割草机离合器质量不平衡对振动的影响

摘" 要：为减小割草机手柄的振动，提高安全性和操作性，以实际工作传递路径分析离合器端盖的上下及左右方向振动对割草机手柄振动的影响。结果表明，离合器左右方向振动对手柄前后方向振动的影响显著，通过在离合器离心块位置相反方向附加微小的配重，打破离合器的动平衡，尽管离合器的上下方向振动略有增加，但左右方向振动明显降低。采用离心离合器不平衡质量法，可以使手柄前后方向的振动加速度大幅减少约10 dB左右，减振效果明显。

关键词：割草机；振动；离合器；惯性力；不平衡

中图分类号：S817.111" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）32-0082-05

Abstract： In order to reduce the vibration of the mower handle and improve safety and operability， the influence of the vibration of the clutch end cover in the up and down and left and right directions on the vibration of the mower handle was analyzed based on the actual working transmission path. The results show that the left-right vibration of the clutch has a significant impact on the front-back vibration of the handle. By adding a tiny counterweight in the opposite direction to the position of the centrifugal block of the clutch， the dynamic balance of the clutch is broken. Although the up-and-down vibration of the clutch increases slightly， the left-and-right vibration is significantly reduced. Using the unbalanced mass method of centrifugal clutch can greatly reduce the vibration acceleration in the front-rear direction of the handle by about 10 dB， and the vibration reduction effect is obvious.

Keywords： lawnmower; vibration; clutch; inertia force; imbalance

割草机能够轻松处理田埂、草坪、山林等地生长的杂草，是全世界被广泛使用的农业机械之一[1]。目前，已开发、销售的各种类型的割草机中，侧挂手持式割草机因价格便宜、携带方便、便于操作等特点使用广泛[2]。但是，由于割草机的刀片高速旋转，容易发生事故，安全存在较大的隐患。另外，野外使用的割草机基本采用引擎来传递动力，操作中振动很大，日常使用中会使操作者手臂麻痹，工作效率降低，长期使用会造成操作者手腕神经障碍症状[3-4]。因此，减小割草机的振动至关重要。

减小割草机振动，除了对输入振动的引擎进行减振，对传递振动部件及手柄部也要采取减振措施。引擎转速（频率）在一定的范围内，虽然可通过传动系统的固有频率避开共振措施起到减震效果，但是引擎转速从4 000 rpm到9 000 rpm较大范围内变化，因此难以实现在引擎较大转速范围内通过传动系统的固有频率避开共振措施实现减震[5-6]。设计割草机时主要避免使用中高速区域产生共振现象，以减少来自引擎输入的振动。目前，割草机的引擎大多是采用通用型号，专为割草机设计引擎成本较高，因此，减振主要集中在传动系统。

本研究中，为了减小割草机振动，在不改变引擎规格的前提下，尝试通过改变连接引擎的外部离心离合器的结构来控制输入，以减小割草机手柄部的振动，为割草机减震提供依据。

1" 割草机振动的原因及振动检测

1.1" 割草机实际运行时振动测量

为了查明割草机手柄振动产生的原因，需要检测振动及振动频率特性，振动检测用的割草机如图1所示，为了防止因回转造成事故，将割草机设计成即使操作者放开方向手柄，旋转刃面也与地面平行的侧挂式割草机。

割草机传动采用柔性轴，动力源使用4冲程的单缸汽油机。为了测定该割草机工作时的振动，引擎运转时手柄两端用手握持状态下进行振动测量。另外，在离心离合器打开且旋转刃与引擎同步旋转的状态下测量引擎转速，测量范围为从5 000～9 000 rpm，每增加1 000 rpm分别测量左手柄在左右方向上振动，测量时间为10 s。

图2展示了引擎旋转速为5 000 rpm和7 000 rpm时，振动频率分析结果。图2中，纵坐标表示振动加速度，横坐标表示频率。可见，引擎转速在5 000 rpm时，振动频率最大为83 Hz，在7 000 rpm时，振动频率最大为117 Hz。该频率是在各自转速下相对于引擎旋转1个循环振动的频率，转速提高振动频率增大。

1.2" 曲柄滑块机构的惯性力与手柄振动之间的关系

从以上实验结果可知，割草机的手柄振动主要由引擎曲柄活塞机构旋转引起。因此，研究引擎活塞在上下方向（垂直方向）上运动时产生的垂直和水平方向惯性力对手柄振动的影响至关重要。引擎旋转1周时，沿手柄方向（左手柄的前后方向）振动加速度为Ah，引擎产生的垂直和水平惯性力分别为FV和Fh，并且沿垂直和水平方向传输到手柄的传递函数是HV和Hh，则手柄上产生的振动可以用式（1）表示[7-8]。

本研究中，主要通过探讨改变振动传输来降低手柄振动。引擎活塞沿上下方向运动时，由曲柄活塞机构产生的上下方向惯性力如式（2）所示。

式中：FV是上下方向的惯性力，m是往复运动活塞的重量，r为引擎曲柄长度，ω为曲轴回转的角速度。λ表示由连杆的长度L和曲柄的长度r之比。角度θ为以活塞的上止点为基准的回转角度[9-10]。

从实验结果可以看出，引擎回转1周产生振动相当于输入到手柄上的振动。曲柄活塞系统的垂直惯性力将变为式（3）。

通常，在引擎传动中，为了减轻该垂直惯性力，如式（4）所示，在曲轴上安装质量为mCW的配重。

式中：rcw是从曲轴的旋转中心到配重的重心的长度。通过以这种方式安装配重，可以减小垂直方向上的惯性力，但是由于新增加了旋转方向的惯性力，因此在水平方向上将增加如式（5）所示惯性力Fh。

割草机中，由引擎旋转产生的垂直和水平惯性力通过离合器和柔性传动轴传递，从而导致手柄的振动。

1.3" 离心离合器质量不平衡对振动的影响

如上所述，只考虑引擎时，通过在曲轴上安装配重，可减小引擎垂直方向上的惯性力，但是，增加了水平方向上的惯性力。本研究中，产生引擎的惯性力不是引擎内部部件，而是通过调整连接引擎和割草机的旋转轴的离心离合器回转平衡质量来控制惯性力。

为使离心离合器质量不平衡，在离心离合器上安装较小质量配重。当配重安装在如曲轴同相的位置时，上下和左右方向上的惯性力变化如图3所示。具有与增加曲轴配重质量相同的效果。图3（a）中，上下方向输入手柄振动减少，相反在左右方向上振动增加。当将配重安装在反相侧如图3（b）所示，上下方向的输入振动增加，左右方向上的输入振动减小。可见，仅从引擎角度考虑时，在曲轴上增加重量可减小一个方向上的惯性力，但增加了另一方向的惯性力，整体来看，不会使引擎输入惯性力减少。然而，当使用割草机时，操作者很少直接接触引擎，握住手柄来执行作业。此时，如式（1）所示，手柄的振动通过来自引擎的输入（惯性力），操作者容易受到振动的影响。

因此，当考虑引擎对手柄振动的影响程度时，如果引擎上下方向振动对手柄影响较小，而左右方向的影响较大时，可采用配重方式，通过选择性地减小左右方向上的输入，减小手柄振动。

2" 手柄振动的传递路径分析

2.1" 传递路径分析

传递路径分析（Transfer path analysis-TPA）是一种通过实验来跟踪由源经过一系列一致结构或空气传播路径传递到指定接收点能量流贡献点的分析方法。本研究应用该方法时，不使用输入信号，而是参照在振动输入部位附近测量的振动加速度，将贡献分离对象部位作为响应点，实现来自各参考点对响应点的贡献，只使用工作时测量的信号进行分析。因此，选定了离心离合器的端盖部作为参考点，测定引擎旋转一个循环时的上下和左右方向的惯性力输入到连接割草机部位的离心离合器端盖部振动加速度（图1）。左手柄作为响应点，采用左手柄的前后方向以及左右方向的振动加速度（图1）。

实际运行过程中，TPA的分析流程为，同时测量从参照点和响应点的振动加速度，计算传递函数（信号从参照点传递到响应点的振动传输特性），计算出的传递函数与实际工作时的参照点振动相结合，从各参照点到响应点分析计算贡献度。计算传递函数时，使用主成分回归法的多变量分析方法，从实际工作状态的信号计算传递函数。图4为应用主成分回归法计算传递函数的流程。

首先，对同时测量的参考点和响应点信号进行频率分析，响应点矩阵[Aout]由参考点矩阵[Ain]和传递函数矩阵[H]的乘积表示，如式（6）所示

[Aout]=[Ain][H]，" " " " " " " " " "（6）

式中：当参考点矩阵[Ain]分解为奇异值时（图4实线框内），[Ain]为式（7）

[Ain]=[U][S][V]T 。" " " " " " " （7）

计算主成分如式（8）所示

[T]=[Ain][V] 。" " " " " " " " " " （8）

此时，[V]是用于将参照点矩阵[Ain]转换成主成分矩阵[T]的系数矩阵。然后，如式（9）所示，用主成分矩阵[T]和响应点矩阵[Aout]（图4中的虚线框内）进行多元回归分析，[B]为多元回归分析中的偏回归系数。

[Aout]=[T][B] ，" " " " " " " " " " （9）

[B]=（[T]T[T]）-1[T][Aout] 。" " " （10）

系数矩阵[V]和[B]的乘积是主成分回归方法中的传递函数矩阵[H]。

[H]=[V]（[T]T[T]）-1[T]T[Aout] 。" " " （11）

通过将每个参考点处测得的实际运行状态下的振动加速度乘以传递函数，可计算出每个参考点对响应点的贡献度。以上是通过主成分回归方法得到的传递函数对响应点的贡献流程。

2.2" 手柄振动试验

为了明确实际传递路径TPA对割草机手柄振动的影响。如上所述，响应点信号是左手柄的前后和左右振动，而参考点信号是离心式离合器外盖的上下和左右方向振动（图1）。测定这4个位置上的振动加速度信号时，引擎在离心离合器打开的情况下，在20 s内将转速从6 000 rpm均匀加速到8 000 rpm。然后，将测得响应点和参考点的每个部分的振动加速度信号，利用TPA方法计算离心离合器端盖部在每个方向上对手柄部分的贡献度。图5所示为离心离合器端盖振动对左手柄前后方向（图5（a））和左右方向（图5（b））振动的影响。

图5中由总振动，离合器左右方向和离合器上下方向振动组成，纵坐标表示引擎回转1周时的振动加速度，横坐标为引擎转速。可见，对左手柄的前后方向振动（图5（a）），离合器的左右振动贡献大于上下振动的贡献，而左手柄的左右振动（图5（b）），离心离合器的上下振动贡献和左右振动贡献随着引擎转速的变化而变化，看不出较为明显的趋势。可见，离心离合器左右方向振动对于手柄的前后振动影响显著；垂直方向振动对手柄振动影响较低，因此，引擎的曲柄活塞机构中，左右方向的振动将严重影响到手柄前后方向的振动。

3" 减小手柄振动措施

以上分析可知，割草机左手柄的横向振动很大程度上是由离心离合器的横向振动引起的，也就是由发动机曲轴活塞系统横向惯性力造成的振动。垂直方向的输入对手柄振动的影响程度较小。因此，即使离心离合器垂直方向存在明显的振动对手柄的影响也不大。

改变构成离心离合器的2个相同形状的轴瓦之一的重量来减小横向惯性力（离心离合器盖的横向振动），使之达到动平衡效果。为了减小离心离合器的横向振动，实验中，考虑到离合器轴瓦的形状和安全性，将6 g质量配重配置在计数重量反侧距旋转中心15 mm的位置。这样就改变了离心式离合器原有的质量平衡，使离心离合器本身的质量不平衡。为了确认不平衡离合器对手柄减振效果，割草机在运行时，测量离心离合器端盖在上下及左右方向振动以及左手柄的前后和左右方向的振动，并与改造前离心离合器产生的振动作比较。图6（a）和6（b）分别示出了离心式离合器结构改造前后的上下和左右方向产生的振动比较。纵坐标表示旋转时的振动加速度值，横坐标为引擎转速。可见，改造后的平衡离合器端盖的上下方向上的振动稍微增大（图6（a））， 但是，左右方向振动明显降低（图6（b）），降低约为10 dB。这主要是通过使离心式离合器的质量不平衡而减小了曲柄活塞机构在左右方向上的旋转惯性。

4" 结论

本研究中，为了降低割草机手柄振动，以通用引擎作为动力源的侧挂式割草机各部位振动进行了测量，结果如下。

1）通过对割草机振动检测，表明引擎的旋转惯性是增加手柄振动的主要原因。

2）采用实际运行中的传递路径分析TPA计算引擎上下和左右方向惯性力对手柄振动影响时，离心离合器左右方向振动的影响较大，因此，降低左右方向输入可减小手柄振动。

3）为了减少左右方向的输入，在离合器上与计数重量相反方向安装了配重，离心离合器端盖的左右方向的振动明显较低，不平衡离合器可对手柄在前后方向起到减振效果。

参考文献：

[1] 宋月鹏，张韬，樊桂菊，等.国内外果园生草技术及其刈割机械的研究进展[J].中国农机化学报，2017，38（5）：111-117.

[2] 杨莉.牧草割草机研究现状与发展趋势[J].中国农机化学报，2019，40（11）：35-40.

[3] 叶钰，袁江，邱自学.高速电主轴热误差及振动测试系统设计与实验[J].机械设计与制造，2021（12）：159-168.

[4] 邬备，王德成，王光辉，等.割草机切割压扁装置运行参数优化与试验[J].农业机械学报，2017，48（10）：76-83.

[5] 邹喜红，石晓辉，施全，等.基于速度与频率加权的摩托车舒适性评价[J].中国机械工程学报，2011，22（11）：1362-1365.

[6] 邬舟平，赵维刚，袁定新，等.高速砂轮电主轴系统阶次振动研究[J].机械设计与制造，2018（6）：196-199.

[7] 徐元博，蔡宗琰，胡永彪，等.强噪声背景下频率加权能量算子和变分模态分解在轴承故障提取中的应用[J].振动工程学报，2018，31（3）：513-522.

[8] 陈长，梁远路，薛博阳，等.车辆振动特征与人体乘坐舒适性的关系[J].同济大学学报（自然科学版），2020，48（7）：1007-1015.

[9] 胡启国，周龙龙.车室低频噪声次级传递路径分析及降噪控制[J].噪声与振动控制，2020，40（1）：80-85.

[10] 侯锁军，史文库，毛阳.应用传递路径分析方法对方向盘抖动贡献量的研究[J].西安交通大学学报，2013，47（3）：132-136.