面向农业机械的惯性摆式俘能器特性研究与试验验证

俘能器可以俘获农业机械振动产生的能量并供电传感器。该研究设计并制作了一种惯性摆式振动俘能器，以配重块质量、惯性摆半径、不同激励振幅为控制变量，以俘能器输出峰值电压为优化目标，研究了俘能器的能量俘获特性。试验结果表明：俘能器能量收集能力与正弦激励幅值和惯性摆半径正相关；当俘能器惯性摆半径R较小的情况下（R=30 mm），俘能器能量俘获能力与其配重块质量正相关；当俘能器惯性摆半径R较大的情况下（R=60 mm），俘能器能量俘获能力与其配重块质量无明显相关关系。惯性摆半径为30 mm，且安装配重块（40 g）的俘能器在实测农业机械振动谱激励下可产生4.2 V的峰值电压输出，验证了其能够为储能设备供电（>1 V）的可行性。整流后的俘能器能够带动传感器负载（驱动电压为1.5 V的温湿度计）正常工作，显示了其实用性。俘能器在牧草收割机不同安装位置下的性能试验表明其安装环境适应性好，可以安装在农业机械典型振动部位，如工作部件、底盘、悬架、驾驶室和储货仓。为了得到更优的能量俘获性能，应优先考虑安装在振动较强的部位。该研究可促进农业机械传感器和执行器的无源化进程，符合未来智能农机的发展需求。     

基于离散元的排种器排种室内玉米种群运动规律

高寒干旱地区免耕地表播种作业时,排种器振动与种群运动状态对气吸式排种器的吸种性能有较大影响。为研究气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动参数及振动对排种器内玉米种群运动的影响规律,该文采用BK加速度传感器和Pulse LAN-XI振动测试系统,对2BM-5型气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动特性进行了测试,并应用Matlab软件对振动信号进行了分析。在此基础上基于离散元法模拟了在田间作业振动条件下玉米种群运动规律,并基于室内台架试验进行了验证。播种机田间作业振动信号分析结果表明:播种机前进速度为2、3、4、5、6、7 km/h时,排种器振动的位移功率谱密度较大值的频率为5、6、7 Hz,排种器振动的幅值由2.4到7.9 mm线性增加。由离散元方法仿真得到了种子室内玉米种群最大速度、种群平均速度与播种机作业速度的拟合曲线。台架验证结果表明:气吸式排种器排种性能较好的作业速度为3~5 km/h,较好的振动幅值为6 mm;种群最大速度范围为0.120 3~0.224 3 m/s,种群平均速度范围为0.080 7~0.141 3 m/s,吸种区种群最大速度范围为0.127~0.26 m/s时,气吸式排种器吸种性能较好。该研究可为免耕播种机气吸式排种器吸种性能的提高提供参考。     

齿轮箱振动与输入能量信号的频域相干分析与关系识别

为了提高旋转设备诊断效率、发展基于设备输入能量信号分析的故障诊断技术,该文提出并论述了输入能量信号分析方法在设备故障诊断技术研究中的有效性。首先从齿轮箱振动机理角度分析了传动能量与振动信号之间的关系,指出轴系扭矩及输入功率是齿轮静态传递误差的激励,进而导致振动信号的产生;其次通过建立齿轮传动能量与振动关系模型,利用相干函数以概率统计的形式揭示了输入能量与振动信号响应之间的关系;最后通过正常与断齿齿轮的对比试验,验证了功率信号的频谱特征与传统的齿轮故障振动频谱相一致,亦具有表征齿轮箱工况的明显作用,同时分析了振动和功率信号的自功率谱和互功率谱,利用相干分析方法,从经典控制理论角度验证了二者所呈现出的强相关性。该文为以能量信号分析为核心的旋转设备故障诊断技术的研究提供参考。     

指夹式玉米免耕精密播种机振动特性及对排种性能的影响

为研究2BMZ-2型指夹式玉米免耕精密播种机在免耕地表作业时的振动特性及振动对排种器排种性能的影响规律,建立了整机振动特性模型,求解其稳态振动响应;测试播种机在免耕地表作业时排种器振动特性。搭建振动排种试验台模拟田间作业振动环境,测试机械振动对排种器性能的影响规律,并运用高速摄像和与图像目标追踪技术研究籽粒落种运动规律。结果表明,播种机的振动特性主要决定于作业速度、地表及土壤情况和播种机的结构特性。播种机前进速度在5～9 km/h范围内,播种机振动能量的频率分布主要集中在低频段的3～11 Hz;前进速度越大,振动加速度越大,但不影响振动能量的频率分布。机械振动对排种器充种性能无显著性影响,对播种性能具有显著性影响的试验指标为播种合格率、粒距纵向变异系数和粒距横向变异系数(P0.05);试验因素对排种均匀稳定性影响的主次顺序为排种轴转速、振动加速度、振动频率;各试验因素的增大均使籽粒下落轨迹及落点更加离散、落种范围增大,且增大排种轴转速使落种点位置逐渐远离投种初始位置。该研究为免耕播种机指夹式排种器排种性能的提高提供了参考。     

免耕播种机气吸式排种装置振动特性的测试与分析

摘 要：为了确定免耕播种机的作业速度并合理设计其气吸式排种器,该文对免耕播种机气吸式排种装置在实际作业过程中所受的地面振动激励进行了实地测试与正交试验。经过测试获得了播种机所受地面振动激励的特性和主要参数。研究结果表明,地面的振动激励可以用主频进行模拟,其中主频的频率范围大约是35～70 Hz,主频的加速度范围为0～39.49 m/s2。正交试验分析表明,机器作业速度是影响振动频率与振幅的主要因素。     

基于时频和功率谱密度的移栽机振动特性测试与分析

针对移栽机机械受激励产生振动影响取苗、顶苗工作稳定性的问题,该研究以2ZTT-2型顶夹式气动蔬菜移栽机为研究对象,对移栽机的振动特性进行研究。采用时频分析和功率谱密度分析相结合的方法,得到信号能量在时间轴以及频率轴上的分布特征,并运用锤击法,研究了不同工况下各测点主要频率与该测点代表运动部件的前5阶固有频率之间的对应关系。试验结果表明:取苗摆动装置运动、苗盘横移是移栽机的主要振源,取苗机械手开合、顶苗机构伸缩是振动的次要原因。振动信号频率主要分布在低频频率(0～10 Hz)处,取苗摆动装置运动时加速度振动幅值为5.43 m/s2,整机运转时为1.71 m/s2,振幅下降了68.51%,并且移栽机取苗摆动装置运动所引起的主要振动频率(6.10 Hz)与对应测点处的第5阶固有频率(6.25 Hz)相近,发生了共振现象。研究结果可为移栽机振动特性分析、结构优化设计提供参考。     

传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计

农田复杂环境及大面积监测需求对农业物联网传感器节点的供电提出了极大挑战,而环境能量收集技术则使低功耗农业物联网传感器节点的自供电及免维护成为可能。针对传统能量收集装置中收集的环境能量单一有限、装置体积大、可靠性差的问题,该文提出了一种新型混合环境能量一体化收集系统。该系统定位于环境中普遍而丰富的射频电磁波能量和振动能量,通过射频收集天线和压电陶瓷的有效结合,同时收集2种环境能量,并经整流转换成直流电能。能量收集天线使用普通FR4印刷电路板实现,工作在手机通信频段1.9 GHz(3G频段),测试的回波损耗为-20.5 d B,对电磁波能量收集的最高输出功率可达到38 mW,测得收集到的振动能量最大输出功率可达到25 mW,满足低功耗传感器节点的功率需求。该装置不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力,还大大降低了传统混合系统的尺寸,可为农业物联网快速发展中的传感器节点可靠供电问题提供参考。     

犁耕和旋耕作业发动机载荷的统计特性

了解发动机载荷动态特性是对发动机及机组系统进行动态性能分析和动态匹配的前提。该文根据对田间试验和土槽试验数据的各种统计检验,总结了犁耕和旋耕作业时发动机载荷阻转矩的一些基本的统计特性。证实了犁耕作业发动机的载荷可以认为是平稳的正态分布的随机载荷,其功率谱曲线的谱峰在低于2Hz处;旋耕作业发动机的载荷是兼有随机成分和周期成分的动态载荷,其中周期谐波的基频为刀轴转速,随机成分一部分能量集中于基频以内,部分分布于较宽频率范围。在常用的速度范围内,犁耕发动机载荷以及旋耕发动机载荷的低频随机成分的功率谱均可以采用一种单峰谱函数拟合     

液电式馈能半主动悬架控制特性仿真分析与能量回收验证

为了回收车辆悬架系统在行驶过程中产生的振动能量,提出了一种液电式馈能半主动悬架(hydraulic-electrical energy regenerative semi-active suspension,HERSS)系统方案,并深入研究了HERSS半主动控制特性及馈能特性.根据HERSS系统原理,明确了其独特的单行程可控特点,推导了HERSS四分之一悬架系统方程,设计了线性最优LQG (linear quadratic Gaussian)控制器,利用MATLAB/Simulink搭建了基于LQG控制的HERSS仿真模型,通过仿真试验对比分析了HERSS、被动悬架、传统半主动悬架的性能差异.最后,进行了HERSS的馈能特性台架试验.研究结果表明:针对簧载质量加速度、悬架动行程、车轮动位移3个指标而言,由于HERSS仅伸张行程阻尼力可调的特点,其综合性能介于被动悬架、传统半主动悬架之间.针对馈能特性,当控制电流达到30A时,HERSS回收能量功率最高为51.94 W,对应的能量回收效率为12.86％,并且试验数据整体呈现出HERSS回收到的振动能量及能量回收效率随着控制电流的升高而增大的规律.其他悬架形式无法回收振动能量,因此,HERSS在馈能特性指标上具有明显优势.综上所述,HERSS能够满足汽车对半主动悬架系统的功能要求,并具有能量回收功能,在新能源汽车领域具有一定应用价值.该文研究成果可为液电式馈能悬架的实际应用提供参考.     

油菜机直播颗粒肥分流有序并行检测装置设计与试验

针对油菜机直播作业中因施肥农艺要求及高速作业产生的肥料颗粒流量大而无序导致检测精度不高的问题，该研究提出一种“碰撞离散+筛式分流+螺管约束”的高通量颗粒流离散化及分流序列化方法，基于离散分流有序机制设计了颗粒肥分流有序并行检测装置。根据油菜施肥农艺要求和颗粒肥排量精准检测要求，确定了传感检测结构、匀肥管、筛式分流结构、螺管的关键参数。根据多通道并行检测原理，设计了多通道信号同步采集系统。为验证离散分流序列化效果，利用螺旋扰动锥体离心式排肥器搭建试验台架，开展装置性能试验。结果表明：排肥器转速为100～130 r/min（排肥频率361.80～631.60 Hz）时，随转速增加，倾斜状态下检测装置的各通道分流一致性变异系数逐渐减小。正常田间作业0°～5°倾斜状态下各通道分流一致性变异系数不超过6.08%；单通道排肥频率为30～80 Hz时，使用螺管的检测装置准确率相较直管提升7.3个百分点；经排量补偿修正后，检测准确率不低于90.11%，较补偿前提高9.3个百分点。振动试验表明，低频振动（0～30 Hz）提升颗粒肥离散化效果，检测准确率提高；中频振动（30～110 Hz）检测准确率趋于稳定；高频振动（110～150 Hz）破坏颗粒肥序列化约束，检测准确率降低。不同振动频率对检测装置的分流均匀性无明显影响，各通道分流一致性变异系数不超过4.98%。田间试验表明，正常田间作业速度4.3～7.0 km/h下，光照、振动、灰尘对检测装置无明显影响，检测准确率不低于90.05%。检测装置能够监测机具施肥作业状态，有助于提高施肥作业质量。     

微电网中蓄电池充放电非线性控制策略研究

为解决微电网控制策略复杂、各微电源与储能侧功率协调困难的问题,考虑风光输出功率与负荷变化提出一种带积分控制器与在线修正参数的蓄电池充放电非线性控制策略。在建立的风、光微电源和蓄电池模型的基础上,以负荷功率需求为基准结合微电源的出力情况,获得储能系统出力规律;在状态空间法的基础上引入带积分控制器与在线修正调节参数控制蓄电池充放电,以DC/DC变换器协调母线侧与储能侧的电能传递。通过仿真试验表明,相比于传统控制策略,在各种情况下的动态恢复时间平均缩短了0.2 s,直流母线电压暂态冲击平均降低了0.6%,提议的控制策略能有效调控微电源与储能系统的功率平衡,保证微电网系统供电的稳定性,为微电网储能系统的控制研究提供了一定的参考。     

萝卜收获机振动松土铲参数的优化

为了确定萝卜收获机振动松土铲的关键参数,利用偏心连杆式振动装置进行松土试验,以机器行走速度、松土铲激振频率和振幅、铲入土角、铲刃倾角作为试验影响因素,土壤孔隙度为响应指标,并采用二次正交旋转回归试验设计,建立了响应指标与各影响因素之间回归数学模型。通过Design-Expert 6.0软件对试验参数进行优化,确定机器行走速度0.64?m/s、激振器频率2?Hz、振幅14.38?mm、铲入土角25.72°、铲刃倾角39.68°为最优参数组合,此时土壤孔隙度为50%～60%,该研究为研究和设计萝卜收获机提供依据。     

联合收获机割台机架结构参数优化

为降低联合收获机正常工作时的共振,该文利用UG软件对沃得锐龙型稻麦联合收获机割台机架进行建模,求解出割台机架的模态频率和振型,并对割台机架进行模态试验验证及理论分析;在通过分析外部激振频率特点的基础上,使割台机架固有频率避开外部激振频率范围,并对机架进行结构优化与试验。试验结果表明:将割台机架横梁、弯梁厚度减少0.2 mm,底板、侧板厚度减少0.4 mm时,割台机架质量降低了14.02%,前4阶模态频率均避开了联合收获机各激励频率范围;将割台传动轴平衡配重块质量增加254.90 g,使得割台传动轴轴承座处沿联合收获机前进方向、上下方向位移振动幅值分别降低了25.70%和12.70%,并有效避免了割台共振的产生。该文的研究结果为降低联合收获机割台振动提供了设计依据。     

基于功率密度的玉米收获机车架疲劳分析

为从理论上深入探讨载荷频率对疲劳寿命的影响,引入功率密度的概念,并基于功率密度和时频分析提出一种疲劳寿命预测方法,在疲劳分析过程中可同时考虑应力幅值和频率2个因素对疲劳寿命的影响。以某型号自走式玉米收获机为研究对象,在调研数据和有限元分析的基础上,确定车架上危险点位置,设计并实施了应变信号采集试验方案,对收获机各工况下车架危险位置的动态应变进行采集,获得各测点在不同工况下的载荷-时间历程。在实测载荷基础上,利用基于功率密度的疲劳分析方法对玉米收获机车架的疲劳寿命进行预测,得到危险点的疲劳寿命为394 h,与名义应力法分析得到的疲劳寿命(845 h)相比较,更接近实际工作寿命(400~500 h)。该研究为农业装备关键部件的疲劳寿命提供更精确的分析和预测方法,并促进疲劳分析理论的发展。     

厌氧流化床净化畜禽废水与产电性能

为实现从畜禽废水处理中回收能源,先后以厌氧沼液、低浓度畜禽原水及高浓度畜禽原水作为进水,利用厌氧流化床双室微生物燃料电池(anaerobic fluidized bed microbial fuel cell,AFB-MFC)进行微生物产电及有机物去除研究,重点考察氨态氮质量浓度及COD(化学需氧量)容积负荷对系统COD去除率及产电性能的影响。结果表明:以稀释后的沼液作为进水时,当氨态氮质量浓度达到387.6mg/L时,氨态氮对产电微生物产生明显的短期抑制,产电量下降7.0%,但经过5d的适应期后,系统产电恢复到原来的水平。以畜禽原水作为进水时,系统COD容积负荷在12d内由2.3kg/(m3·d)提升至14.9kg/(m3·d)时,COD去除率保持在74.5%～88.1%;随着容积负荷的提升,系统产电量上升,但上升幅度较小,最高输出电压为379.3mV,相应的面积功率密度为74.9mW/m2;由于进水pH值的差异,高浓度畜禽原水最高输出电压较低浓度畜禽原水低21.4mV;AFB-MFC系统内阻较低,仅为48.5Ω,此时功率密度为75.6mW/m2。本装置实现了畜禽废水的高效处理,同时获得电能,为其资源化处理提供新途径。     

基于模态的玉米收获机车架振动特性分析与优化

为研究玉米收获机车架振动特性及其优化方法,该文通过振动测试与模态分析方法,分析车架田间振动特性,并以提高1阶扭转频率为目标优化车架结构。首先,通过有限元建模及模态分析,提取车架固有频率与振型,其次,通过整机田间振动试验,获取车架4个测点处振幅统计特征及功率谱,分析其对车架振动特性的影响,最后,研究车架壁厚和刚度与固有频率的关系,以提高车架1阶扭转频率为目标优化车架。研究结果发现,测点振幅大小依次为:车架后桥上方、发动机横梁位置、发动机纵梁位置、车架前桥上方,其中车架后桥上方振幅已超过发动机振幅,发生共振;模态振型与田间振动试验对比发现,1阶扭转和2阶弯曲模态对车架振动影响较大,引起车架共振主频为9.79 Hz,接近1阶扭转共振频率;发现优化后车架1阶扭转振型位移由7.778下降到3.768,1阶弯曲振型位移由6.83下降到3.651,显著改善了车架振型,1阶扭振频率由15.9927提高到22.4595 Hz,提高车架1阶扭转频率。田间耐久试验表明优化后车架无故障时间由20提高到60 h。该研究可为农机装备的振动特性分析与减振设计提供参考。     

履带式稻麦联合收获机田间收获工况下振动测试与分析

为研究履带式全喂入联合收获机田间收获时的振动特性以及不同喂入量下的振动特性,以沃得锐龙4LZ-5.0E履带式全喂入稻麦联合收获机为研究对象,利用DH5902动态信号测试分析系统对不同喂入量收获工况下整机12个测点处的振动进行了测试与分析,结果表明振动筛、脱粒滚筒、发动机分别是机器前后、左右、上下方向上的主要激振源,但作物喂入割台和输送槽组成的腔体结构后,吸收了部分振动,使得割台和输送槽测点处的振动总量分别下降了25%、39%;与无作物喂入相比,喂入量为2.44 kg/s时输送槽驱动轴和脱粒滚筒测点处的振动分别增大了90%和149%,而喂入量增大到3.87 kg/s时振动总量却下降了15%左右,因此收获时应使机器保持一定的喂入量,可以降低整机振动;驾驶座椅支座、发动机机脚支座和底盘机架上测点处的振动均与作物喂入量呈正相关性。研究结果可为降低履带式联合收获机田间收获工况下整机振动,进而提高其驾驶舒适性提供参考。     

玉米收获机割台振动特性及其主要影响因素分析

针对收获机械割台振动剧烈、故障率较高等问题,研究了割台动态振动特性及其影响规律。以4YZP-3XH-1型玉米联合收获机割台为研究对象,首先建立了割台机架有限元模型并计算其自由模态,研究了割台模态试验方法,利用特征实现算法识别其模态参数;其次,利用模态试验验证了有限元模型的准确性和可靠性,在此基础上,计算获取割台机架的约束模态;再次,利用时域和频域方法分析振动时域信号,获得怠速、运输和田间收获工况割台的振幅分布特征、主振方向和频率分布规律;最后,研究了割台振动的影响因素及其振动主频与模态参数之间的对应关系,指出了振动频率激起模态振型的规律。研究结果表明,割台机架第1阶试验模态频率为27.260 Hz,第2~10阶模态频率范围为34.311~126.035 Hz,模态振型以弯曲振型和扭转振型为主,割台主轴(28.77 Hz)、切碎刀(29.63 Hz)、还田机(43 Hz)等工作频率均落入其前10阶约束模态频率内;在怠速、运输和田间收获作业工况下,工作部件运行工况相较于仅发动机工作,2种模式下割台振幅相差1个数量级;引起割台振动的主要因素为:发动机的2阶发火频率(76.25 Hz),割台主轴、切碎刀、搅龙、拨禾链、还田机等工作部件的耦合振动,以及道路激励(1.5、2.5 Hz)。对比割台约束模态与振动频率,发动机2阶发火频率引起割台弯扭组合振型,道路激励引起整体振动,割台主轴(28.77 Hz)和切碎刀(29.63 Hz)振动频率激起割台机架的一阶弯曲振型,还田机(43 Hz)振动频率激起割台的扭转振型。研究结果可为收获机械割台模态试验与振动特性分析、对标设计和优化提供参考。