棉花覆膜播種機振動測試試驗與激勵源分析

劉媛杰 ，胡　燦，樸在林

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾　843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾　843300；3.沈陽農業大學 信息與電氣工程學院， 沈陽　110866)

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棉花覆膜播種機振動測試試驗與激勵源分析

劉媛杰1，2，胡燦1，2，樸在林3

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾843300；3.沈陽農業大學 信息與電氣工程學院， 沈陽110866)

摘要：南疆棉田中大量的田間雜物對播種機造成了較大的振動影響，降低了排種器的排種精度。為了測試不同作業速度下的播種機振動特性，以2BMJ-8/2 型機械式棉花精量覆膜播種機為測試點，利用測振儀器布置測點，測試在不同作業速度下的振動位移，并對測試數據進行頻譜分析。結果表明：覆膜播種機作業速度為9.8～10.5km/h時，振動幅值主要發生在低頻0～10Hz的頻率段，受到的振動激勵主要為田間雜物的纏繞、土塊振動等影響；覆膜播種機作業速度為7.5～8km/h時，播種機振動幅值明顯減小，能保持較優的作業效率，工作狀況為最優；覆膜播種機低速作業時，振動幅值較小，振動頻率在0～50Hz之間，與柴油機的振動頻率接近，振動激勵主要來自于拖拉機動力振動。

關鍵詞：棉花；覆膜播種機；振動測試；頻譜分析

0引言

春耕季節，新疆棉花主要以大型機械化方式進行覆膜播種。目前，采取的播種作業包括滴灌帶布置、地膜覆蓋、開溝覆土及精密播種等作業工序。隨著長期覆膜播種耕作的進行，農田中殘留了大量的農用殘膜、棉茬等田間雜物，播種機以不同的作業速度進行播種作業時，田間雜物對播種機造成了較大的振動影響，從而降低了精密播種機的排種性能[1-2]。因此，研究播種機作業速度與振動影響之間的關系，對提高排種精度與準確度有著重要的實際意義。

在播種機振動特性的研究上，張曉冬等對農田的不平度激勵振動進行了力學建模分析，分析了農田不平度振動激勵對鏟式玉米精密播種機播種性能的影響，并建立了播種機受不平度振動穩態響應與理論粒距關系的數學模型[3]。劉月琴等利用排種實驗臺，對免耕方式下氣吸式播種機排種裝置的受田間雜物的振動激勵影響進行了實驗測定。結果表明：玉米排種時受播種機作業速度影響最大，經測試最優的種盤速度為25～30m/s，此時的排種性能最好[4]。

為此，針對南疆棉田春耕聯合播種機械的受振動影響下機械式旋播器的排種現狀，結合棉花種植的農藝技術，利用振動測試設備及相關振動分析軟件，測試了聯合播種機在受到田間雜物影響下的振動特性，旨在為進一步研究機械式旋播器的振動激勵影響提供技術參數與參考數據。

1試驗裝置與測試設備

1.1　棉花精量覆膜播種機的主要技術參數

南疆棉田的播種作業機械中，機械式排種器結構簡單、可靠性較高，在實際生產中得到了廣泛應用。振動測試試驗采用2BMJ—8/2 型棉花機械式精量覆膜播種機進行播種作業，如圖1所示。該機采用水平圓盤機械式排種器，作業幅寬為2.2m，配套動力為37kW，最大作業速度可達11.0km/h，正常作業時生產率為0.69hm2/h；播種作業時，可一次性進行滴灌帶鋪設及地膜覆蓋等作業，是南疆干旱區最常用的播種作業機械[5]。

圖1　2BMJ—8/2 型機械式棉花精量覆膜播種機

1.2　振動測試的主要設備

棉花精量覆膜播種機的振動測試儀表設備主要包括兩部分：一是現場各測量點的傳感器及信號變送裝置；二是是對現場傳感器數據的采集、A/D轉換處理、振動信號顯示及頻譜分析等。

1)現場的振動測量傳感器。現場振動測量傳感器采用磁電式速度傳感器，其在振動測量時優化了壓電式傳感器在低頻振動信號采集時測量精度不夠的問題，具有更好的精度及可靠性。現場傳感器采用江陰眾和公司生產的SZ-6型磁電式速度傳感器，測振量程為0～500mm，輸出信號為4～20mA電流信號；信號通過現場變送器輸入到數據采集卡，數據采集卡可進行A/D轉換，將數據輸入至顯示儀表與計算機上，可方便地進行振動試驗的記錄。

2)數據記錄與處理。通過對播種機進行振動測試試驗后，數據通過計算機實時自動獲取與保存。同時，利用MatLab 7.0軟件與FFT頻譜分析方法對數據進行頻譜分析，以得出各種狀態下的振動激勵變化。FFT頻譜分析方法是一種最用的振動信號分析方法，主要用于振動數據處理與頻譜分析[6-7]。

2振動測試試驗方法

2.1　測點的布置

覆膜播種機進行田間作業時受到的振動激勵是多方面的振動影響，根據覆膜播種機的結構，主要在排種器各個平面進行振動傳感器的布置。以排種器為基準坐標，垂直于地面的方面為Z方向，排種器的左、右振動方向分別為X、Y方向。在不同的方向分別安裝傳感器，以確保測試出各個方向的振動位移[8]。

2.2　測試的方法

測試試驗主要以播種機作業速度作為主要的參考依據，測試在不同的播種速度下播種器振動變化情況。根據棉花播種機的各類進行參數，設計了高速、中速與低速3種播種機作業速度，分別為：高速9.8～10.5km/h，中速7.5～8km/h，低速4～4.5km/h。根據田間地表狀況的不同，每種速度下進行3組單因素的測試試驗，將測定后的振動值取平均值，記錄3種速度下的單因素試驗結果。

3測試結果與分析

3.1　測試結果

振動試驗記錄了播種機在高速、中速與低速3種作業速度下的氣吸式精量播種器X、Y、Z方向的振動值。表1顯示了播種機高速作業時的播種器各測點振動值。結果表明：Z方向垂直于地面的振動為播種器受到田間雜物等因素影響的主要振動，振動的幅值較大，最大時達到0.8mm的振動幅值，影響播種器的排種性能；X、Y方向的振動幅值較小，振動的頻率主要集中在較低的頻率段，對播種器的排種性能影響較小。表2、表3分別為播種機中速作業時的播種器各測點振動值。其中，Z方向仍為振動的主要發生方向，振動幅值明顯高于其他方向的振動；播種機作業速度對振動值影響顯著，同樣的播種模式下，降低速度，可使振動值明顯減小。

表1　播種機高速作業時的各測點振動值

表2　播種機中速作業時的各測點振動值

表3　播種機低速作業時的各測點振動值

3.2　振動激勵源分析

根據振動測試結果，Z方向為振動的主要方向，對Z方向的垂直振動進行頻譜分析可揭示不同作業速度下的振動值頻譜分布規律。利用MatLab 7.0軟件與FFT頻譜分析方法，對測試后的試驗數據進行處理與頻譜分析，得到3種轉速下的播種機Z方向頻率振動特點。 圖2所示為2s時間內播種機高速作業時的瞬間垂直振動圖。

圖2　播種機高速作業時的振動信號

圖3 所示為覆膜播種機高速作業時Z方向的振動頻譜。圖3中，較大的振動幅值主要發生在低頻0～10Hz 的頻率段。其中，2.5Hz時與7.5Hz時振動的幅值最大，達到0.8mm的振動值，結合田間實驗，此時為田間較大土塊和雜物對地輪的振動影響；4.5～5.5Hz頻率段振動幅值為0.4mm，振動頻率較為集中，結合田間實驗，此時一般為播種機傳動機構受到田間雜物的纏繞影響。

圖4 所示為覆膜播種機中速作業時Z方向的振動頻譜。圖4中，較大的振動幅值主要發生在低頻0～5Hz 的頻率段。其中，0.5Hz時與2.5Hz時振動的幅值較大，分別達到0.6mm與0.8mm的振動值。頻譜分析的結果表明：播種機作業速度為7.5～8km/h時，播種機振動幅值明顯減小，且播種效果良好；根據大面積播種作業速度不低于8km/h的要求，中速作業時的振動幅值與作業效果為最優。

圖3　播種機高速作業時Z方向的振動頻譜

圖4　播種機中速作業時Z方向的振動頻譜

圖5所示為覆膜播種機低速作業時Z方向排種器與播種機本體合成的振動頻譜。低速作業時，振動發生的幅值較小，振動的影響主要來自于拖拉機動力振動，最大振動幅值為0.5mm，振動頻率在0～50Hz之間，與柴油機的振動頻率接近。因此，在低速作業時，由于田間雜物振動激勵影響減小，主要的激勵源來自拖拉機動力振動激勵。

圖5　播種機低速作業時Z方向的振動頻譜

4結論

1)測試結果表明：在作業速度較高時，垂直于地面的Z方向振動為排種器受到田間雜物等因素影響的主要振動，振動的幅值較大，最大時達到0.8mm的振動幅值，影響播種器的排種性能；X、Y方向的振動幅值較小，對播種器的排種性能影響較小。

2)覆膜播種機作業速度為9.8～10.5km/h時，振動幅值主要發生在低頻0～10Hz 的頻率段，受到的振動激勵主要為田間雜物的纏繞、土塊振動等影響。覆

膜播種機作業速度為7.5～8km/h時，播種機振動幅值明顯減小，播種效果良好，能保持較優的作業效率，此時的工作狀況為最優。

3)覆膜播種機低速作業時，振動幅值較小，振動的影響主要來自于拖拉機動力振動，振動頻率在0～50Hz之間，與柴油機的振動頻率接近。

參考文獻：

[1]王穎,李成華,王慧慧.鏟式玉米精密播種機振動對播種質量影響的試驗[J].農機化研究,2008(8):124-126.

[2]胡軍.精密播種單體播深控制的理論與試驗研究[D].長春：吉林大學,2012.

[3]張曉冬,李成華,湯秋艷,等.鏟式玉米精密播種機振動特性試驗[J].沈陽農業大學學報,2009(6):732-735.

[4]劉月琴,劉漢濤,趙滿全,等.氣吸式免耕播種機排種裝置的振動試驗分析[J].農機化研究,2015,37(4):145-149.

[5]董春旺,毛樹春,胡斌,等.盤吸式穴盤播種機拋振系統運動分析與優化[J].農業工程學報,2010,26(6):124-128.

[6]張曉冬,李成華,李建橋,等.鏟式玉米精密播種機振動特性模型建立與試驗[J].農業機械學報,2014,45(2):88-93.

[7]曹文,丁俊華,李再臣.機械式精密排種器的研究與設計[J].農機化研究,2009,31(7):142-145.

[8]陳紹斌.精密播種機監測系統的研究與開發[D].楊凌：西北農林科技大學,2007.

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

中圖分類號：S23-0;S237

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0151-04

作者簡介：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，湖南益陽人，講師，(E-mail)hucanboy1@qq.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201503105)；塔里木大學校長基金項目(TDZKSS201412，TDZKQN201510)

收稿日期：2015-07-13