馮 偉，崔晉波，李 平，曹中華，李亞麗，丁小兵，湛小梅*

(1. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；2. 重慶鑫源農(nóng)機(jī)股份有限公司，重慶 401329)

【研究意義】隨著人民生活水平的日益提高，用戶對收割機(jī)駕乘舒適性要求越來越高，然而，國產(chǎn)小型收割機(jī)在收割作業(yè)時(shí)普遍存在振動(dòng)大、噪聲高等問題，收割機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、工作部件、傳動(dòng)系統(tǒng)等處噪聲強(qiáng)烈，操作者不堪忍受，既影響工作者的身體健康，又降低勞動(dòng)生產(chǎn)率[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國外學(xué)者對聯(lián)合收割機(jī)的噪聲源識別及成因分析開展了很多研究，Kanda等[2]對聯(lián)合收割機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行了研究；Eiji等[3]對聯(lián)合收割機(jī)工作部件噪聲與駕駛員操作效率之間的關(guān)系開展了研究；Talamo等[4]通過對工作部件的低頻振動(dòng)對整機(jī)降噪性能 開展了相關(guān)研究；Sarp等[5]對駕駛員頭部位置處的聲壓級進(jìn)行了分析。在聯(lián)合收割機(jī)噪聲測試與噪聲源識別方面，唐忠等[6]通過對比分析聯(lián)合收割機(jī)各部件噪聲能量及對駕駛員耳旁噪聲的貢獻(xiàn)量進(jìn)行了研究；曹元軍等[7]對各工況下的聯(lián)合收割機(jī)噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)測試；劉臣富等[8-9]對發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行試驗(yàn)測試分析；鄭志昊等[10]對拖拉機(jī)駕駛員耳旁噪聲進(jìn)行了測試與分析。【本研究的切入點(diǎn)】國內(nèi)外研究主要集中在大、中型聯(lián)合收割機(jī)方面，對小型收割機(jī)噪聲控制相關(guān)研究甚少。【擬解決的關(guān)鍵問題】降低噪聲對收割機(jī)駕駛?cè)藛T的有害影響，結(jié)合噪聲源、噪聲傳遞路徑控制等方法，設(shè)計(jì)一款適用于丘陵山區(qū)作業(yè)的小型收割機(jī)，采用聲強(qiáng)測試技術(shù)和噪聲源分離識別技術(shù)相結(jié)合的方法，對收割機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)的噪聲進(jìn)行測試與評價(jià)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的小型收割機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、行走裝置、割臺與輸送裝置、脫粒分離裝置、二次清選裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓裝置、操縱控制裝置等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。行走裝置為三角履帶式底盤，由機(jī)架、變速箱、橡膠履帶等組成；割臺與輸送裝置由喂入割臺、撥禾輪、喂入滾筒、中間輸送等組成；脫粒分離裝置由脫粒滾筒、罩殼、凹板篩及一次清洗倉等組成；二次清選裝置由提升螺旋、分離筒組件、吸風(fēng)管、吸雜風(fēng)機(jī)等組成。

1.2 工作原理

田間作業(yè)時(shí)，谷物植株在分禾器和撥禾輪的作用下?lián)芟蚋钆_，下端被切割器割斷落入割臺，剩下的莖稈利用下割刀二次切割還田。落入割臺的部分通過喂入螺旋滾筒匯集到中間輸送，輸送槽將谷物送入脫粒倉，脫粒后，大部分雜余從排草口排出，谷物同少部分莖稈進(jìn)入一次清洗倉，根據(jù)谷物和雜余的懸浮速度不同，進(jìn)行一次風(fēng)選，然后將風(fēng)選后谷物通過螺旋輸送進(jìn)入分離筒組件中，在吸雜風(fēng)機(jī)作用下，剩下的雜余進(jìn)一步通過吸風(fēng)管吸走并從吸雜風(fēng)機(jī)中排出，凈谷則落入接糧裝置中，從而完成整個(gè)收割過程。

1.撥禾輪，2.分禾器，3.割臺總成，4.下割刀，5.中間輸送，6.履帶底盤，7.脫?？偝桑?.座椅，9.二次清選裝置，10.發(fā)動(dòng)機(jī)1.Reel, 2.Divider, 3.Header assembly, 4.Lower cutter, 5.Intermediate conveying, 6.Track chassis, 7.Threshing assembly, 8.Seat, 9.Secondary cleaning device, 10.Engine圖1 收割機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of harvester

2 主要噪聲部件的降噪設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)支座的降噪設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)通過支座安裝在行走裝置上，是收割機(jī)工作時(shí)的主要噪聲源之一。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，因活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、氣缸燃燒及其運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)會產(chǎn)生振動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)與行走裝置采用硬連接，其振動(dòng)會通過發(fā)動(dòng)機(jī)支座傳遞到收割機(jī)其他部位，為控制行走系統(tǒng)振動(dòng)噪聲，要求發(fā)動(dòng)機(jī)支座必須要有很強(qiáng)的減振、降噪能力，減小來自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，避免產(chǎn)生共振，以降低行走系統(tǒng)噪聲，本文設(shè)計(jì)的減振發(fā)動(dòng)機(jī)支座如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)支座主要由支座、橡膠安裝座、緩沖橡膠墊、支座安裝孔等組成。由于橡膠具有低的可調(diào)正的模量和較高的本征阻尼，大應(yīng)變下不被破壞和在一定變形方式下承載高負(fù)荷的能力，可有效減少振動(dòng)能量的傳遞，所以本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、支座、行走裝置之間的裝配關(guān)系，采用發(fā)動(dòng)機(jī)與支座硬連接，支座通過緩沖橡膠墊與支座安裝孔連接，并通過支座安裝孔固定在行走裝置上的方式，以達(dá)到減振降噪的目的。

1.支座，2.橡膠安裝座，3.緩沖橡膠墊，4.支座安裝孔1.Support, 2.Rubber mounting base, 3.Buffer rubber pad, 4.Mounting hole of support圖2 減振發(fā)動(dòng)機(jī)支座Fig.2 Damping engine mount

1.提升螺旋總成，2.分離筒，3.吸音棉墊，4.吸風(fēng)管，5.吸雜風(fēng)機(jī)1.Lifting screw assembly, 2.Separating cylinder, 3.Sound absorption cotton pad, 4.Air suction pipe, 5.Impurity suction fan圖3 二次清選裝置簡Fig.3 Schematic diagram of secondary cleaning device

2.2 二次清選裝置的降噪設(shè)計(jì)

二次清選裝置可有效提升收割機(jī)綜合作業(yè)性能，提高谷物清潔度，降低含雜率，但同時(shí)也增加了振動(dòng)噪聲源。吸雜風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動(dòng)，吸風(fēng)管內(nèi)流通的空氣與吸風(fēng)管壁摩擦引起的風(fēng)管振動(dòng)，吸風(fēng)管內(nèi)空氣摩擦產(chǎn)生渦流振動(dòng)，以及內(nèi)外壓力不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，均會通過連接機(jī)構(gòu)傳遞到收割機(jī)，并產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。為此，對風(fēng)機(jī)和吸風(fēng)管進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的二次清選裝置如圖 3所示。由圖可知，二次清選系統(tǒng)主要由提升螺旋、喂入口、分離筒、吸音棉墊、吸氣管、吸雜風(fēng)機(jī)等組成。吸雜風(fēng)機(jī)通過選用剛度較好的材料、進(jìn)風(fēng)口使用圓弧過渡、延長出風(fēng)口長度，減小風(fēng)機(jī)自身振動(dòng)，降低氣流紊亂、渦流脫落引起的噪聲，吸風(fēng)管選用橡膠材質(zhì)，并在吸風(fēng)管與吸雜風(fēng)機(jī)和分離筒連接的部位增加吸音棉墊，以改進(jìn)風(fēng)場內(nèi)壁的空氣流紊流現(xiàn)象，改善空氣動(dòng)力性，來降低風(fēng)場噪聲。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的降噪設(shè)計(jì)

收割機(jī)常見的動(dòng)力傳遞方式有皮帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)等。鏈條傳動(dòng)工作時(shí)，通過鏈條上鏈節(jié)與鏈輪輪齒的相互嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，由于鏈的瞬時(shí)速度是變化的，傳動(dòng)平穩(wěn)性較差，存在沖擊振動(dòng)和噪聲，為了降低收割機(jī)的工作噪聲，本文在保證傳動(dòng)效率的前提下，主要傳動(dòng)方式均選擇皮帶傳動(dòng)。

3 噪聲分析研究

3.1 噪聲聲強(qiáng)試驗(yàn)原理

小型收割機(jī)作業(yè)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)部件太多，較難于通過人耳聽力直接判斷哪個(gè)零部件對收割機(jī)噪聲影響較大。本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證降噪設(shè)計(jì)的小型收割機(jī)噪聲是否滿足國標(biāo)要求，并進(jìn)行了噪聲分析研究。

由于聲強(qiáng)是矢量，克服了傳統(tǒng)的聲壓測量法不能確定聲源方向和位置的問題，本文采用雙傳聲器法，簡稱為p-p法，對收割機(jī)進(jìn)行聲強(qiáng)測試[11]，聲強(qiáng)測量主要是測聲壓和粒子速度。

通過歐拉方程式:

圖4 試驗(yàn)設(shè)備組成Fig.4 Composition of test equipment

得到質(zhì)點(diǎn)速度，如

其中,p1和p2是從2個(gè)傳聲器測得的聲壓信號，d是2個(gè)傳聲器間隔。當(dāng)d遠(yuǎn)小于波長時(shí)?p(t)/?x≈[p2(t)-p1(t)]/d，該計(jì)算使用了有限差分估計(jì)，近似于真實(shí)的聲壓梯度。探頭中心處的聲壓估計(jì)為p(t)=1/2[p1(t)+p2(t)]

則軸向方向上的瞬時(shí)聲強(qiáng)分量為

取其中時(shí)間平均就可以得到軸向上的聲強(qiáng)。

3.2 試驗(yàn)方法

本文采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司DH5902動(dòng)態(tài)信號采集分析系統(tǒng)和聲強(qiáng)探頭，對小型收割機(jī)進(jìn)行噪聲測試，試驗(yàn)設(shè)備組成如圖4所示。由圖可知，試驗(yàn)設(shè)備主要由聲強(qiáng)探頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電腦等組成，聲強(qiáng)探頭用于采集聲壓信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于收集信號并進(jìn)行信號前處理，電腦可對獲得的信號進(jìn)行結(jié)果顯示與分析，信號分析程序主要包括聲壓、聲壓級、頻譜分析和聲強(qiáng)分析等[12-14]。

測試噪聲時(shí)，將被測對象調(diào)整到預(yù)定狀態(tài)，將聲強(qiáng)探頭放置在相應(yīng)位置，聲強(qiáng)探頭應(yīng)與被測表面垂直，通過聲強(qiáng)探頭采集噪聲信號并傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號進(jìn)行放大處理、模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號后傳遞到電腦，數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)試驗(yàn)要求對信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)空載工況下整機(jī)聲強(qiáng)測試。將收割機(jī)調(diào)節(jié)至滿功率輸出狀態(tài)，待機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始采集數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)采得的信號調(diào)整合適的量程，將測點(diǎn)間距設(shè)置為40 cm，測量表面與被測設(shè)備間距設(shè)置為20 cm，使用矩形支架對測點(diǎn)分布進(jìn)行精確劃分，每個(gè)測點(diǎn)采集30 s數(shù)據(jù)，分別采集左、右、后三側(cè)噪聲數(shù)據(jù)，找到主要噪聲源位置及噪聲主要頻率成分，聲強(qiáng)測試現(xiàn)場見圖5。

圖5 聲強(qiáng)測試現(xiàn)場Fig.5 Test site of sound intensity

圖6 收割機(jī)聲強(qiáng)云圖Fig.6 Sound intensity nephogram of harvester

(2)噪聲分離試驗(yàn)。為了確定主要工作部件對駕駛員耳測噪聲的影響，需要對收割機(jī)進(jìn)行噪聲分離試驗(yàn)。按照J(rèn)B/T 6268-2005《自走式收獲機(jī)械噪聲測定方法》確定駕駛員耳側(cè)噪聲測定位置，通過“分別運(yùn)行法”對機(jī)器各運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試，并采用聲強(qiáng)探頭在駕駛員耳側(cè)位置進(jìn)行噪聲測試，最終比較確定哪些工作部件對駕駛員耳測噪聲影響較大，同時(shí)獲得降噪設(shè)計(jì)后的小型收割機(jī)駕駛員耳側(cè)噪聲值。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 空載工況下整機(jī)聲強(qiáng)測試 利用聲強(qiáng)映射技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得收割機(jī)左、右、后三側(cè)全頻段聲強(qiáng)云圖(圖6)。圖中紅色區(qū)域表示該區(qū)域噪聲強(qiáng)度相對較大，藍(lán)色區(qū)域表示該區(qū)域噪聲強(qiáng)度相對較?。皇崭顧C(jī)左側(cè)聲強(qiáng)的峰值主要集中在脫離滾筒，其余部位聲能量輻射強(qiáng)度較低；右側(cè)聲強(qiáng)峰值主要集中在脫粒滾筒、螺旋輸送、風(fēng)扇及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口等位置，其余部分聲能量也較大；后側(cè)總體聲強(qiáng)較大，聲強(qiáng)較大點(diǎn)位于脫粒裝置螺旋輸送、風(fēng)扇等位置。

圖7 后側(cè)200～250 Hz頻段的聲強(qiáng)云圖Fig.7 Sound intensity nephogram in the back 200-250 Hz frequency band

由于駕駛員操作位置位于后側(cè)，后側(cè)噪聲的強(qiáng)弱對駕駛員駕乘舒適性影響較大，因此需要對后側(cè)聲強(qiáng)作進(jìn)一步分析。通過對收割機(jī)后側(cè)各頻段聲強(qiáng)進(jìn)行分析處理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率范圍在200～250 Hz時(shí)，局部聲強(qiáng)較突出(圖7)。收割機(jī)后側(cè)200～250 Hz頻段的噪聲源主要位于輸送螺旋左側(cè)、風(fēng)扇左側(cè)及油箱左側(cè)等區(qū)域，聲強(qiáng)云圖與圖6對比可知，噪聲源位置與全頻段時(shí)基本保持一致，說明此頻段對收割機(jī)后側(cè)噪聲影響較大。

3.4.2 噪聲分離試驗(yàn) 按照上述試驗(yàn)方法對收割機(jī)不同運(yùn)行方法時(shí)的噪聲進(jìn)行測試，為了便于分析，需要對測得的原始數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理，本文以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的噪聲信號為例來說明，其原始信號如圖8所示。由圖可知，原始數(shù)據(jù)為時(shí)域信號，主觀上看不出任何規(guī)律，這是由于收割機(jī)在工作時(shí)，存在多種噪聲信號，各種噪聲頻率成分疊加導(dǎo)致的，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

將采集的信號進(jìn)行FFT傅里葉變換，將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，獲得噪聲的主要頻率成分，獲得的頻譜圖見圖9。發(fā)動(dòng)機(jī)一階頻率為31 Hz，與收割機(jī)工作轉(zhuǎn)速1800 r/min相吻合，前四階振動(dòng)頻率點(diǎn)為31、62、91、125 Hz，主要頻率點(diǎn)與基頻的倍數(shù)都很接近，這些頻率都是由發(fā)動(dòng)機(jī)及結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生或引起的諧波。

圖8 原始噪聲數(shù)據(jù)Fig.8 Raw noise data

表1 收割機(jī)不同運(yùn)行方法噪聲聲壓級及其對應(yīng)主頻率值

為了進(jìn)一步分析各頻率成分對噪聲的影響，對原始噪聲信號進(jìn)行聲壓分析，通過對信號加A計(jì)權(quán)、1/3倍頻程來模擬人耳的聽覺，獲得的A計(jì)權(quán)聲壓見圖10。發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)測點(diǎn)位置的A計(jì)權(quán)聲壓為66.7 dB(A)，噪聲較小，梯形圖在全頻率范圍內(nèi)過渡平緩，無較突出的頻率段，說明發(fā)動(dòng)機(jī)減振支座起到了隔振降噪作用。

對收割機(jī)不同運(yùn)行方法時(shí)的駕駛員耳側(cè)噪聲進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲最小為66.7 dB(A)，收割機(jī)全部工作部件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲最大，說明旋轉(zhuǎn)部件對噪聲影響較大；通過不同運(yùn)行方法組合時(shí)的噪聲聲壓級進(jìn)行噪聲識別，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)帶脫?？偝蓵r(shí)的噪聲較其余組合大；發(fā)動(dòng)機(jī)僅帶輸送螺旋時(shí)，最大聲壓為69.4 dB(A)，與其余狀態(tài)相比，聲壓級最低；發(fā)動(dòng)機(jī)僅帶風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)，最大聲壓為73.7 dB(A)，比僅帶輸送螺旋運(yùn)行時(shí)，噪聲大4.2 dB(A)，說明風(fēng)扇對脫粒系統(tǒng)噪聲影響相對較大；收割機(jī)各工作部件運(yùn)行時(shí)，駕駛員耳側(cè)噪聲主頻均有所不同；發(fā)動(dòng)機(jī)帶脫粒總成和割臺總成的測試結(jié)果與圖7對比可知，工作頻率225 Hz為收割機(jī)后側(cè)主要噪聲頻率，主要噪聲點(diǎn)位于風(fēng)扇、輸送螺旋左側(cè)；降噪設(shè)計(jì)后的小型收割機(jī)駕駛員耳側(cè)噪聲值為90.9 dB(A)，小于收割機(jī)噪聲國家標(biāo)準(zhǔn)限值95 dB(A)。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的頻譜Fig.9 Spectrum of engine operation

圖10 A計(jì)權(quán)1/3倍頻程Fig.10 A weighted 1/3 octave

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)了一款具有降噪結(jié)構(gòu)的小型收割機(jī)，駕駛員耳側(cè)噪聲總聲壓為90.9 dB(A)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)收割機(jī)聲強(qiáng)較大點(diǎn)主要位于脫離滾筒、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口、風(fēng)扇、輸送螺旋等位置，收割機(jī)后側(cè)主要噪聲頻率為225 Hz，主要噪聲點(diǎn)位于風(fēng)扇、輸送螺旋左側(cè)，可為收割機(jī)降噪設(shè)計(jì)提供參考。

(3)收割機(jī)各工作部件運(yùn)行時(shí)，駕駛員耳側(cè)噪聲主頻均有所不同，說明各工作部件對駕駛員耳側(cè)噪聲均有一定的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)帶風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)，最大聲壓為73.7 dB(A)，比帶輸送螺旋運(yùn)行時(shí)的噪聲大4.2 dB(A)，說明風(fēng)扇對脫粒系統(tǒng)噪聲影響較大。