基于机土耦合的山地农机随机振动机理及特性研究

Agricultural machinery for mountain areas is rapidly expanding.But it is failed to achieve dynamic response parameters accurately and lack of evaluation methods and standards about vibration comfort. Therefore, in this project, we are devoted to researching random vibration mechanism and characteristics of agricultural machinery. We focus on the defect of a tiller such as violent vibration as well as poor comfort, and carry out the project on the basis of soil-tool coupling interaction. Firstly, based on the coupling dynamics theory , soil-tool coupling system dynamics model is established to reveal the dynamic coupling mechanism between the agricultural machinery and soil, where the impact of soil-tool coupling interaction on dynamic characteristics for the tiller is carefully considered. Secondly, based on random vibration theory and combined with computational mechanics methods such as pseudo-excitation method as well as precise integration method, some valuable exploration research for random vibration analysis and optimization of coupled soil-tool systems under random irregularity excitation is performed. Thirdly, MEMS sensor is introduced to testing system and a new test method is proposed to reflect the actual vibrational state of agricultural machinery. At the same time, it is aimed to achieve the vibration response of the tiller, which is helpful to inspect and modify the coupling model. Finally, the factors affecting vibration comfort of agricultural machinery are analyzed. The evaluation index system and method about vibration comfort are provided referring to relevant industry standards. All of this research lay a solid foundation for reducing vibration and improving comfort of agricultural machinery.

山地农机需求日益广泛，鉴于其田间作业时动力响应参数测不准，以及振动舒适性评价方法和标准缺乏的现状，本项目有针对性地开展山地农机随机振动机理及特性研究。项目围绕某微耕机耕作时振动剧烈、舒适性差的缺陷，从农机—土壤耦合角度开展研究。基于耦合动力学理论，充分考虑机土耦合作用对微耕机动态特性的影响，建立机土耦合系统动力学模型，揭示农机、土壤间动态耦合作用机理；基于随机振动理论，结合虚拟激励、精细积分等计算力学方法，发展有效的机土耦合系统随机不平顺激扰下振动响应行为预测理论与数值方法；将MEMS传感器引入农机测试系统，提出一种能够反映实际工况下农机振动状态的测试方法，实现基于机土耦合的微耕机振动响应参数的准确测试，并根据试验结果检验、修正模型；在此基础上，探明农机振动舒适性的影响因素，并借鉴相关行业标准提出科学的农机振动舒适性评价指标体系及评价方法。为山地农机减振及舒适性改善提供理论依据和科学参考。

山地农机需求广泛，鉴于其田间作业时动力响应参数测不准，以及振动评价方法和标准缺乏的现状，以南方丘陵山区常用的某微耕机为对象，有针对性地开展了微耕机随机振动机理及特性研究。1、测试了非作业状态时微耕机主要结构振动情况，结果表明：就最大振动加速度大小而言，保险杠>发动机>发动机托架>手柄>传动机构>齿轮箱，振动随发动机转速提高而增大；主要结构振幅峰值频率分布不集中，在较宽泛频率范围内都有可能引发共振。2、结合前述测试结果，将振动最为剧烈的结构（保险杠），振动源结构（发动机）以及人手直接接触结构（操纵装置）作为关键柔性体部件，通过计算模态及试验模态分析，验证了相应有限元模型的正确性。3、根据微耕机结构特点和装配要求，确定了整机拓扑结构及约束关系，基于锥度角理论计算了螺栓结合面的约束刚度和阻尼参数，建立了微耕机整机刚柔耦合动力学模型。结果表明：基于刚柔耦合模型的整机模态振型与基于有限元模型的一致，模态参数相近，固有频率相对误差<15%。这说明所建立的微耕机刚柔耦合动力学模型有效，能较好地反映微耕机整机的动态特性。4、考虑旋耕部件的影响，修正、完善了微耕机刚柔耦合动力学模型；依据田间试验实测数据，确定了微耕机最佳耕作深度范围，搭建了土槽试验环境；在此基础上，确立了振动仿真的激励条件，并基于仿真实现了微耕机随机振动响应参数的测试。结果表明：仿真所得到的该型微耕机典型转速工况下手柄处的振动特性曲线与试验曲线吻合，加速度有效值误差<5.4%。这说明运用多体系统刚柔耦合动力学建模理论与有限元相结合的方法研究微耕机整机振动特性是可行的。5、研究了手传振动测量评价标准及方法，开展了微耕机手传振动的试验研究，并基于振动总值对微耕机手传振动暴露进行了分析评价。结果表明：长时间操作该型微耕机，其手传振动已超出欧盟指令规定的作用值2.5m/s2，会影响操作员身体健康。研究成果可为山地农机减振及舒适性改善提供理论依据和科学参考。

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