振动监测及减振技术在耕整地机械的应用研究*

冉文静，赵晓顺，霍晓静，柏文杰，田瑞涛，刘尚坤

(河北农业大学机电工程学院，河北保定，071001)

0 引言

随着国家对农业机械的大力扶持，耕整地机械在国内粮食主产区得到了广泛推广和应用，这使得作物产量有了很大提升[1]。然而，剧烈振动、强噪声致使机械零部件产生磨损或疲劳断裂，严重降低其安全性和可靠性，缩短其预期使用寿命，增加了机械维修成本，更甚者会威胁人身和生产安全。

振动是工业设备故障检测中非常常见的研究问题，据资料显示，有60%以上都采用振动检测方法进行设备状态检测及故障诊断[2]。自20世纪60年代，美国、日本、丹麦等西方国家关于故障监测诊断技术已得到迅猛发展。我国直到80年代初才将机械振动故障监测分析技术纳入科研任务中。振动监测技术多用于大型工业设备故障检测中，在农业机械上的应用较少且主要集中于收获机械及播种机械中，在耕整地机械中的应用空间更待进一步拓展。

鉴于此，本文基于耕整地机械在振动监测与减振技术方面的需求，首先介绍了振动监测技术的发展现状，总结传感器的优缺点及使用范围，对比耕整地机械的振动信号处理方法和不同减振手段，指出研究存在的问题，最后提出实现耕整地机械减振的研究建议。

1 振动监测技术与系统

振动监测技术是对传感器微伏级信号进行采集、放大、滤波、A/D、分析、诊断和控制而形成的一种工程监测科学技术。监测中通常在测点位置确定相互垂直的3个方向(轴向、径向和垂直方向)作为振动信号的采集和测量方向，根据频率范围划分频段进行振动监测。采用中频(10～1 000 Hz)监测振动速度，低频(10 Hz以下)监测振动位移，振动加速度监测需要选择高频(1 000 Hz以上)实现测量。不同频段的信号波动可以区分机械的正常和异常振动状态。

1.1 振动信号拾取装置

振动信号的提取依赖于传感器的使用，传感器将非电量的变化转化为电量的变化。根据传感器振动监测的目的，传感器可分为位移型(如电涡流型)、速度型(如磁电型)和加速度型(如压电型)。在振动信号采集和传输过程中，由于受外界噪声环境因素的影响，它的输入输出特性是非线性的，其适用范围和特点如表1所示。目前耕整地机械(如微耕机)测振主要通过在机壳和扶手位置安装传感器，利用传感器探头监测被测物体的振动信号，通过动态信号测试分析系统，将信号传输到信号处理软件进行信号分析，从而根据壳体和扶手位置接收到的信号进而判断机器的振动位置和振动状态信息。因此，选择合适的振动敏感点对传感器的安装非常重要。

表1 传感器功能及适用范围Tab. 1 Sensor function and scope of application

电涡流传感器是一种非接触的线性化测量工具，能高线性度、高分辨力地测量被侧金属导体距探头表面的距离。通常要求被测物体必须是导体，且被侧面要尽量平整光滑，否则测量准确性会受到一定影响，容易给测量值带来附加误差。磁电式速度传感器产生与振动速度成正比的电压信号，经微积分运算后，可测振动位移与加速度，多用于低频振动烈度的测试，工作中易受磁场干扰，需要作避磁处理。而压电加速度传感器属于惯性式传感器，是自发电的，其输出与加速度成比例的信号并可积分成速度与位移信号，输出信号为电荷类型，需要与电荷放大器配合使用，将信号再传输至振动信号采集仪或其直接连接内置电荷调理的振动信号采集仪。电荷放大器用电容作反馈，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，使用价格昂贵。

因耕整地机械旋转部件多，在耕作部件处无法完成直接测振，且机身所用材料为密度均匀的金属，故选用基于电涡流效应的非接触式电涡流位移传感器，频响特性明显，灵敏度高，测振更为适用。对于转轴等结构处的振动，可用压电式加速度传感器，其基于压电敏感元件的压电效应得到与振动成正比的电压量实现无接触式测振，动态响应好。现有测振传感器固有频率相对过高，现场测取接近最低频响特性的频率时(如1 Hz以下的低频振动信号)，其输出信号几乎完全淹没在噪声中，需在分析后期阶段对传感器进行低频特性补偿或非线性补偿。

1.2 振动监测系统研究

为确保振动系统的完整性，整个振动监测系统从传感设备到上位机软件监测平台共分为3层[3]。分别是底层采集动态信号的目标传感器；中层获取信号的动态分析设备；顶层用户用于控制和监测的系统软件平台。振动监测完成后的信号最终以实时曲线和频谱图的形式在软件平台端进行显示。

1.2.1 监测硬件系统

硬件系统一般主要由传感器、信号调理模块、数据采集卡及上位机等构成。其中信号调理模块是对传感器传来的信号进行适当调理以便适应数据采集设备的要求，具有抗混叠滤波、为传感器提供激励等功能。上位机可实现数据的接收、处理、显示、存储等功能。按照硬件使用功能及总线技术类型的不同，虚拟仪器可分为GPIB、PXI、VXI和DAQ四种标准体系结构[4-6]，如表2所示。

表2 虚拟仪器标准体系结构Tab. 2 Standard architecture of virtual instrument

卢彩云等[7]设计了一种基于CAN总线的小麦精密播种机播种实时监控系统，采用光电传感器和霍尔传感器分别检测排种管落种状态和地轮转速并输出电压或脉冲信号，实现小麦播种作业性能实时监控。纪超等[8]设计了基于反射式红外光电感应的播种机排种监测系统，实现玉米免耕精播作业质量实时监控。可见，学者们在机械振动监测中除使用传统的传感器外，扩展运用光电、红外传感器。虽然红外传感器反应灵敏，抗干扰能力强，不易受周围环境影响，但其检测距离和精度有限，传感器高度位置的差异对其检测造成干扰。而光电传感器具备非接触、寿命长的特点，但需密封环境使用。

在农业振动监测中，常用压电式传感器拾取振动信号，耿令新等[9]对顶夹式气动蔬菜移栽机振动特性研究中使用三向加速度传感器、动态信号采集仪与信号分析系统和笔记本组成。高文英等[10]研究了秸秆深埋还田机振动特性，田间试验时采用振动分析仪和加速度传感器。郭银春[11]、于学伟[12]围绕旋转机械开展振动监测研究，使用振动传感器、压电式加速度传感器作为振动信号的拾取装置。裴阳[13]使用三轴加速度传感器监测机械非平稳、时变的振动信号。以上均为传统有线硬件设备监测，存在布线困难、监测系统适用性不足、费用高、设备维护难度高等问题。为了能更好地解决有线数据采集系统存在的难题，陈仁权[14]设计了一种无线传感器网络采集系统，黄峰亮等[15]设计基于无线传感器网络的机械振动监测终端，应用传感器节点及网关节点构建了机械振动检测终端的硬件设备。顾祖坤[16]采用模块化设计的方法，弥补了传统有线监测系统适用性差的不足，且方便各模块的维护，成功摆脱走线复杂的问题。

1.2.2 监测软件系统

软件系统是振动监测技术的关键所在，完善的软件系统可有效降低机械振动监测成本，其通常由信号监测、信号处理、信号分析等模块构成，以VB(Visual Basic)语言、G(Graphical Programming Language)语言和C语言方式在LabVIEW平台或Matlab平台中实现系统编程。赵彦鹏[17]设计了一种适用于旋转机械振动监测上位机软件，其利用VB语言开发的嵌入式软件系统用C语言编写，在PC机上可正常运行，不足在于使用VB语言开发的软件功能不全，对系统资源依赖性强，且C语言本身语法限制小，变量类型约束不严格，影响程序安全性。为了使系统使用更为简洁顺畅，程序模块化显示，林凯等[18]研究了一种基于虚拟仪器软件LabVIEW的多通道振动测试与分析系统，外置式数据采集箱采用了增强型并口(EPP)实现计算机与外置数据采集模块的高速数据传输。王彦兵等[19]设计出了一套基于LabVIEW的旋转机械转子振动的监测系统，其中振动测试系统软件设计准确地对采集到的信号进行分析、处理和显示结果。随开发系统逐渐成熟，LabVIEW软件中可使用Matlab节点实现两者的互动，付士鹏结合LabVIEW与Matlab的开发优势，设计开发了旋转机械振动监测与故障诊断系统。

良好的系统开发环境可以很大程度提高耕整地机械振动监测系统的性能，而软件系统设计更是保证机械振动监测高效率运行的保障。丁宇[20]通过LabVIEW软件开发平台建立了旋转机械的振动信号分析系统，研究了系统对信号采集、处理、分析等功能，其监测软件系统设计如图1(a)所示。

(a) 旋转机械振动分析系统

(b) 旋转机械振动监测与故障诊断系统

(c) 旋转机械振动测试系统

付士鹏[21]开发了旋转机械振动监测与故障诊断系统，实现机械转子振动的在线监测、信号分析与处理、数据存储及回放，拓展了信号分析与处理模块，增加了振动值超标报警和故障诊断部分，其系统设计如图1(b)所示。马万里[22]利用虚拟仪器技术构建了一套包括振动模态参数识别、在线与离线监测的信号分析系统，信号分析与处理前系统首先进行了旋转机械的模态识别，其设计结构如图1(c)所示。该设计很大程度地保证了各个模块的分析精度，提高了对目标信号分析的择选能力。

丁宇遵循传统的设计方案，将信号处理与信号分析作为两个单独模块进行设计，仅采用在线采集信号且信号从采集模式到数据管理过程单一。付士鹏将信号处理与分析集成于一个模块，简化了系统显示界面。马万里先完成在线采集信号，再通过模态参数识别与离线状态下进行数据分析，为能充分进行数据分析工作给予足够的时间，提高了数据分析可靠度。

2 振动信号分析方法

2.1 振动信号预处理

预处理过程重点包括预滤波、数据截取、错点剔除及零均值化等[23]。根据处理信号的需要，截取待分析的信号，尽可能地提高信号处理效率。如利用低通滤波器限制原始信号带宽，避免信号频率混叠，也可减少高频噪声影响。

振动信号采集受外界环境干扰或操作问题致使采集数据出现异常，在A/D转换过程中易出现分析结果值异常或明显突变，此时需运用统计原理剔除异常点、错点。而零均值化是为了消除数据中的直流分量，便于分析振动信号的统计特性。

2.2 时域分析

时域分析是以时间轴为坐标表示振动信号的关系，研究振动信号波幅随时间进程的变化过程。时域信号可按有无量纲分为有量纲特征值和无量纲特征值。有量纲特征值包括：最大值、最小值、峰值、均值、方差、均方值、均方根值等。无量纲特征值包括：峰值因子、脉冲因子、裕度因子、峭度因子、波形因子和偏度等。其中，峰值因子和脉冲因子用以检测信号中有无冲击的指标，裕度因子用以检测机械设备磨损状态，峭度因子用以反映振动信号冲击特性。

2.3 频域分析

振动信号的频域分析是将时域波形经过傅里叶变换分解为多个谐波分量来进行研究，可以获得信号的频率成分及各谐波的幅值及相位信息。振动信号的频率分析中比较常用的有幅度谱分析和功率谱密度分析等[22-23]。

1) 幅度谱分析。计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：x(t)——时域信号；

X(f)——信号的幅度谱。

周期信号经过傅里叶变换后得到幅度谱|X(f)|是离散谱；非周期信号的幅度谱|X(f)|是连续谱。而通过FFT计算得到的频率，则都是离散谱。

2) 功率谱密度分析。功率谱密度分析是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，包括自功率谱和互功率谱，其中自功率谱与幅度谱提供的信息量相同。但在同等条件下，自功率谱比幅度谱更为清晰，自功率谱可以通过相关函数的傅里叶变换求得，也可由幅度谱计算得到[24]。

频率的功率谱密度函数是平稳数据最重要的特性描述，它确定了数据的频率结构，根据功率谱的测量可以得到有关系的动态特性信息，它还可以作为周期性检验和计算自相关函数的中间步骤。

3) 倒频谱分析。倒频谱分析是一种可以将密集泛频信号中的周期成分进行分离和提取的信号处理新技术，也称为二次频谱分析技术[25-26]。其实质就是对频域信号进行二次傅里叶变换，其基本原理如下。

时间信号y(t)的功率谱表达式如式(2)所示。

Sy(f)=|F{y(t)}|2

(2)

式中：F{ }——傅里叶正变换；

| |——取模数。

而倒频谱则为对功率谱Sy(f)的对数值进行傅里叶逆变换的结果，若用Cy(τ)表示功率谱Sy(f)的倒频谱，则有

Cy(τ)=F-1{lnSy(f)}

(3)

式中：F-1{ }——傅里叶逆变换；

τ——倒频谱的时间变量。

结合式(2)与式(3)可得式(4)。

ρy(τ)=F-1{Sy(f)}

(4)

从而可以看出功率谱Cy(τ)中的变量τ与自相关函数ρy(τ)中的时间变化量τ在量纲上一致。

可见，倒频谱实质是对频域信号取对数的傅里叶变换再处理，其与相关函数的不同只在于对数加权，对功率谱密度函数取对数之后，可使得再变换之后的信号能量能够更加集中，同时还可以进行卷积成分解析，易于实现对原始信号的识别。

2.4 时频分析

时间和频率是最能体现信号的两个物理量，根据信号的落点区域划分为时频和频域分析两种。时频分析即对振动数据进行加窗处理，并假设在加窗时间段内数据是稳态的，进而进行傅里叶变换，提取加窗时间段内的频域信息。常见的傅里叶变换可以完成时域、频域之间的转换。但是它是一种全局变换，适用统计量不随时间变化的平稳信号[27]。

由于时域分析注重振动信号波幅随时间进程的变化，计算简单快速，且不需要进行滤波处理，相较于频域分析或时频分析具有更高的时间精度和准确性。但时域分析并不足以全面反映振动信号储存的信息。频域分析使用的是傅里叶变换，不仅能分析任务态数据，还可分析静息态数据。但频域分析受傅里叶变换只适于稳态数据这一自身局限，对于非稳态信号并不适用。因此，时域与频域分析均不能全面反映信号特征。而时频分析中加窗处理时，窗口的大小会影响到时间精度和频率精度。窗口越大，时间精度越低，频率精度越高，适合分析低频慢波。窗口越小，时间精度越高，频率精度越低，适合分析高频快波。耕整地机械获取到的振动信号并非稳态信号，故需要进行时频分析，如短时傅里叶变换(STFT)、小波变换、WVD(魏格纳—威尔分布)等等，STFT是用时间窗的一端信号来表示其在某个时刻的特性，时间窗大小固定，是一种最为常见的时频分析方法。其将时间信号加上时间窗，而后将时间窗滑动做傅里叶变换，就可以得到信号的时变谱或短时谱。而基于小波分解和重构快速算法的小波变换的时间窗随频率变化而变化，其为了克服FFT不能提供局部时段上的全部频率和STFT的固定时窗的缺点而产生的。WVD弥补STFT固定时窗的缺点，具有与短时傅里叶变换基本相同的应用范围。三者都属于时频分析，但WVD的聚集性、分辨率和其他性质都优于STFT。

3 减振技术应用

耕整地机械作业环境恶劣，振动现象无可避免，由此产生噪声和振颤、加剧零部件的疲劳破坏、降低可靠性和寿命，同时也会出现共振现象[28]。减振无疑成为耕作机械解决的技术难题[29]。

3.1 减振技术

减振可以适当避免机械零部件结构受损，延长机具使用寿命，降低机具振动对操作员身体造成的危害。目前可用的减振技术除了改善耕整地作业质量外，主要从使用材料、外部干预和结构设计三方面进行，分别为运用阻尼材料将机械振动的能量转变成可损耗的能量；外部加装动力吸振器；改善部件结构设计。

3.1.1 运用阻尼材料

机械结构中添加可耗能的阻尼材料是抑制振动最有效的技术手段之一[30-34]。常见的阻尼材料特性包括橡胶和塑料阻尼板、橡胶和泡沫塑料、阻尼复合材料和高阻尼合金，分别运用于夹心层材料、阻尼吸声材料、振动和噪声控制[35-36]。其性能可在较宽的温度和频率范围内保持基本稳定。常见添加阻尼材料的途径有两大类[37-40]，如表3所示。

表3 添加阻尼材料途径Tab. 3 Ways to add damping materials

选用内损耗多，内摩擦大的粘滞性材料作为研发耕整地机械新型减振材料，如软橡胶、增强型玻璃纤维塑料等作为阻尼材料，减振效果明显，能够在抑制振动过程中扮演衰减沿结构传递的振动能量和减弱共振频率附近的振动两个方面的重要角色。对于耕整地机械来说，考虑降低维修成本，同时要避免机械结构过于复杂。故在添加阻尼材料时更倾向于阻尼材料与复合材料共固化成型。

减振器是耕整地机械中主要零部件，其实质就是一个阻尼元件。为了使耕整地机械车架与车身的振动迅速衰减，改善机械行驶的平顺性和舒适性，车辆悬架系统上会装有减振器。当减振器受外界激励时，通过在结构体表面敷设、嵌入阻尼类弹性材料，将振动能量进行转化，从而达到减振的目的。

Zhang等[41]通过结构优化方式，将阻尼材料敷设特定位置。张一麟等[42]基于声学贡献度分析锁定了阻尼材料合理敷设的位置，极大地提高了阻尼材料的利用率。朱大巍等[43]在加筋梁结构表面敷设了手性材料覆盖层，这一设计有效抑制了其振动响应。以上研究者们从阻尼材料的敷设位置着手研究了减阻的方法。而王慧彩等[44]对阻尼夹层板的动态特性和振动响应进行了理论与试验研究，分析探究了阻尼层参数的影响。杨雪等[45]设计了一种多层阻尼复合结构，并对其结构布置及各层阻尼厚度变化进行了分析，着重强调了阻尼结构及阻尼层参数在减振中产生的影响。

3.1.2 加装动力吸振器

吸振器是一种较为传统的减振装置，频段易于调节、结构简单、安装方便等是其具备的优点所在，在特定频率范围内，可以得出显著的振动控制效果。目前吸振器已然成为振动与噪声控制工程领域的基本手段之一[46]。传统单自由度动力吸振器存在作用频段窄的问题，所以基于单自由度动力吸振器的基础，发展了多自由度、组合式、连续式及非线性等吸振技术，实现了弹性结构的多频/宽频声振抑制。刘耀宗等[47]综述了被动式吸振器的结构与研究进展。Dayou等[48]将多个动力吸振器整合进行了结构全局振动抑制的研究，着重关注了吸振器的安装位置与安装质量，得出结构全局振动响应在考虑频段内能够得到接近于主动控制的有效抑制。Wong等[49]设计了一种使得弹性结构振动在一定空间范围内可得到抑制的新型吸振器，该减振器能够实现平动与转动同时抑制的作用。苏尔敦等[50]设计了一种板式动力吸振器，分析了吸振器结构对吸振效果的影响。

在众多研究中发现，动力吸振器对于复杂弹性结构，并不完全能有效地抑制结构整体振动，其降低噪声作用不强。

3.1.3 改善机械部件结构

耕整地机械在运行期间，可将部分机械结构由刚性连接改为弹性连接，阻隔或减弱振动能量的传递实现减振。磁流变阻尼器是一种比较理想的半主动控制装置。国内，主要将磁流变阻尼器应用于半主动悬架以及车辆的座椅减振中。在半主动悬架控制应用方面，沈延等[51]对适用于车辆半主动悬架控制器设计的磁流变阻尼器模型进行研究，提出了一种精确的便于控制的双曲正切磁滞模型；王波等[52]提出了对汽车磁流变半主动悬架采取独立/耦合模态联合控制的方法，并通过仿真证实了该种控制方法比单独采用独立模态控制及耦合控制的效果更好；有学者对基于磁流变阻尼器的汽车悬架进行研究，结果表明磁流变半主动非线性开关控制弥补了非线性半主动控制的不足，使得系统在共振区和高频区都有很好的隔震效果。在车辆座椅设计应用方面，漆小敏等[53]进行了磁流变减振座椅模拟控制器的设计与仿真分析；赵德敏等[54]将磁流变阻尼器应用于车辆座椅悬挂系统中。李德胜[55]根据车载发动机组的振动分析结果和机组力学模型，采用六角自由度减振系统作为机组的隔振装置，对多维减振系统进行虚拟样机设计和性能仿真，利用加速度振级落差评价了发动机组支撑点处的减振性能。为满足坦克驾驶员的舒适性要求，孙启超[56]利用磁流变阻尼器变刚度的特点设计了一种带有磁流变阻尼器的叉形座椅，如图2所示，其中l表示支撑杆长度；α表示座椅倾角；k表示弹簧刚度系数；M表示人椅质量。该装置可有效实现衰减坦克座椅振动的目的，减轻炮弹发射引起的强烈振感对人体造成伤害。

图2 带有磁流变阻尼器的叉形座椅

总之，加装动力吸振器是一种外部干预方式，安装方便，操作简单，但应用范围受限。机械结构的改善可以很大程度解决振动问题，但结构设计难度大。当前可应用到耕整地机械减振的当属阻尼材料较多，即阻尼材料在耕整地机械上的广泛运用极大地起到吸振、缓振作用。

3.2 减振技术在耕整地机械中的应用

近年来，学者针对耕整地机械工作部件的结构特点和工作特点，进行了多种减振研究。Kavlicoglu等发明了一种通过改变磁场进而改变磁流变弹性体的刚度的底座。曹晓慧等[57]在把手和手柄之间设计了一种新型隔振器，利用绝缘系统降低传递至手部的振动。孙玉华等[58]为了实现微耕机振动隔离，基于磁流变液的数学模型建立磁流变弹性体变刚度和阻尼的数学模型，设计了一种新型磁流变弹性体隔振器结构。李果等[59]研究了微耕机的振动影响因素，提出在振动结构中增加弹性隔振器将振源和其他结构隔离的方法。陈刚等[60]针对微耕机操作性及舒适性差的问题，提出采用液压动力总成代替传统机械动力总成方法，设计主要由蓄能器和液压管路构成的减振模块，将土壤对耕刀周期性反作用力产生的振动通过马达轴传递到液压管路形成液压脉动，蓄能器吸收并衰减脉动实现减振。以上学者均采用隔振措施减振，却在实现减振的同时提高了系统的结构复杂度和产品的成本，不适用于成本低、结构简单的耕整地机械。

为了能低成本解决耕整地机械减振，提高机械的使用性能，学者们从改善机械结构的层面进行了大量研究。杨坚等[61]通过研究GN31耕整机扶手架振动机理，对扶手架修改钢管壁厚，手把前部的横杆上增加质量块，发现增加质量块可防止共振。杨坚等[35]提出了一种小型耕整机的阻尼减振手把，其是在无阻尼减振手把基础上，在吸振系统密封圆筒中加入适当的粘性流体而成，得到阻尼减振手把的减振效果。如图3所示。研究结果表明，阻尼减振手把能有效降低手把的振动量，加速度降低49%～81%。

图3 阻尼减振把手简图

金政宏等[62]以电动微耕机为研究对象，对微耕机的支撑架和扶手架进行结构优化，扶手架处采用在尖端区域粘结阻尼材料的方法完成减振，而对支撑架运用Ansys有限元方法对其求解，采用前端支架镂空处理方法优化结构，经过仿真和田间试验验证模型的可行性。结果显示扶手架处RMS值较优化前降低了24.5%，实现了电动微耕机减振的目的。路世青等[63]对微耕机的发动机和扶手架实施减振措施。在发动机处设计了双向减振装置，纵向由弹簧组、橡胶球等减振材料组成，横向主要由橡胶环和弹簧组成，纵向实现吸收和减小发动机竖直方向的振动，横向抑制发动机在行走方向上的水平振动。此外，为了使扶手架减振，他们利用气缸和弹簧组合的形式设计了一套扶手架减振装置，通过改变弹簧和气缸中的气压达到减隔振的目的，经振动仿真得到扶手架处的振动参数。结果表明相对未安装减振装置的同型号微耕机，振动位移和加速度减少了约30%，减振效果良好。

4 存在问题与发展趋势

4.1 存在问题

综上，在耕整地机械振动监测与减振技术应用中还存在一些问题。

1) 振动传感器的选用范围狭窄。目前应用于农业机械振动监测上的传感器多用压电式加速度传感器，外配电荷适配器，实际农业机械振动监测环境恶劣，设备工作过程中振动强度高，对适配器与传感器间的接线干扰大，容易造成二者连线脱线问题且不易察觉，增加监测成本和测试人员工作负担。

2) 振动信号的处理方法粗糙。现有农业机械振动信号处理方法多集中于时域分析、频域分析等传统信号分析方法，仅适用于非强噪声振动信号的监测，而对于强噪声振动信号的特征提取不彻底。

3) 减振措施不足。当前农业机械实现减振仅可从改善机械结构、运用阻尼材料及外加动力吸振器三处入手。由于农业机械多为燃油车，悬挂的支架模态普遍高于500 Hz以上，发动机的激励频率通常无法引起共振问题，所以动力吸振器使用较少。此外，一般农业机械结构的改进难度较高，通常不作为首选的减振措施。所以多从材料着手减振。

4.2 振动监测及信号处理的发展趋势

对耕整地机械执行振动监测过程中，硬件设计技术已相对成熟，可由使用对象和需求补充硬件，操作过程简单。对于软件系统设计，重在对监测所得振动信号的处理与分析。由于耕整地机械振动信号为非平稳信号，故在信号处理时需要进行局部变换，再结合时频分析。故未来耕整地机械振动监测呈现如下趋势。

1) 振动监测技术在耕整地机械上的成熟应用必将大大提高其可靠度，降低故障率，进而提升生产能力，减少农业生产和人身安全事故。

2) 目前工业上多采用IEPE振动传感器，其为一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器，集成了灵敏的电子器件使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性并容易封装。可将其应用于非低频振动的农业机械中，尽量在振动监测中减少作业环境带来的干扰，以提高监测系统的灵敏度和精度。

3) 以虚拟仪器软件LabVIEW与MATLAB为基础开发平台，开发可移植性强的振动监测系统，可用于其他农机装备的监测与预警，增加系统可拓展性。耕整地机械的振动信号为稳态信号，可运用局部变换结合时频分析进行非强噪声下的振动信号处理，以提高信号处理效率，对于强噪声振动信号，结合工业机械振动信号处理方法进行信号的特征提取，如深度残差收缩网络等深度学习方法。

4.3 减振技术的运用与发展趋势

到目前为止，耕整地机械减振研究较为成熟，每一种减振措施均存在优点，但也有其局限性。对比多种减振方式后发现，耕整地机械减振技术以阻尼材料与复合材料共固化成型为阻尼的添加途径为主。从机械制备精度和使用环境可见，农业机械区别于工业设备，机械材料精度并不严格追求完全高精度，反而更注重在苛刻的作业环境下材料的耐用性。

5 结语

振动监测与减振技术在耕整地机械中的应用已成为未来农业机械智能化发展的重要趋势，不断更新机械振动监测手段，完善振动信号处理方法和机械减振措施是农业机械高质量发展的重要需求。将农业机械与工业设备振动监测技术相互结合，从而带动农业机械监测技术的发展。本文介绍了振动监测技术的发展现状，总结了传感器的优缺点及使用范围，对比分析了耕整地机械的振动信号处理方法和不同减振手段。通过讨论现存的问题，给出对于非强噪声振动信号可使用局部变换结合时频分析的振动信号处理方法，对于强噪声振动信号可结合深度残差收缩网络等工业设备振动信号处理方法进行信号的特征提取。对于机械减振措施，提出采用阻尼材料更能实现耕整地机械减振的发展建议。今后，随着农业机械逐渐追求高质量、智能化的发展，不断完善并优化振动监测与减振技术是农业机械必需的发展需求之一。