劉曉潺，田 輝，張秀麗

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

0 前言

近年來，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，在大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。但是大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的購置成本高，作業(yè)時間集中，不能適應(yīng)于煙草、茶葉、藥材等高附加值經(jīng)濟(jì)作物的種植，以及山地、丘陵和溫室大棚耕作，容易造成農(nóng)業(yè)生態(tài)失衡和農(nóng)村動力配置過剩。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的特點，多個小型自動化農(nóng)業(yè)設(shè)備比傳統(tǒng)的大型農(nóng)業(yè)設(shè)備更低耗、更高效。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展對小型智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、智能性和經(jīng)濟(jì)性都提出了更高的要求。小型智能化農(nóng)業(yè)裝備具有廣闊的市場前景，發(fā)展小型智能化農(nóng)業(yè)裝備，對于推進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程，發(fā)展低耗、高效、高質(zhì)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，具有重要意義[1]。

微耕機(jī)是典型的小型農(nóng)業(yè)設(shè)備，具有體積小、質(zhì)量輕等特點，廣泛應(yīng)用于平原、山區(qū)、丘陵的旱地、水田、果園、大棚等，能夠協(xié)助農(nóng)戶完成噴藥、噴淋、施肥和耕地等工作[2]。微耕機(jī)在工作過程中存在強(qiáng)烈的振動，這種振動會造成操作者手臂發(fā)麻、耳鳴、失眠、頭疼、關(guān)節(jié)痛、白指病、多發(fā)性神經(jīng)炎，甚至高血壓等，嚴(yán)重影響操作者的身體健康。此外，由于微耕機(jī)的穩(wěn)定性較差，也影響了微耕機(jī)械其他智能功能的研發(fā)。因此，研究微耕機(jī)的振動機(jī)理，提出合理的微耕機(jī)動力結(jié)構(gòu)修改措施，對提高微耕機(jī)工作過程中的可靠性和穩(wěn)定性以及高端智能化微耕設(shè)備的研發(fā)有重要意義[3-4]。

1 微耕機(jī)振動研究概述

匈牙利、英國等歐洲國家從20世紀(jì)初就開始研制微耕機(jī)，并投放市場，而后被日韓等亞洲國家引進(jìn)[2]。微耕機(jī)于1992年被引入我國，隨即得到更大的發(fā)展。傳統(tǒng)微耕機(jī)主要以柴油機(jī)或汽油機(jī)為動力源，是手扶式的結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。隨著技術(shù)的發(fā)展，輪式自走式和履帶自走式微耕機(jī)逐漸出現(xiàn)，分別如圖1（b）、圖1（c）[5]所示，微耕機(jī)的操作舒適性得到進(jìn)一步的提升。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，具有智能遙控功能的履帶自走式微耕機(jī)也逐漸面世，如圖1（d）所示，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮農(nóng)業(yè)耕作提供了支撐。最初，微耕機(jī)多以柴油機(jī)和汽油機(jī)為動力源，隨著能源日益緊缺和綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)保型的電動微耕機(jī)也逐漸出現(xiàn)。微耕機(jī)正在向著環(huán)保、節(jié)能和智能化的方向發(fā)展。但是微耕機(jī)振動的問題，一直沒有得到很好的解決，這極大地影響了微耕機(jī)整體動力性能的提升和智能功能的開發(fā)。

圖1 幾種類型的微耕機(jī)

國內(nèi)外學(xué)者借助于振動測試實驗、微耕機(jī)振動建模與仿真、微耕機(jī)整機(jī)動力學(xué)建模與分析等手段，對微耕機(jī)的振動特性和振動抑制措施進(jìn)行了研究。多工況下的振動測試結(jié)果表明，微耕機(jī)振動強(qiáng)度受到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、耕作深度、耕作行進(jìn)速度影響較大，微耕機(jī)的振動主要是在激振力作用下的強(qiáng)迫振動以及由此引發(fā)的局部共振[6-8]。

微耕機(jī)受到的激振力主要來源于以下兩個方面：第一，動力系統(tǒng)的激振力，比如發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的著火燃燒脈沖、曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運動時由于自身不平衡造成的周期性振動，變速箱和行走箱內(nèi)部齒輪副間高速運動造成的振動，對于電動微耕機(jī)，還包括電機(jī)的電磁激振力等[8]；第二，旋耕刀切削土壤造成的沖擊載荷，刀輥自身旋轉(zhuǎn)的慣性力矩引起的周期性振動以及受力不均引起的受迫振動。

2 微耕機(jī)振動激振力

2.1 發(fā)動機(jī)和電動機(jī)激振力

目前，認(rèn)為引起發(fā)動機(jī)垂直方向的激振力，即單缸發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時活塞的往復(fù)慣性力，可根據(jù)式（1）求出[9]，即：

其中，mh為活塞質(zhì)量，R為曲柄半徑，ω為發(fā)動機(jī)曲軸角速度，λ為連桿徑長比。

電磁激振力隨時間變化為正弦波形，根據(jù)電機(jī)參數(shù)，可以對電磁激振力進(jìn)行計算，計算公式如式（2）所示[8]：

2.2 土壤對刀輥的反作用力

土壤對刀輥的切削阻力是微耕機(jī)振動的一個重要激振力，對于研究微耕機(jī)的振動至關(guān)重要。刀輥切削土壤過程中，刀片與土壤發(fā)生擠壓，刀片與土壤之間的相互作用力和土壤的理化特性以及耕深、刀輥轉(zhuǎn)速、彎刀結(jié)構(gòu)、機(jī)組前進(jìn)角度密切相關(guān)。旋耕刀切削土壤是一個復(fù)雜的作用過程。目前大部分研究，將其簡化為一個恒力，計算公式如式（3）所示[10]：

其中，T為刀輥扭矩，P為發(fā)動機(jī)功率，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，R為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑。

但是，在實際工作過程中，土壤對刀輥的切削阻力是一個動態(tài)變化的力，將其簡化為一個恒定力，對微耕機(jī)的振動特性進(jìn)行求解，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以反映微耕機(jī)的動力學(xué)特性。因此，許多學(xué)者根據(jù)有限元的方法對旋耕阻力進(jìn)行了計算。

土壤切削是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的共性問題，在開溝、深松、培土、挖掘、旋耕等農(nóng)藝過程中，都存在土壤切削問題。運用有限元分析土壤的特性時，常用的方法有ALE法、拉格朗日法、耦合歐拉-拉格朗日法（CEL法）、光滑質(zhì)點動力學(xué)法（SPH法）等。其中，SPH法不用網(wǎng)格，不存在網(wǎng)格畸變問題，能處理大變形問題，經(jīng)常被用于土壤切削過程的仿真分析。

孫紅[10]基于SPH法建立了土壤模型，對果園開溝刀具土壤切削過程進(jìn)行了仿真，模擬了開溝過程中土壤粒子的運動和變形。曹中華等[11]基于SPH法建立了深松鏟土壤切削仿真模型，有效仿真了深松鏟運動過程中土壤的運動、破碎和變形情況，計算了深松過程中的切削力。彭彬[12]采用Drucker-Prager非線性彈塑性模型模擬了旋耕刀具的土壤切削過程，基于SPH算法建立了土壤的有限元模型，得到了土壤和旋耕刀輥的應(yīng)力分布、切削阻力和功率等。朱留憲等[13]基于有限元方法對微耕機(jī)刀輥切削土壤進(jìn)行了仿真，分析了土壤破碎情況、旋耕刀輥切削力及切削扭矩，如圖2所示。結(jié)果表明：淺層土壤擾動位移最大，中層土壤次之，深層土壤最小，分析結(jié)果與測試結(jié)果一致。

圖2 旋耕刀輥切削有限元仿真模型

3 微耕機(jī)振動模型發(fā)展

建立微耕機(jī)的振動模型是對微耕機(jī)振動特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。方晶晶等[4]、王炎林[8]、胡陳君[14]針對不同型號微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，考慮扶手力、刀輥切削力、發(fā)動機(jī)一階慣性力、土垡撞擊力等，將微耕機(jī)的發(fā)動機(jī)、蓄電池、電動機(jī)、支撐架、扶手、刀輥等主要部件等效簡化為集中質(zhì)量塊，結(jié)合試驗以及仿真的辦法，求解部件的剛度，并進(jìn)行簡化，建立了微耕機(jī)的彈簧質(zhì)量塊模型，如圖3所示。

圖3 微耕機(jī)振動模型

基于所建立的彈簧質(zhì)量塊模型，可以對微耕機(jī)的時域和頻域特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)合振動實驗測試進(jìn)行對比分析，證明了所建立模型的正確性，解釋了微耕機(jī)不同部件的振動特性以及微耕機(jī)振動的傳遞路徑，為進(jìn)一步對微耕機(jī)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。但是在建立模型的過程中，都將微耕機(jī)刀輥切削反力當(dāng)作一個常量，這將影響微耕機(jī)振動特性的分析結(jié)果，不能全面揭示微耕機(jī)的振動特性，不利于有效振動抑制措施的提出。

4 微耕機(jī)模態(tài)仿真分析和整機(jī)動力學(xué)仿真

基于有限元的方法，求解微耕機(jī)主要部件的模態(tài)和振型，對于揭示微耕機(jī)振動特性，對主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改，減少由激振力引起的微耕機(jī)主要部件的局部共振具有重要意義。

任永豪[15]建立了微耕機(jī)旋耕刀輥的有限元模型，如圖4所示，求解了旋耕刀輥的自由模態(tài)和約束模態(tài)，基于LMSTEST-Lab系統(tǒng)測試了刀輥的自由模態(tài)，與有限元求解結(jié)果對比，驗證了模型的正確性。牛坡[16]、李果等[17]、王卓等[18]、王飆[19]基于有限元對微耕機(jī)扶手架進(jìn)行了模態(tài)分析，依據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，對扶手架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖5所示。王世猛等[20]根據(jù)有限元的方法等對微耕機(jī)變速器的模態(tài)進(jìn)行了分析，得到變速器的固有頻率和振型，結(jié)果表明，變速器固有頻率高于發(fā)動機(jī)和旋耕刀輥的激振頻率，不會發(fā)生共振。

圖4 微耕機(jī)旋耕刀輥振型圖

圖5 微耕機(jī)扶手架有限元模態(tài)分析模型

陳亞潔[21]建立了微耕機(jī)整機(jī)的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，如圖6所示，對整機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析，計算得到了整機(jī)的前十階模態(tài)。然后，分別將微耕機(jī)旋耕刀軸與土壤間的隨機(jī)激振力以及發(fā)動機(jī)的一階慣性力作為激勵，對微耕機(jī)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型進(jìn)行了仿真分析。王飚[19]以重慶地區(qū)常見的微耕機(jī)為例，采用有限元的手段對微耕機(jī)進(jìn)行了整機(jī)模態(tài)分析，結(jié)果表明影響該型微耕機(jī)振動性能的主要因素是刀輥和發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的低頻振動。微耕機(jī)的整機(jī)動力學(xué)分析，為揭示微耕機(jī)的振動傳遞路徑，對微耕機(jī)進(jìn)行整機(jī)動力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖6 自走式微耕機(jī)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型

5 微耕機(jī)振動抑制手段

目前，針對微耕機(jī)的振動抑制措施，以被控控制為主。比如，改進(jìn)發(fā)動機(jī)安裝架，安裝手柄隔振器，定期更換發(fā)動機(jī)安裝座處的減震墊，采用增強(qiáng)型玻璃纖維塑料作為微耕機(jī)的扶手架等，都可以有效減少傳遞到手柄上的振動。例如，孫玉華等[22]根據(jù)微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)和空間尺寸參數(shù)，設(shè)計了一種變剛度和變阻尼的磁流變彈性體隔振器，安裝在旋耕刀輥軸和發(fā)動機(jī)動力輸出軸之間，用于隔離受到復(fù)雜激勵源的微耕機(jī)刀輥的振動。Bini Sam等[23]在手扶式拖拉機(jī)扶手上設(shè)計安裝了隔振器，有效降低了扶手的振動，降低了扶手架振動對人體健康的危害，減少了扶手振動導(dǎo)致的白指病的發(fā)生。

基于微耕機(jī)整機(jī)及主要部件的有限元模態(tài)分析，探究微耕機(jī)振動傳遞路徑，優(yōu)化振動傳遞路徑，通過設(shè)置懸架系統(tǒng)，減小發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)因干擾引起的振動和沖擊，也可以有效降低微耕機(jī)的振動。此外，還有部分學(xué)者依據(jù)人體工程學(xué)理論研究了微耕機(jī)駕駛員的身體狀況與微耕機(jī)振動之間的關(guān)系，致力于提高微耕機(jī)使用過程中的舒適性，減小微耕機(jī)振動對人體造成的危害，延緩和減少振動綜合癥的發(fā)生。

6 結(jié)論

綜上所述，對微耕機(jī)振動的研究方法和內(nèi)容主要可以分為以下幾個方面：第一，多工況下微耕機(jī)的振動測試和信號分析；第二，微耕機(jī)彈簧質(zhì)量塊模型的建立和振動特性仿真分析；第三，基于有限元的微耕機(jī)機(jī)架和扶手架等關(guān)鍵部位的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；第四，基于動力學(xué)仿真分析的微耕機(jī)整機(jī)動力學(xué)特性和振動特性研究。

對微耕機(jī)振動的研究將向著以下幾個方面發(fā)展：第一，對微耕機(jī)刀具和土壤間的作用力進(jìn)行精確表征，并將其引入到微耕機(jī)振動模型中，對于研究微耕機(jī)的振動至關(guān)重要；第二，建立機(jī)電控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)耦合的微耕機(jī)振動整機(jī)模型，從整機(jī)的角度探討微耕機(jī)振動發(fā)生的原因，并對微耕機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；第三，對操作者和扶手之間的人機(jī)工程學(xué)特性進(jìn)行研究，設(shè)計合理的隔振器及配套的智能控制系統(tǒng)，提高操作過程中的舒適性，減少白指病的發(fā)生率；第四，隨著智能化微耕機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)了不需要扶手架的履帶自動式微耕機(jī)，針對履帶自走式微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，尤其是履帶的動力學(xué)特性，建立履帶式微耕機(jī)的振動模型，研究其振動特性，提出合理的振動抑制措施和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。