小型起垄施肥机振动特性研究

曲龙龙，吴雪梅，张康，符德龙

（1.550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院，2.551700 贵州省 毕节市 贵州省烟草公司毕节市公司）

0 引言

单位土地粮食产量技术对于我国赖以养活十几亿人口有着极其重要的意义[1]。施肥机被用于肥料的条播和穴播，有利于提高施肥效率[2]，而小型起垄施肥机在田间工作时的振动会严重影响到施肥机的施肥性能。一方面，机具的振动会引起各零部件的共振，从而损害小型起垄施肥机的重要零部件，使施肥机本身发生脆性断裂的可能性，还会导致施肥机出肥量的不均匀、不精确，降低施肥精度[3]；另一方面，小型起垄施肥机的振动加噪音会严重影响操纵者的身心健康[4]。

目前国内在施肥机振动对施肥量影响方面的研究鲜有报道，且大多数集中在播种机械振动方面。2015 年，刘月琴等[5]对气吸式免耕播种机排种装置进行了振动分析和基于响应面法的振动排种优化试验。通过对排种装置的模型优化和理论上的分析，得出了排种装置上种子振动受力分析方程式，再通过试验，得到振动因素对播种机的合格指数和漏播指数的影响优先级，并得出试验种子玉米在振动频率55～65 Hz，种盘转速为25-30 m/s2，真空度为3～3.5 kPa 的条件下，播种机的播种性能最好。2016 年，刘媛杰等[6]以棉花精量覆膜播种机为例，探究其在不同速度下的振动特性，对播种机在不同速度下的振动位移进行频谱分析。结果显示，棉花精量覆膜播种机的振动幅值与行驶速度成正比，而振动频率随着速度减小有增大的趋势。2017 年，姜化凯等[7]为了改善马铃薯播种机的漏播、重播问题，将振动排序技术引入马铃薯播种设备，对排种输送装置内部结构进行重新设计，并通过播种试验得到播种机的性能与工作符合要求。2019 年，刘虎等[8]在研究工作地表激励对吸式玉米高速精密排种器的影响时，使用振动测试、模态分析相结合的方法分析得出结果，播种机的行驶正常速度6～12 km/h 时，地表不平衡激励振动信号在3～10 Hz，远低于排种器振动频率53.8 Hz，玉米排种器在正常工作时不会因地表激励引发共振。

综上，对于小型起垄施肥机振动检测的研究意义重大。根据振动信号的特点开展减振研究，可以提高小型起垄施肥机的寿命与性能、工作效率以及减小对人体的损害。研究振动对排肥性能的影响，是实现精量施肥的关键技术。

1 小型起垄施肥机振动测试试验

1.1 小型起垄施肥机工作原理

小型起垄施肥机工作时，汽油机动力经皮带传输将动力传递至旋耕刀轴，实现旋耕起垄作业。机具设计有实现间歇排肥的排肥系统，行走轮处的速度传感器实时监测前进速度，并传输给控制器，根据机器前进速度、间歇式排肥轴转速和设定株距的匹配关系，可通过控制排肥轮轴的转速，实现不同株距的穴施肥。调整间歇式排肥器的工作长度，可实现每穴排肥量的精确控制。如图1 为小型起垄施肥机在田地工作时侧面图。

图1 小型起垄施肥机Fig.1 Small-ridge fertilizing machine

1.2 振动测试采集系统构成及测试流程

小型起垄施肥机振动测试系统由加速度传感器、动态测试与分析系统、振动信号采集软件（电脑）以及电源4 部分组成，如图2 所示。

图2 振动检测系统构成Fig.2 Composition of vibration detection system

施肥机振动测试试验采用电测法。使用DH311E 压电式加速度传感器采集振动信号，通过DH5922N 动态测试与分析系统将振动信号导入到电脑中，DHDAS 动态信号采集分析系统软件对振动信号进行分析处理。

1.3 试验过程

小型起垄施肥机振动信号采集选取排肥管、柴油发动机、车轮和把手处四处测试点，如图3 所示的位置就是传感器检测点。检测前，连接振动测量仪和传感器，打开DHDAS 动态信号采集分析软件，保证检测到的数据准确和稳定。开始检测后，采用控制变量法测量小型起垄施肥机行驶过程中的振动频率，施肥机以0.5 m/s 的速度前进，试验地垄高20 cm，垄底宽55 cm，试验次数为4 组，每组重复3 次，4 组实验都检测垂直方向上的振动信号，取平均值作为每组实验的测试结果。

图3 测试点位置Fig.3 Measuring points position

2 振动信号的处理与分析

2.1 振动信号的小波变换

小波变换可以很好地对振动信号进行降噪处理。小波分析对振动信号的各频率进行正交分解，获取各频率区内的信息[9]，在信号细节处理方面更为精准，振动信号经过小波去噪后没有冗杂、无泄露，信息量保留较完整[10]。

2.1.1 原始信号小波降噪

经测试得到小型起垄施肥机行驶过程中各部位的振动信号。振动信号中掺杂了环境噪音等造成的干扰信号[11]，利用origin 软件对原始振动信号进行小波去噪处理。料箱口处振动信号经小波去噪后的图像对比如图4 所示，

图4 小波降噪后的振动信号时域图Fig.4 Time domain diagram of vibration signal after wavelet denoising

由处理结果（图5）可知，排肥管原始信号振动频率110 Hz 处的信息被小波变换保留下来，并减弱了噪音信号的影响，振动加速度从11 m/s2减少到10 m/s2，而其他振动频率在振动加速度上也都有1～2 m/s2程度的消减。降噪后的信号与原信号相比，振动频率主峰值没有改变，数字上改变也不就很大，说明此次试验环境中的噪音信号对排肥管振动信号的影响远小于施肥机正常工作时自身的振动幅值。

图5 振动信号去噪处理后频域对比图Fig.5 Frequency domain comparison diagram of vibration signal after denoising

2.2 振动信号短时傅里叶分析

短时傅里叶变换通过时间窗内的一段信号表示原始信号在某一时刻内的信号特征，是用稳态分析方法处理非平稳信号的一种方法[12]。短时傅里叶变换处理小型起垄施肥机振动信号时，将时域与频域数据有机地统一起来，同时分析两者在振动加速度上的分量[13]。小型起垄施肥机料箱处振动信号的短时傅里叶变换处理后的时频分析如图6、图7 所示。

图6 振动信号的短时傅里叶分析三维图Fig.6 3D Graph of short-time Fourier analysis of vibration signals

图7 振动信号的短时傅里叶变换投影图Fig.7 Short-time Fourier transform projection of vibration signals

由图7 可知，小型起垄施肥机自身的振动频率在正常工作时基本不变，110 Hz 时振动加速度到达最大值，该频率的振源为柴油发动机的振动，而60 Hz 与180 Hz 的振动频率系小型起垄施肥机在行驶过程中地面不平激励所传递的振动。小型起垄施肥机在刚启动前几秒时振动频率都有偏低的倾向，是由于柴油发动机速度还未达到正常工作状态，施肥机未在试验地行走，导致各级振动频率偏低。

2.3 振动信号相关性分析

相干函数描述2 个信号在频域的相关性或相似程度，反映了系统输入与输出间的因果关系[14]。小型起垄施肥机正常进行施肥作业时，排肥口处的振动主要由发动机与地面不平度造成[15]，用origin对小型起垄施肥机不同测试点处的频域数值进行相干分析处理，获取不同振源与排肥口处振动的相关性。

2.3.1 排肥管处的振源比例

将排肥导管处振动频域值与发动机和车轮处的振动信号进行相干分析，结果如图8 所示。由图8 可知，发动机处对排肥管处振动的影响程度整体比车轮处的影响程度大。当振动频率f=110 Hz 时，排肥管与发动机的相干系数为0.92，而排肥管与车轮的相干系数为0.81，因此着重分析f=110 Hz 附近的相干系数，而次要分析频率在其他数值处的相干系数，并比较发动机和车轮对于排肥管处振动的影响大小。表1 为不同频率下排肥管与发动机和车轮振源的相干系数及两振源的重相干系数。

图8 排肥管振动与发动机和车轮振源的相干分析图Fig.8 Analysis diagram of coherence between the vibration of fertilizer discharge pipe and the vibration sources of engine and wheels

表1 排肥管振动与发动机和车轮振源相干系数表Fig.1 Coherence coefficients of fertilizer discharge pipe vibration and engine and wheel vibration sources

对比表1 和图8 综合得出，低频段处发动机和车轮对排肥管处的振动影响不大；在振动频率f为101，110，122 Hz 时，发动机和车轮对排肥管的振动相干系数很大，尤其是f 为110 Hz 附近，发动机与排肥管处的振动相关系数为0.98；相关性最大，车轮和排肥管的振动相关系数为0.89。二者的影响都较大。由此，发动机和车轮在振动频率为100～122 Hz 时对排肥管振动影响较大。

2.3.2 扶手处的振源比例

将扶手处振动频域图与发动机处和车轮处的振动做相干分析，如图9 所示。综合分析图9 和图10 发现，扶手振动频率大致集中在20～150 Hz，因此只分析这个范围的相关关系数值变化。

图9 扶手振动与发动机和车轮振源的相干分析图Fig.9 Coherence analysis diagram of armrest vibration and engine and wheel vibration sources

图10 扶手振动信号频域图Fig.10 Frequency domain diagram of armrest vibration signal

表2 为在不同频率下排肥管与两振源的相干系数及两振源的重相干系数。

表2 扶手与发动机和车轮振动信号相干系数表Tab.2 Coherence coefficients of vibration signals of armrest with engine and wheels

由图9、图10 及表2 可知，在9，19，40 Hz的低频处，扶手与发动机和车轮处的振动信号相关系数较大，数值大于0.92；在66，83，125 Hz 等处，相干系数较小；93 Hz 和110 Hz 处，车轮处明显大于发动机处的振动相干系数，说明高频振动处车轮对扶手的振动影响较大。研究发现，施肥机启动阶段，低频振动时，发动机振动和地面不平激励对扶手处的振动影响最大，在正常运行阶段，地面不平激励在93～110 Hz 处对扶手的振动影响较大。

3 结论

（1）由小型施肥振动信号频域图可知，排肥管处振动信号频率主要集中在110 Hz，在60 Hz 与170 Hz 也有少量分布，在小波降噪处理之后，频域图的主峰值并未发生太大变化，而其他小峰值都有衰减。说明在进行施肥工作时，小型起垄施肥机的排肥管处的固有频率为110 Hz，其他频率多数为噪音信号。短时傅里叶分析中还有时间上的差别，机器刚启动时振动频率明显低于正常工作时的频率。

（2）通过对振动信号进行的相关性分析可以看到，在不同频段发动机振动和车轮振动两振源对排肥管与扶手的振动频率影响程度各不相同，f=110 Hz 时，发动机与车轮的振动对排肥管的振动接近于1，可以根据两振源对排肥管振动的影响来合理减少或利用小型起垄施肥机的固有振动。

（3）在频域图中，扶手的振动频率大致有4个峰值：40，60，80，110 Hz，振动频率为60 Hz时振幅最大，两振源对扶手处的振动频率也有很大的影响，可依据扶手振动频率和作用大小来调节扶手振动频率，以减小振动对人体的伤害。