减振技术研究与应用

曹晓慧　徐丽明　马帅　牛丛　王烁烁　袁训腾

摘要：为改善农业机械的操作舒适性、作业质量和使用寿命，根据国内外对减振技术的研究和应用情况，归纳总结基于多种原理的减振技术的结构、特点、原理和应用效果，为农业机械减振技术的发展和应用提供理论参考。

关键词：农业机械;减振技术;原理;稳定性;作业质量

中圖分类号：S129;TB535    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）04-0031-03

振动是指物体的全部或一部分沿直线或曲线往返颤动，有一定的时间规律和周期。农业机械的作业环境复杂，在沟坎、畦埂等作业时会产生振动，影响作业质量和农作物生长。例如，玉米定向播种机的振动影响玉米种子的定向率和播深;高地隙喷雾机重心较高，车身和喷杆的剧烈振动影响喷药精准性，造成环境污染和农药浪费。减振技术可有效缓解机具外部或内部冲击，改善作业性能，延长机具使用寿命。根据减振技术的国内外研究和发展现状，归纳各种减振技术的特点和减振原理，为农业机械减振技术的发展和应用提供理论参考。

1 国外减振技术的研发现状

国外对减振系统的研究起步早，技术成熟，设备先进。橡胶减振器作为减振常用元件，在日本、德国、英国使用广泛且技术先进，航海船舶、电子设备、机械设备等都有应用。美国JPL实验室采用Stewart隔振平台的结构模型设计应用于航天器上的JPL柔性隔振平台，利用音圈电机和弹簧并联作为系统的减振支腿，并在上、下平台分别安装加速度传感器，以便判断振动的隔离衰减情况。

Kavlicoglu等发明一种基于磁流变弹性体的底座。磁流变弹性体是一种通过改变施加磁场来改变刚度的材料，为系统提供宽泛的可控压缩静态刚度范围，起隔离外部冲击和振动的作用。

在农业机械领域，自走式微耕机适合很多小农户使用，但其作业时使用户的手部振动，不仅操作不便，而且影响手部健康。Sam B在把手和手柄之间设计一种新型隔离器，如图1所示，用绝缘系统减少传递到手部的振动，提高操作员的人身安全，延长机具的使用寿命。

2 我国减振技术的研发现状

国内减振技术较国外起步晚且与国外有一定差距，目前所应用的隔振、吸振、阻振技术大多是借鉴国外研究成果或在此基础上的改进。

2.1 基于减振轮的农机施肥装置

大部分农业施肥机械作业时振动较大，在崎岖不平的田地里施肥会造成肥料撒落不均。江西师范大学设计一种安装减振轮的农业机械施肥装置，在肥箱前后均通过支撑架安装减振轮，如图2所示，减振轮有充气内胎和外胎，充气内胎设计气门芯，在轮圈周围均匀分布减振弹簧，设计科学合理，有效的减弱农业施肥机械的振动。

2.2 基于并联机构的多自由度减振

陈修祥等将并联机构应用到减振结构中，设计一种二平移二转动并联机构四自由度减振装置。在下平台的每条支路移动副滑块处安装弹簧阻尼浮动支撑系统，其中弹性元件构成弹性浮动支撑，对临界频率以上的振动起衰减作用，阻尼部分用于消耗系统振动的能量。减振平台实现沿特定方向的移动和转动并辅以弹簧阻尼系统，从而实现减振功能。

石奇瑞根据单开链和混合单开链的不同组合设计多种形式的六自由度并联机。在并联机构的静平台上施加激励，运动和负载正向传递给动平台，原动件上的弹簧及阻尼系统吸收能量并进行动力自适应平衡，减小动平台的运动幅度，从而改变系统的固有频率。

根据车载发动机组的振动分析结果和机组力学模型，李德胜设计一种车载发动机组并联多维减振方案。该方案采用六自由度减振系统作为机组的隔振装置，并对多维减振系统进行虚拟样机设计和性能仿真，在发动机组四个支撑处利用加速度振级落差评价其减振性能。

2.3 基于机械减振弹簧和液压减振器的减振系统

王亚丁针对履带式联合收获机在田间的作业环境，设计一种剪刀式减振座椅悬架结构，如图3所示。联合收获机正常作业时，由拉伸弹簧和液压减振器组成的减振装置发挥作用，通过弹簧的拉伸和压缩来储存振动的能量，通过减振器活塞的往复运动吸收振动和缓和冲击，剪刀型支撑杆绕中间转轴转动，达到减振效果。

2.4 基于橡胶减振支座的减振降噪系统

Marioni等提出采用柔性支撑结构即质量弹簧系统作为高速铁路桥梁的支撑系统，利用橡胶减振支座承受桥梁上部结构的所有竖向载荷，通过严格设计支座竖向刚度，保证桥梁上部结构的竖向自振频率在特定范围，避免与桥梁上部车辆产生共振，从而减振降噪。

2.5 基于隔振平台的汽车减振系统

韩丽针对车辆在凹凸不平路面的工作环境，在车辆和精密仪器之间加入六自由度并联隔振平台，如图4所示。该隔振利用低频振动效果更好的空气弹簧支撑平台的四个边角，连接上平台和下支座的8只斜置阻尼器，在上下平台间四角处横置4根钢丝绳弹簧，在各部分结构的综合作用下衰减平台侧向振动。建立模型后利用多学科优化软件ISIGHT集成多体动力学软件ADAMS和控制算法对阻尼器支撑点、刚度和阻尼参数进行仿真优化，达到最优减振效果。

2.6 基于磁流变弹性体的坦克减振系统

陈泽强对坦克车辆发动机设计一种基于磁流变弹性体新型智能材料的减振器，磁流变弹性体通过改变材料刚度来达到系统减振目的。减振器采用线圈加磁的方法，由外加电流控制弹性体的刚度。由于坦克发动机质量较大，故由4个减振器支撑整个发动机组成悬置系统。

为满足坦克驾驶员的舒适性要求，中南大学孙启超提出一种带有磁流变阻尼器的叉形座椅，减轻炮弹发射引起的强烈振感对人体造成伤害。如图5所示，这种座椅充分利用磁流变阻尼器变刚度的特点，通过一种模糊控制算法进行控制，并进行仿真模拟试验。试验证明该装置可有效地衰减坦克座椅的振动。

2.7 基于摩擦阻尼器的减振系统

陈雨等根据高地隙行走式农业机械的特殊作业要求，设计一种包含尼龍摩擦阻尼装置的独立式立轴空气悬架系统。利用液压油缸的伸缩实现车轮的转向，在悬架结构上增加阻尼器，提高了机器的减振效果。

2.8 基于隔、吸振双功能的减振系统

熊志远等基于隔振、吸振原理设计一种具有隔、吸振双功能的减振装置，如图6所示。台座上部用于安装振动机械，隔振元件安装在下部。在隔振台座内部留有空腔，将支撑杆安置在空腔底面的中间位置，橡胶动力吸振器穿过支撑杆，经锁紧螺母安装在空腔内，盖上厚钢板，拧紧沉头螺钉。

2.9 基于汽车悬架系统的减振控制

汽车在驾驶过程中的舒适性和平稳性对人的身心健康有重要影响。为使汽车适应不同路面的振动强度，中国海洋大学耿晓慧研究不同路面粗糙度的影响，建立路面粗糙度对悬挂系统影响的数学模型，设计汽车主动悬挂系统的前馈-反馈最优减振控制律，实现路面粗糙度作用下汽车悬挂系统的最优减振控制。

3 结语

减振技术是提高仪器设备可靠性和稳定性的关键技术，能解决各领域机械设备的振动所带来的不利影响。就农业装备而言，随着农业机械化及自动化的快速发展，农户在追求农业机具的机械化和简便化的同时，对农业机具的操作舒适性要求也在不断提高。因此，各种农业机械设备的减振措施需要不断地完善，朝操作舒适性和作业精密性方向发展。

参考文献

[1] 韩军.农业机械的振动问题与减振方法的研究[J].中国农资，2013（48）：187-187.

[2] 武秀恒. 高地隙喷雾机主动减振与整车姿态综合控制方法研究[D].北京：中国农业大学，2018.

[3] 唐维.橡胶减振器应用现状及发展探讨[J].现代工业经济和信息化，2019，9（3）：84-85.

[4] DUAN X C， QIU Y Y， MI J W， et al.On the mechatronic servo bandwidth of a stewart platform for active vibration isolating in a super antenna [J].Robot Cim-Int Manuf， 2016（40）：66-77.