东方红-354拖拉机振动特性研究

2019-12-21范晓光张本华王君玲冯龙龙刘劭航

农机化研究 2019年3期

范晓光，张本华，王君玲，冯龙龙，刘劭航

(沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866)

0 引言

随着机械技术及制造工艺的不断提高，机械的振动问题得到了较大改善。但对于操作机械设备的工作人员而言，机械振动仍是降低舒适度的最大问题，噪声困扰将严重影响到工人正常的工作效率及个人的身心健康[1]。因此，对拖拉机的振动性能进行相关测试与分析，深入探索其影响因素，掌握其内在规律十分必要。

诸多学者对机动装置振动能量转换进行了细致研究，发现若振动能量向机架和驾驶室传递过多，必然导致能量损失增大，影响能量的有效利用[2-3]。孟凡龙等[4]以汽车变速器为研究对象，对其进行多工况下振动信号的测试与分析，获得了变速器振动贡献较大的频率，确定了容易引起变速器共振的频率。黄雪涛等[5]对某轻型载货汽车产生的低频振动现象进行了试验分析，发现引起汽车产生低频振动的主要原因是车辆系统的固有频率与车轮动不平衡引起的激励频率接近，导致了车辆系统的共振。赵永立等[6]基于虚拟仪器技术构建了虚拟振动测试分析系统，并通过测试验证了系统的可行性与有效性。李敏通等[7]设计了拖拉机整车振动测试系统，并对整车振动进行了实测，认为拖拉机整车振动是混沌振动。李帅等[8]从定性角度分析了拖拉机座椅振动系统性能，并通过对座椅振动频响曲线的辨识建立数学模型，得到弹性系数、阻尼系数及固有频率等系统振动特性参数。揭琳锋等[9]利用运动学和动力学理论，对主要参数进行了分析，并建立了啮合齿轮副单自由度振动模型。姚艳春等[10]通过振动测试与模态分析方法研究玉米收获机车架的振动特性，发现测点振幅大小依次为车架后桥上方、发动机横梁位置、发动机纵梁位置及车架前桥上方，其中车架后桥上方振幅已超过发动机振幅。

虽然众多学者对汽车、拖拉机及农业机械振动特性进行了相关研究，但仍需进一步认知拖拉机在静态及不同路面条件下的动态振动特性。为此，以东方红-354拖拉机的振动源作为研究对象，利用振动测试系统来测定其关键部位在不同路面动态和静态条件下的振动加速度，从而获取拖拉机振动的最直接数据资料。

1 测试对象及方法

拖拉机的振动只是诸多工程振动形式中的一种，所以适用于传统的机械研究方法。以东方红-354拖拉机的振动源作为研究对象(见图1)，其功率为26kW，四轮驱动，动力经济性好。在测试过程中，利用振动传感器(见图2)，将机械振动的振动量通过振动传感器转变为电信号。由于从传感器中所获取的这些电信号通常都比较微小，难以进行传输且会和各种物理量进行混合传输，因此需要使用信号调理器对获取的信号进行放大处理，同时滤掉不必要的干扰波形；然后，将电信号经过处理之后输入到数据采集卡之中，处理形成数字信号，通过应用软件LABVIEW对数字信号进行分析处理。具体分析测试过程如图3所示。

图1 东方红-354拖拉机

图2 振动传感器

图3 振动过程测试流程图

为分析拖拉机不同关键位置的振动特性，选取了东方红-354拖拉机上17个测点，具体分布如图4所示。其关键位置包括拖拉机的前桥、后桥、轮胎、发动机、驾驶座底板、方向盘、驾驶座椅、驾驶室悬置及排气筒等，相应的平面坐标如表1所示。

图4 测试点分布图

要全面测试拖拉机的振动情况，就要考虑拖拉机不同的运行状态及所处的不同环境情况。按照拖拉机的位移进行划分，可将拖拉机振动测试分为静态测试和动态测试。在静态测试过程中，需要对拖拉机的整体振动情况进行测试分析，以拖拉机座椅中点为中心建立空间直角坐标系，以拖拉机前进方向作为X轴的正方向，左向方向为Y轴的正方向，铅垂面向上为Z轴的正方向，测试点为全部17个测试点。

表1 测点坐标位置

为了能够更加科学合理地测定拖拉机振动强度的大小和分布状况，把发动机转速分为低转速、中转速和高转速3种不同情况来测定拖拉机的振动情况。在动态测试过程中，根据实际的测试环境和条件，同时考虑拖拉机振动对人员舒适性及操作性影响，选取测试点15和测试点16作为被测对象。由于拖拉机的振动影响主要来自于铅垂Z方向，而沿X方向和Y方向的振动强度变化较小，同时拖拉机在行进过程中存在侧向偏移，所以选择铅垂方向来测试其振动强度的相关数据。选取的路面工况为柏油路面及沙土路面；运行控制档位分为低速档(Ⅰ～Ⅳ挡)、中速档(Ⅰ～Ⅳ挡)和高速档(Ⅰ～Ⅳ挡)的12个档位。分别测试在不同的路面及档位条件下，拖拉机处于匀速运行状态时的平均振动加速度数据。

2 实验测试结果与分析

由于在拖拉机运行的过程中，振动所产生的能量冲击会对驾驶员的身体状况及能量有效利用造成较大影响，所以选用加速度值表示拖拉机的振动强度。

2.1 拖拉机的静态振动特性分析

为更加直观分析拖拉机17个测试点在静态工况下的振动数据，利用MatLab软件分别绘制出拖拉机处于低转速、中转速和高转速时的三维振动曲面图，如图5所示。

(a) 低转速

(b) 中转速

上述静态测试数据表明：在低转速条件下，拖拉机振动加速度最大的位置出现在发动机附近；在中转速及高速条件下，加速度最大的位置为驾驶座底板、排气筒及发动机位置。通过上述数据对比发现：随着发动机转速的增加，拖拉机整体上振动强度会不断增加；发动机的振动增长速度较为缓慢，而排气筒和驾驶座底板的振动强度会显著增加，增速明显高于其他位置。

2.2 拖拉机的动态振动特性分析

在动态测试过程中，以测试点15和测试点16为测试位置，分析路面环境和运行条件对振动特性的影响。分别对拖拉机在柏油路面及沙土路面以及在不同运行档位的稳态运行条件下的振动特性进行测试，档位对应的运行条件编号如表2所示。

表2 拖拉机档位编号

图6、图7展示了拖拉机座椅底板(测试点15)和座椅(测试点16)位置在不同的路面条件下的振动加速度随拖拉机档位(运行速度)的变化曲线。振动加速度均为铅垂方向(Z方向)，测试数据均在拖拉机稳态运行条件下获得。

图6所示实验数据结果表明：拖拉机的座椅底板(测试点15)的运动加速度值随着运行速度(档位)的增加而加大。沙土路面相较柏油路面而言，当拖拉机处于低速运行时，沙土路面拖拉机座椅底板(测试点15)的运动加速度值较大；而当拖拉机处于中速及高速匀速运行状态时，其加速度值反而相对较小。这主要由于在拖拉机处于低速时，引起拖拉机振动的主要原因是路面的不平整；在拖拉机处于高速状态时，拖拉机的振动主要由发动机造成，沙土路面反而起到减振作用。图7表明：座椅(测试点16)的垂直振动加速度同样随着运行速度的升高而增大，沙土路面的振动加速度要高于柏油路面的振动加速度。