開發(fā)平臺建立了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動信號分析系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)對信號采集、處理、分析等功能，其監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計如圖1(a)所示。

(a) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動分析系統(tǒng)

(b) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

(c) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動測試系統(tǒng)

付士鵬[21]開發(fā)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動的在線監(jiān)測、信號分析與處理、數(shù)據(jù)存儲及回放，拓展了信號分析與處理模塊，增加了振動值超標(biāo)報警和故障診斷部分，其系統(tǒng)設(shè)計如圖1(b)所示。馬萬里[22]利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一套包括振動模態(tài)參數(shù)識別、在線與離線監(jiān)測的信號分析系統(tǒng)，信號分析與處理前系統(tǒng)首先進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的模態(tài)識別，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。該設(shè)計很大程度地保證了各個模塊的分析精度，提高了對目標(biāo)信號分析的擇選能力。

丁宇遵循傳統(tǒng)的設(shè)計方案，將信號處理與信號分析作為兩個單獨(dú)模塊進(jìn)行設(shè)計，僅采用在線采集信號且信號從采集模式到數(shù)據(jù)管理過程單一。付士鵬將信號處理與分析集成于一個模塊，簡化了系統(tǒng)顯示界面。馬萬里先完成在線采集信號，再通過模態(tài)參數(shù)識別與離線狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為能充分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作給予足夠的時間，提高了數(shù)據(jù)分析可靠度。

2 振動信號分析方法

2.1 振動信號預(yù)處理

預(yù)處理過程重點(diǎn)包括預(yù)濾波、數(shù)據(jù)截取、錯點(diǎn)剔除及零均值化等[23]。根據(jù)處理信號的需要，截取待分析的信號，盡可能地提高信號處理效率。如利用低通濾波器限制原始信號帶寬，避免信號頻率混疊，也可減少高頻噪聲影響。

振動信號采集受外界環(huán)境干擾或操作問題致使采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，在A/D轉(zhuǎn)換過程中易出現(xiàn)分析結(jié)果值異?；蛎黠@突變，此時需運(yùn)用統(tǒng)計原理剔除異常點(diǎn)、錯點(diǎn)。而零均值化是為了消除數(shù)據(jù)中的直流分量，便于分析振動信號的統(tǒng)計特性。

2.2 時域分析

時域分析是以時間軸為坐標(biāo)表示振動信號的關(guān)系，研究振動信號波幅隨時間進(jìn)程的變化過程。時域信號可按有無量綱分為有量綱特征值和無量綱特征值。有量綱特征值包括：最大值、最小值、峰值、均值、方差、均方值、均方根值等。無量綱特征值包括：峰值因子、脈沖因子、裕度因子、峭度因子、波形因子和偏度等。其中，峰值因子和脈沖因子用以檢測信號中有無沖擊的指標(biāo)，裕度因子用以檢測機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)，峭度因子用以反映振動信號沖擊特性。

2.3 頻域分析

振動信號的頻域分析是將時域波形經(jīng)過傅里葉變換分解為多個諧波分量來進(jìn)行研究，可以獲得信號的頻率成分及各諧波的幅值及相位信息。振動信號的頻率分析中比較常用的有幅度譜分析和功率譜密度分析等[22-23]。

1) 幅度譜分析。計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：x(t)——時域信號；

X(f)——信號的幅度譜。

周期信號經(jīng)過傅里葉變換后得到幅度譜|X(f)|是離散譜；非周期信號的幅度譜|X(f)|是連續(xù)譜。而通過FFT計算得到的頻率，則都是離散譜。

2) 功率譜密度分析。功率譜密度分析是在頻域中對信號能量或功率分布情況的描述，包括自功率譜和互功率譜，其中自功率譜與幅度譜提供的信息量相同。但在同等條件下，自功率譜比幅度譜更為清晰，自功率譜可以通過相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換求得，也可由幅度譜計算得到[24]。

頻率的功率譜密度函數(shù)是平穩(wěn)數(shù)據(jù)最重要的特性描述，它確定了數(shù)據(jù)的頻率結(jié)構(gòu)，根據(jù)功率譜的測量可以得到有關(guān)系的動態(tài)特性信息，它還可以作為周期性檢驗和計算自相關(guān)函數(shù)的中間步驟。

3) 倒頻譜分析。倒頻譜分析是一種可以將密集泛頻信號中的周期成分進(jìn)行分離和提取的信號處理新技術(shù)，也稱為二次頻譜分析技術(shù)[25-26]。其實質(zhì)就是對頻域信號進(jìn)行二次傅里葉變換，其基本原理如下。

時間信號y(t)的功率譜表達(dá)式如式(2)所示。

Sy(f)=|F{y(t)}|2

(2)

式中：F{ }——傅里葉正變換；

| |——取模數(shù)。

而倒頻譜則為對功率譜Sy(f)的對數(shù)值進(jìn)行傅里葉逆變換的結(jié)果，若用Cy(τ)表示功率譜Sy(f)的倒頻譜，則有

Cy(τ)=F-1{lnSy(f)}

(3)

式中：F-1{ }——傅里葉逆變換；

τ——倒頻譜的時間變量。

結(jié)合式(2)與式(3)可得式(4)。

ρy(τ)=F-1{Sy(f)}

(4)

從而可以看出功率譜Cy(τ)中的變量τ與自相關(guān)函數(shù)ρy(τ)中的時間變化量τ在量綱上一致。

可見，倒頻譜實質(zhì)是對頻域信號取對數(shù)的傅里葉變換再處理，其與相關(guān)函數(shù)的不同只在于對數(shù)加權(quán)，對功率譜密度函數(shù)取對數(shù)之后，可使得再變換之后的信號能量能夠更加集中，同時還可以進(jìn)行卷積成分解析，易于實現(xiàn)對原始信號的識別。

2.4 時頻分析

時間和頻率是最能體現(xiàn)信號的兩個物理量，根據(jù)信號的落點(diǎn)區(qū)域劃分為時頻和頻域分析兩種。時頻分析即對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，并假設(shè)在加窗時間段內(nèi)數(shù)據(jù)是穩(wěn)態(tài)的，進(jìn)而進(jìn)行傅里葉變換，提取加窗時間段內(nèi)的頻域信息。常見的傅里葉變換可以完成時域、頻域之間的轉(zhuǎn)換。但是它是一種全局變換，適用統(tǒng)計量不隨時間變化的平穩(wěn)信號[27]。

由于時域分析注重振動信號波幅隨時間進(jìn)程的變化，計算簡單快速，且不需要進(jìn)行濾波處理，相較于頻域分析或時頻分析具有更高的時間精度和準(zhǔn)確性。但時域分析并不足以全面反映振動信號儲存的信息。頻域分析使用的是傅里葉變換，不僅能分析任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)，還可分析靜息態(tài)數(shù)據(jù)。但頻域分析受傅里葉變換只適于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)這一自身局限，對于非穩(wěn)態(tài)信號并不適用。因此，時域與頻域分析均不能全面反映信號特征。而時頻分析中加窗處理時，窗口的大小會影響到時間精度和頻率精度。窗口越大，時間精度越低，頻率精度越高，適合分析低頻慢波。窗口越小，時間精度越高，頻率精度越低，適合分析高頻快波。耕整地機(jī)械獲取到的振動信號并非穩(wěn)態(tài)信號，故需要進(jìn)行時頻分析，如短時傅里葉變換(STFT)、小波變換、WVD(魏格納—威爾分布)等等，STFT是用時間窗的一端信號來表示其在某個時刻的特性，時間窗大小固定，是一種最為常見的時頻分析方法。其將時間信號加上時間窗，而后將時間窗滑動做傅里葉變換，就可以得到信號的時變譜或短時譜。而基于小波分解和重構(gòu)快速算法的小波變換的時間窗隨頻率變化而變化，其為了克服FFT不能提供局部時段上的全部頻率和STFT的固定時窗的缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。WVD彌補(bǔ)STFT固定時窗的缺點(diǎn)，具有與短時傅里葉變換基本相同的應(yīng)用范圍。三者都屬于時頻分析，但WVD的聚集性、分辨率和其他性質(zhì)都優(yōu)于STFT。

3 減振技術(shù)應(yīng)用

耕整地機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣，振動現(xiàn)象無可避免，由此產(chǎn)生噪聲和振顫、加劇零部件的疲勞破壞、降低可靠性和壽命，同時也會出現(xiàn)共振現(xiàn)象[28]。減振無疑成為耕作機(jī)械解決的技術(shù)難題[29]。

3.1 減振技術(shù)

減振可以適當(dāng)避免機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)受損，延長機(jī)具使用壽命，降低機(jī)具振動對操作員身體造成的危害。目前可用的減振技術(shù)除了改善耕整地作業(yè)質(zhì)量外，主要從使用材料、外部干預(yù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計三方面進(jìn)行，分別為運(yùn)用阻尼材料將機(jī)械振動的能量轉(zhuǎn)變成可損耗的能量；外部加裝動力吸振器；改善部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1.1 運(yùn)用阻尼材料

機(jī)械結(jié)構(gòu)中添加可耗能的阻尼材料是抑制振動最有效的技術(shù)手段之一[30-34]。常見的阻尼材料特性包括橡膠和塑料阻尼板、橡膠和泡沫塑料、阻尼復(fù)合材料和高阻尼合金，分別運(yùn)用于夾心層材料、阻尼吸聲材料、振動和噪聲控制[35-36]。其性能可在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)保持基本穩(wěn)定。常見添加阻尼材料的途徑有兩大類[37-40]，如表3所示。

表3 添加阻尼材料途徑Tab. 3 Ways to add damping materials

選用內(nèi)損耗多，內(nèi)摩擦大的粘滯性材料作為研發(fā)耕整地機(jī)械新型減振材料，如軟橡膠、增強(qiáng)型玻璃纖維塑料等作為阻尼材料，減振效果明顯，能夠在抑制振動過程中扮演衰減沿結(jié)構(gòu)傳遞的振動能量和減弱共振頻率附近的振動兩個方面的重要角色。對于耕整地機(jī)械來說，考慮降低維修成本，同時要避免機(jī)械結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。故在添加阻尼材料時更傾向于阻尼材料與復(fù)合材料共固化成型。

減振器是耕整地機(jī)械中主要零部件，其實質(zhì)就是一個阻尼元件。為了使耕整地機(jī)械車架與車身的振動迅速衰減，改善機(jī)械行駛的平順性和舒適性，車輛懸架系統(tǒng)上會裝有減振器。當(dāng)減振器受外界激勵時，通過在結(jié)構(gòu)體表面敷設(shè)、嵌入阻尼類彈性材料，將振動能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到減振的目的。

Zhang等[41]通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，將阻尼材料敷設(shè)特定位置。張一麟等[42]基于聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析鎖定了阻尼材料合理敷設(shè)的位置，極大地提高了阻尼材料的利用率。朱大巍等[43]在加筋梁結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)了手性材料覆蓋層，這一設(shè)計有效抑制了其振動響應(yīng)。以上研究者們從阻尼材料的敷設(shè)位置著手研究了減阻的方法。而王慧彩等[44]對阻尼夾層板的動態(tài)特性和振動響應(yīng)進(jìn)行了理論與試驗研究，分析探究了阻尼層參數(shù)的影響。楊雪等[45]設(shè)計了一種多層阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)布置及各層阻尼厚度變化進(jìn)行了分析，著重強(qiáng)調(diào)了阻尼結(jié)構(gòu)及阻尼層參數(shù)在減振中產(chǎn)生的影響。

3.1.2 加裝動力吸振器

吸振器是一種較為傳統(tǒng)的減振裝置，頻段易于調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等是其具備的優(yōu)點(diǎn)所在，在特定頻率范圍內(nèi)，可以得出顯著的振動控制效果。目前吸振器已然成為振動與噪聲控制工程領(lǐng)域的基本手段之一[46]。傳統(tǒng)單自由度動力吸振器存在作用頻段窄的問題，所以基于單自由度動力吸振器的基礎(chǔ)，發(fā)展了多自由度、組合式、連續(xù)式及非線性等吸振技術(shù)，實現(xiàn)了彈性結(jié)構(gòu)的多頻/寬頻聲振抑制。劉耀宗等[47]綜述了被動式吸振器的結(jié)構(gòu)與研究進(jìn)展。Dayou等[48]將多個動力吸振器整合進(jìn)行了結(jié)構(gòu)全局振動抑制的研究，著重關(guān)注了吸振器的安裝位置與安裝質(zhì)量，得出結(jié)構(gòu)全局振動響應(yīng)在考慮頻段內(nèi)能夠得到接近于主動控制的有效抑制。Wong等[49]設(shè)計了一種使得彈性結(jié)構(gòu)振動在一定空間范圍內(nèi)可得到抑制的新型吸振器，該減振器能夠?qū)崿F(xiàn)平動與轉(zhuǎn)動同時抑制的作用。蘇爾敦等[50]設(shè)計了一種板式動力吸振器，分析了吸振器結(jié)構(gòu)對吸振效果的影響。

在眾多研究中發(fā)現(xiàn)，動力吸振器對于復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)，并不完全能有效地抑制結(jié)構(gòu)整體振動，其降低噪聲作用不強(qiáng)。

3.1.3 改善機(jī)械部件結(jié)構(gòu)

耕整地機(jī)械在運(yùn)行期間，可將部分機(jī)械結(jié)構(gòu)由剛性連接改為彈性連接，阻隔或減弱振動能量的傳遞實現(xiàn)減振。磁流變阻尼器是一種比較理想的半主動控制裝置。國內(nèi)，主要將磁流變阻尼器應(yīng)用于半主動懸架以及車輛的座椅減振中。在半主動懸架控制應(yīng)用方面，沈延等[51]對適用于車輛半主動懸架控制器設(shè)計的磁流變阻尼器模型進(jìn)行研究，提出了一種精確的便于控制的雙曲正切磁滯模型；王波等[52]提出了對汽車磁流變半主動懸架采取獨(dú)立/耦合模態(tài)聯(lián)合控制的方法，并通過仿真證實了該種控制方法比單獨(dú)采用獨(dú)立模態(tài)控制及耦合控制的效果更好；有學(xué)者對基于磁流變阻尼器的汽車懸架進(jìn)行研究，結(jié)果表明磁流變半主動非線性開關(guān)控制彌補(bǔ)了非線性半主動控制的不足，使得系統(tǒng)在共振區(qū)和高頻區(qū)都有很好的隔震效果。在車輛座椅設(shè)計應(yīng)用方面，漆小敏等[53]進(jìn)行了磁流變減振座椅模擬控制器的設(shè)計與仿真分析；趙德敏等[54]將磁流變阻尼器應(yīng)用于車輛座椅懸掛系統(tǒng)中。李德勝[55]根據(jù)車載發(fā)動機(jī)組的振動分析結(jié)果和機(jī)組力學(xué)模型，采用六角自由度減振系統(tǒng)作為機(jī)組的隔振裝置，對多維減振系統(tǒng)進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計和性能仿真，利用加速度振級落差評價了發(fā)動機(jī)組支撐點(diǎn)處的減振性能。為滿足坦克駕駛員的舒適性要求，孫啟超[56]利用磁流變阻尼器變剛度的特點(diǎn)設(shè)計了一種帶有磁流變阻尼器的叉形座椅，如圖2所示，其中l(wèi)表示支撐桿長度；α表示座椅傾角；k表示彈簧剛度系數(shù)；M表示人椅質(zhì)量。該裝置可有效實現(xiàn)衰減坦克座椅振動的目的，減輕炮彈發(fā)射引起的強(qiáng)烈振感對人體造成傷害。

圖2 帶有磁流變阻尼器的叉形座椅

總之，加裝動力吸振器是一種外部干預(yù)方式，安裝方便，操作簡單，但應(yīng)用范圍受限。機(jī)械結(jié)構(gòu)的改善可以很大程度解決振動問題，但結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大。當(dāng)前可應(yīng)用到耕整地機(jī)械減振的當(dāng)屬阻尼材料較多，即阻尼材料在耕整地機(jī)械上的廣泛運(yùn)用極大地起到吸振、緩振作用。

3.2 減振技術(shù)在耕整地機(jī)械中的應(yīng)用

近年來，學(xué)者針對耕整地機(jī)械工作部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)，進(jìn)行了多種減振研究。Kavlicoglu等發(fā)明了一種通過改變磁場進(jìn)而改變磁流變彈性體的剛度的底座。曹曉慧等[57]在把手和手柄之間設(shè)計了一種新型隔振器，利用絕緣系統(tǒng)降低傳遞至手部的振動。孫玉華等[58]為了實現(xiàn)微耕機(jī)振動隔離，基于磁流變液的數(shù)學(xué)模型建立磁流變彈性體變剛度和阻尼的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了一種新型磁流變彈性體隔振器結(jié)構(gòu)。李果等[59]研究了微耕機(jī)的振動影響因素，提出在振動結(jié)構(gòu)中增加彈性隔振器將振源和其他結(jié)構(gòu)隔離的方法。陳剛等[60]針對微耕機(jī)操作性及舒適性差的問題，提出采用液壓動力總成代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械動力總成方法，設(shè)計主要由蓄能器和液壓管路構(gòu)成的減振模塊，將土壤對耕刀周期性反作用力產(chǎn)生的振動通過馬達(dá)軸傳遞到液壓管路形成液壓脈動，蓄能器吸收并衰減脈動實現(xiàn)減振。以上學(xué)者均采用隔振措施減振，卻在實現(xiàn)減振的同時提高了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和產(chǎn)品的成本，不適用于成本低、結(jié)構(gòu)簡單的耕整地機(jī)械。

為了能低成本解決耕整地機(jī)械減振，提高機(jī)械的使用性能，學(xué)者們從改善機(jī)械結(jié)構(gòu)的層面進(jìn)行了大量研究。楊堅等[61]通過研究GN31耕整機(jī)扶手架振動機(jī)理，對扶手架修改鋼管壁厚，手把前部的橫桿上增加質(zhì)量塊，發(fā)現(xiàn)增加質(zhì)量塊可防止共振。楊堅等[35]提出了一種小型耕整機(jī)的阻尼減振手把，其是在無阻尼減振手把基礎(chǔ)上，在吸振系統(tǒng)密封圓筒中加入適當(dāng)?shù)恼承粤黧w而成，得到阻尼減振手把的減振效果。如圖3所示。研究結(jié)果表明，阻尼減振手把能有效降低手把的振動量，加速度降低49%～81%。

圖3 阻尼減振把手簡圖

金政宏等[62]以電動微耕機(jī)為研究對象，對微耕機(jī)的支撐架和扶手架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，扶手架處采用在尖端區(qū)域粘結(jié)阻尼材料的方法完成減振，而對支撐架運(yùn)用Ansys有限元方法對其求解，采用前端支架鏤空處理方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，經(jīng)過仿真和田間試驗驗證模型的可行性。結(jié)果顯示扶手架處RMS值較優(yōu)化前降低了24.5%，實現(xiàn)了電動微耕機(jī)減振的目的。路世青等[63]對微耕機(jī)的發(fā)動機(jī)和扶手架實施減振措施。在發(fā)動機(jī)處設(shè)計了雙向減振裝置，縱向由彈簧組、橡膠球等減振材料組成，橫向主要由橡膠環(huán)和彈簧組成，縱向?qū)崿F(xiàn)吸收和減小發(fā)動機(jī)豎直方向的振動，橫向抑制發(fā)動機(jī)在行走方向上的水平振動。此外，為了使扶手架減振，他們利用氣缸和彈簧組合的形式設(shè)計了一套扶手架減振裝置，通過改變彈簧和氣缸中的氣壓達(dá)到減隔振的目的，經(jīng)振動仿真得到扶手架處的振動參數(shù)。結(jié)果表明相對未安裝減振裝置的同型號微耕機(jī)，振動位移和加速度減少了約30%，減振效果良好。

4 存在問題與發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

綜上，在耕整地機(jī)械振動監(jiān)測與減振技術(shù)應(yīng)用中還存在一些問題。

1) 振動傳感器的選用范圍狹窄。目前應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械振動監(jiān)測上的傳感器多用壓電式加速度傳感器，外配電荷適配器，實際農(nóng)業(yè)機(jī)械振動監(jiān)測環(huán)境惡劣，設(shè)備工作過程中振動強(qiáng)度高，對適配器與傳感器間的接線干擾大，容易造成二者連線脫線問題且不易察覺，增加監(jiān)測成本和測試人員工作負(fù)擔(dān)。

2) 振動信號的處理方法粗糙?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械振動信號處理方法多集中于時域分析、頻域分析等傳統(tǒng)信號分析方法，僅適用于非強(qiáng)噪聲振動信號的監(jiān)測，而對于強(qiáng)噪聲振動信號的特征提取不徹底。

3) 減振措施不足。當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械實現(xiàn)減振僅可從改善機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)用阻尼材料及外加動力吸振器三處入手。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械多為燃油車，懸掛的支架模態(tài)普遍高于500 Hz以上，發(fā)動機(jī)的激勵頻率通常無法引起共振問題，所以動力吸振器使用較少。此外，一般農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)難度較高，通常不作為首選的減振措施。所以多從材料著手減振。

4.2 振動監(jiān)測及信號處理的發(fā)展趨勢

對耕整地機(jī)械執(zhí)行振動監(jiān)測過程中，硬件設(shè)計技術(shù)已相對成熟，可由使用對象和需求補(bǔ)充硬件，操作過程簡單。對于軟件系統(tǒng)設(shè)計，重在對監(jiān)測所得振動信號的處理與分析。由于耕整地機(jī)械振動信號為非平穩(wěn)信號，故在信號處理時需要進(jìn)行局部變換，再結(jié)合時頻分析。故未來耕整地機(jī)械振動監(jiān)測呈現(xiàn)如下趨勢。

1) 振動監(jiān)測技術(shù)在耕整地機(jī)械上的成熟應(yīng)用必將大大提高其可靠度，降低故障率，進(jìn)而提升生產(chǎn)能力，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人身安全事故。

2) 目前工業(yè)上多采用IEPE振動傳感器，其為一種自帶電量放大器或電壓放大器的加速度傳感器，集成了靈敏的電子器件使其盡量靠近傳感器以保證更好的抗噪聲性并容易封裝?？蓪⑵鋺?yīng)用于非低頻振動的農(nóng)業(yè)機(jī)械中，盡量在振動監(jiān)測中減少作業(yè)環(huán)境帶來的干擾，以提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度和精度。

3) 以虛擬儀器軟件LabVIEW與MATLAB為基礎(chǔ)開發(fā)平臺，開發(fā)可移植性強(qiáng)的振動監(jiān)測系統(tǒng)，可用于其他農(nóng)機(jī)裝備的監(jiān)測與預(yù)警，增加系統(tǒng)可拓展性。耕整地機(jī)械的振動信號為穩(wěn)態(tài)信號，可運(yùn)用局部變換結(jié)合時頻分析進(jìn)行非強(qiáng)噪聲下的振動信號處理，以提高信號處理效率，對于強(qiáng)噪聲振動信號，結(jié)合工業(yè)機(jī)械振動信號處理方法進(jìn)行信號的特征提取，如深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)方法。

4.3 減振技術(shù)的運(yùn)用與發(fā)展趨勢

到目前為止，耕整地機(jī)械減振研究較為成熟，每一種減振措施均存在優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性。對比多種減振方式后發(fā)現(xiàn)，耕整地機(jī)械減振技術(shù)以阻尼材料與復(fù)合材料共固化成型為阻尼的添加途徑為主。從機(jī)械制備精度和使用環(huán)境可見，農(nóng)業(yè)機(jī)械區(qū)別于工業(yè)設(shè)備，機(jī)械材料精度并不嚴(yán)格追求完全高精度，反而更注重在苛刻的作業(yè)環(huán)境下材料的耐用性。

5 結(jié)語

振動監(jiān)測與減振技術(shù)在耕整地機(jī)械中的應(yīng)用已成為未來農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展的重要趨勢，不斷更新機(jī)械振動監(jiān)測手段，完善振動信號處理方法和機(jī)械減振措施是農(nóng)業(yè)機(jī)械高質(zhì)量發(fā)展的重要需求。將農(nóng)業(yè)機(jī)械與工業(yè)設(shè)備振動監(jiān)測技術(shù)相互結(jié)合，從而帶動農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。本文介紹了振動監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍，對比分析了耕整地機(jī)械的振動信號處理方法和不同減振手段。通過討論現(xiàn)存的問題，給出對于非強(qiáng)噪聲振動信號可使用局部變換結(jié)合時頻分析的振動信號處理方法，對于強(qiáng)噪聲振動信號可結(jié)合深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)設(shè)備振動信號處理方法進(jìn)行信號的特征提取。對于機(jī)械減振措施，提出采用阻尼材料更能實現(xiàn)耕整地機(jī)械減振的發(fā)展建議。今后，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸追求高質(zhì)量、智能化的發(fā)展，不斷完善并優(yōu)化振動監(jiān)測與減振技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械必需的發(fā)展需求之一。