刘媛杰 ，胡　灿，朴在林

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔　843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔　843300；3.沈阳农业大学 信息与电气工程学院， 沈阳　110866)



棉花覆膜播种机振动测试试验与激励源分析

刘媛杰1，2，胡灿1，2，朴在林3

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔843300；3.沈阳农业大学 信息与电气工程学院， 沈阳110866)

摘要：南疆棉田中大量的田间杂物对播种机造成了较大的振动影响，降低了排种器的排种精度。为了测试不同作业速度下的播种机振动特性，以2BMJ-8/2 型机械式棉花精量覆膜播种机为测试点，利用测振仪器布置测点，测试在不同作业速度下的振动位移，并对测试数据进行频谱分析。结果表明：覆膜播种机作业速度为9.8～10.5km/h时，振动幅值主要发生在低频0～10Hz的频率段，受到的振动激励主要为田间杂物的缠绕、土块振动等影响；覆膜播种机作业速度为7.5～8km/h时，播种机振动幅值明显减小，能保持较优的作业效率，工作状况为最优；覆膜播种机低速作业时，振动幅值较小，振动频率在0～50Hz之间，与柴油机的振动频率接近，振动激励主要来自于拖拉机动力振动。

关键词：棉花；覆膜播种机；振动测试；频谱分析

0引言

春耕季节，新疆棉花主要以大型机械化方式进行覆膜播种。目前，采取的播种作业包括滴灌带布置、地膜覆盖、开沟覆土及精密播种等作业工序。随着长期覆膜播种耕作的进行，农田中残留了大量的农用残膜、棉茬等田间杂物，播种机以不同的作业速度进行播种作业时，田间杂物对播种机造成了较大的振动影响，从而降低了精密播种机的排种性能[1-2]。因此，研究播种机作业速度与振动影响之间的关系，对提高排种精度与准确度有着重要的实际意义。

在播种机振动特性的研究上，张晓冬等对农田的不平度激励振动进行了力学建模分析，分析了农田不平度振动激励对铲式玉米精密播种机播种性能的影响，并建立了播种机受不平度振动稳态响应与理论粒距关系的数学模型[3]。刘月琴等利用排种实验台，对免耕方式下气吸式播种机排种装置的受田间杂物的振动激励影响进行了实验测定。结果表明：玉米排种时受播种机作业速度影响最大，经测试最优的种盘速度为25～30m/s，此时的排种性能最好[4]。

为此，针对南疆棉田春耕联合播种机械的受振动影响下机械式旋播器的排种现状，结合棉花种植的农艺技术，利用振动测试设备及相关振动分析软件，测试了联合播种机在受到田间杂物影响下的振动特性，旨在为进一步研究机械式旋播器的振动激励影响提供技术参数与参考数据。

1试验装置与测试设备

1.1　棉花精量覆膜播种机的主要技术参数

南疆棉田的播种作业机械中，机械式排种器结构简单、可靠性较高，在实际生产中得到了广泛应用。振动测试试验采用2BMJ—8/2 型棉花机械式精量覆膜播种机进行播种作业，如图1所示。该机采用水平圆盘机械式排种器，作业幅宽为2.2m，配套动力为37kW，最大作业速度可达11.0km/h，正常作业时生产率为0.69hm2/h；播种作业时，可一次性进行滴灌带铺设及地膜覆盖等作业，是南疆干旱区最常用的播种作业机械[5]。

图1　2BMJ—8/2 型机械式棉花精量覆膜播种机

1.2　振动测试的主要设备

棉花精量覆膜播种机的振动测试仪表设备主要包括两部分：一是现场各测量点的传感器及信号变送装置；二是是对现场传感器数据的采集、A/D转换处理、振动信号显示及频谱分析等。

1)现场的振动测量传感器。现场振动测量传感器采用磁电式速度传感器，其在振动测量时优化了压电式传感器在低频振动信号采集时测量精度不够的问题，具有更好的精度及可靠性。现场传感器采用江阴众和公司生产的SZ-6型磁电式速度传感器，测振量程为0～500mm，输出信号为4～20mA电流信号；信号通过现场变送器输入到数据采集卡，数据采集卡可进行A/D转换，将数据输入至显示仪表与计算机上，可方便地进行振动试验的记录。

2)数据记录与处理。通过对播种机进行振动测试试验后，数据通过计算机实时自动获取与保存。同时，利用MatLab 7.0软件与FFT频谱分析方法对数据进行频谱分析，以得出各种状态下的振动激励变化。FFT频谱分析方法是一种最用的振动信号分析方法，主要用于振动数据处理与频谱分析[6-7]。

2振动测试试验方法

2.1　测点的布置

覆膜播种机进行田间作业时受到的振动激励是多方面的振动影响，根据覆膜播种机的结构，主要在排种器各个平面进行振动传感器的布置。以排种器为基准坐标，垂直于地面的方面为Z方向，排种器的左、右振动方向分别为X、Y方向。在不同的方向分别安装传感器，以确保测试出各个方向的振动位移[8]。

2.2　测试的方法

测试试验主要以播种机作业速度作为主要的参考依据，测试在不同的播种速度下播种器振动变化情况。根据棉花播种机的各类进行参数，设计了高速、中速与低速3种播种机作业速度，分别为：高速9.8～10.5km/h，中速7.5～8km/h，低速4～4.5km/h。根据田间地表状况的不同，每种速度下进行3组单因素的测试试验，将测定后的振动值取平均值，记录3种速度下的单因素试验结果。

3测试结果与分析

3.1　测试结果

振动试验记录了播种机在高速、中速与低速3种作业速度下的气吸式精量播种器X、Y、Z方向的振动值。表1显示了播种机高速作业时的播种器各测点振动值。结果表明：Z方向垂直于地面的振动为播种器受到田间杂物等因素影响的主要振动，振动的幅值较大，最大时达到0.8mm的振动幅值，影响播种器的排种性能；X、Y方向的振动幅值较小，振动的频率主要集中在较低的频率段，对播种器的排种性能影响较小。表2、表3分别为播种机中速作业时的播种器各测点振动值。其中，Z方向仍为振动的主要发生方向，振动幅值明显高于其他方向的振动；播种机作业速度对振动值影响显著，同样的播种模式下，降低速度，可使振动值明显减小。

表1　播种机高速作业时的各测点振动值

表2　播种机中速作业时的各测点振动值

表3　播种机低速作业时的各测点振动值

3.2　振动激励源分析

根据振动测试结果，Z方向为振动的主要方向，对Z方向的垂直振动进行频谱分析可揭示不同作业速度下的振动值频谱分布规律。利用MatLab 7.0软件与FFT频谱分析方法，对测试后的试验数据进行处理与频谱分析，得到3种转速下的播种机Z方向频率振动特点。 图2所示为2s时间内播种机高速作业时的瞬间垂直振动图。

图2　播种机高速作业时的振动信号

图3 所示为覆膜播种机高速作业时Z方向的振动频谱。图3中，较大的振动幅值主要发生在低频0～10Hz 的频率段。其中，2.5Hz时与7.5Hz时振动的幅值最大，达到0.8mm的振动值，结合田间实验，此时为田间较大土块和杂物对地轮的振动影响；4.5～5.5Hz频率段振动幅值为0.4mm，振动频率较为集中，结合田间实验，此时一般为播种机传动机构受到田间杂物的缠绕影响。

图4 所示为覆膜播种机中速作业时Z方向的振动频谱。图4中，较大的振动幅值主要发生在低频0～5Hz 的频率段。其中，0.5Hz时与2.5Hz时振动的幅值较大，分别达到0.6mm与0.8mm的振动值。频谱分析的结果表明：播种机作业速度为7.5～8km/h时，播种机振动幅值明显减小，且播种效果良好；根据大面积播种作业速度不低于8km/h的要求，中速作业时的振动幅值与作业效果为最优。

图3　播种机高速作业时Z方向的振动频谱

图4　播种机中速作业时Z方向的振动频谱

图5所示为覆膜播种机低速作业时Z方向排种器与播种机本体合成的振动频谱。低速作业时，振动发生的幅值较小，振动的影响主要来自于拖拉机动力振动，最大振动幅值为0.5mm，振动频率在0～50Hz之间，与柴油机的振动频率接近。因此，在低速作业时，由于田间杂物振动激励影响减小，主要的激励源来自拖拉机动力振动激励。

图5　播种机低速作业时Z方向的振动频谱

4结论

1)测试结果表明：在作业速度较高时，垂直于地面的Z方向振动为排种器受到田间杂物等因素影响的主要振动，振动的幅值较大，最大时达到0.8mm的振动幅值，影响播种器的排种性能；X、Y方向的振动幅值较小，对播种器的排种性能影响较小。

2)覆膜播种机作业速度为9.8～10.5km/h时，振动幅值主要发生在低频0～10Hz 的频率段，受到的振动激励主要为田间杂物的缠绕、土块振动等影响。覆

膜播种机作业速度为7.5～8km/h时，播种机振动幅值明显减小，播种效果良好，能保持较优的作业效率，此时的工作状况为最优。

3)覆膜播种机低速作业时，振动幅值较小，振动的影响主要来自于拖拉机动力振动，振动频率在0～50Hz之间，与柴油机的振动频率接近。

参考文献：

[1]王颖,李成华,王慧慧.铲式玉米精密播种机振动对播种质量影响的试验[J].农机化研究,2008(8):124-126.

[2]胡军.精密播种单体播深控制的理论与试验研究[D].长春：吉林大学,2012.

[3]张晓冬,李成华,汤秋艳,等.铲式玉米精密播种机振动特性试验[J].沈阳农业大学学报,2009(6):732-735.

[4]刘月琴,刘汉涛,赵满全,等.气吸式免耕播种机排种装置的振动试验分析[J].农机化研究,2015,37(4):145-149.

[5]董春旺,毛树春,胡斌,等.盘吸式穴盘播种机抛振系统运动分析与优化[J].农业工程学报,2010,26(6):124-128.

[6]张晓冬,李成华,李建桥,等.铲式玉米精密播种机振动特性模型建立与试验[J].农业机械学报,2014,45(2):88-93.

[7]曹文,丁俊华,李再臣.机械式精密排种器的研究与设计[J].农机化研究,2009,31(7):142-145.

[8]陈绍斌.精密播种机监测系统的研究与开发[D].杨凌：西北农林科技大学,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

中图分类号：S23-0;S237

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0151-04

作者简介：刘媛杰(1982-)，女，陕西府谷人，讲师，(E-mail)liuyuanjie2005@163.com。通讯作者：胡灿(1983-)，男，湖南益阳人，讲师，(E-mail)hucanboy1@qq.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201503105)；塔里木大学校长基金项目(TDZKSS201412，TDZKQN201510)

收稿日期：2015-07-13