拖拉机田间作业的振动特性检测与异常振动故障分析

刘春峰

(镇赉县黑鱼泡镇综合服务中心，吉林 镇赉 137314)

0 引言

随着我国农业机械化生产的快速发展，农业机械的普及率持续提升，拖拉机作为农业生产中最基础、使用最广泛的农业机械，其性能对于农业生产的顺利实施意义重大。拖拉机在田间参与生产的过程中，往往处于重负载、路面崎岖、频繁换挡、高负荷作业的工况下，加之田间作业面临的雨水、粉尘等不利因素，很容易导致拖拉机的性能逐渐下降，甚至产生较为严重的故障问题。一直以来，对拖拉机进行振动监测是故障判断的主要方式之一，近年来的很多研究工作也都倾向于通过振动特性的分析来辨别故障问题，从而实现异常故障的早期发现与维修，避免重大故障的产生。

1 振动特性的研究情况

拖拉机作为复杂的机械传动装置，其正常行驶过程中柴油机和各个传动部件相互配合能够产生相对稳定的振动频率，这是拖拉机的正常状态，尤其在机械技术的快速发展下，机械设计、机械制造的能力不断提升，拖拉机的产品品质得到提升，拖拉机自身工作所产生的振动得到了更好的控制，这更有利于通过振动特性的研究来分析拖拉机的整机工况，判断其是否存在异常及故障等问题。近年来，我国农机相关研究人员针对拖拉机的振动特性以及振动监测技术进行了大量的研究探索，为拖拉机故障排查工作提供了理论支持与实践指导。

薛金林等[1]针对轮式拖拉机振动系统横向固有频率进行了建模研究，建立了拖拉机横向和侧倾2自由度振动模型，并设计了拖拉机横向固有频率的计算方式，经过试验比较，证实了建模的合理性；郝欢欢等[2]针对约翰迪尔1204型拖拉机进行了整机振动特性的研究，利用小波变换的方法检测了拖拉机车桥、车体、座椅等位置的振动信号特征，分析了振动信号奇异性特征，设计了利用振动监测进行拖拉机驾驶预警的功能；范晓光等[3]针对东方红-354拖拉机展开了振动特性的相关研究，测试了拖拉机在静态和多种路面条件下的动态振动加速度的状态数据，通过数据分析加速度曲线的强度、分布以及变化规律，明确了引起拖拉机振动的主要原因，并给出了拖拉机减震和性能优化的建议。

2 振动特性的检测方法

2.1 振动产生的主要结构

拖拉机的主体结构如图1所示。发动机是拖拉机的动力源，其通过燃烧产生的能量驱动活塞、曲柄连杆结构运转，为拖拉机整体提供运转动力，也是拖拉机振动产生的主要位置之一；传动系统包括了离合器、变速箱、中央传动、末端传动等几大部分，能够将发动机的动力传递到拖拉机的各个工作部位，其运转过程也会产生相应的振动特征；转向系统是控制拖拉机前轮转向角度的装置，通常不会产生振动；制动系统安装于最终传动半轴上，用于拖拉机减速或停车，在使用中会产生轻微振动；行驶系统包括前轴、导向轮、驱动轮等，既起到驱动拖拉机移动的功能，还起到支撑拖拉机的功能，使用过程中会产生一定程度的振动；液压装置是为拖拉机提供行驶、转向助力和为配套机具提供液压力的装置，其使用过程会产生相对较小的振动；底盘是拖拉机各部件的安装基础，也是各部件相互配合的保证，通常不产生振动。

1.发动机；2.传动系统；3.转向系统；4.行驶系统；5.底盘；6.制动系统；7.液压装置

2.2 振动检测的常用装置

振动检测主要通过振动传感器(图2a)进行测量，对于拖拉机行驶振动，可通过振动传感器配合加速度传感器(图2b)进行测量。对于拖拉机的振动状态监测，通常将振动传感器安装于拖拉机驾驶室底部，前、后桥位置，以及其他重要的传动位置，并通过拖拉机的ECU对振动数据进行记录，供振动特性研究使用。对于存在故障问题的拖拉机，可将振动传感器安装于可能存在故障的结构上，获取该结构的振动数据，并进行振动特性分析，判断是否确实存在故障。

图2 振动检测常用传感器

2.3 振动特性的特征分析

1)总体来讲，影响拖拉机田间行驶过程中的振动因素主要包括地表状态、行驶速度、拖拉机机械状态几大方面。在行驶速度方面，拖拉机产生的振动幅度呈现先增大后减小的趋势，而振动的频率随车速增加而增加；其他状态相同时，拖拉机在负载状态下的振动幅度增大；正常状态下拖拉机机械传动结构产生的振动呈现规律的周期性变化。

2)当拖拉机的机械结构出现损坏而工况异常时，振动传感器获取的振动信号将出现明显的异常，因磨损而导致配合面间隙增大的多表现为振幅明显增大，振动频率整体稳定性下降，可出现随机大振幅；因齿轮、蜗轮蜗杆损坏而造成的工况异常，多表现为周期性振幅增加，振动的异常具有一定的规律性，在时间间隔、振动变化强度方面呈现周期性近似；对于紧固零件松动引起的工况异常，常表现为振动频率和振动幅度的无规律增加，且伴随着随机的大振幅[4]。

3 典型异常振动实例分析

拖拉机出现异常振动的原因是多方面的，但异常故障的出现多数代表着拖拉机的某些功能或结构出现了故障问题，而对于拖拉机常见故障问题导致的振动，则必须寻找到故障的原因并予以解决，以确保拖拉机长期维持良好的工作状态，并具有合理的使用寿命。

3.1 柴油机产生的异常振动

某国产拖拉机，配套了35.3 kW(48马力)的柴油机，在使用2年时间后出现有节奏的异常振动，振动频率与发动机转速明显相关，并在振动产生的过程存在有节奏的敲击声。根据故障特征重点从以下4方面排查故障原因，一是排查是否供油提前角调整不当；二是排查活塞销与连杆衬套间隙是否在正常工况范围；三是检查连杆轴承间隙是否正常，分析是否出现严重磨损；四是是否由于齿轮严重磨损，齿侧间隙过大，导致出现啮合撞击振动。根据以上初步分析，调用了发动机振动传感器记录的振动数据，明确了振动产生的间隔与发动机转速成正比，且突发振幅较大，结合振动声音判断，声音以敲击声为主，敲击时振动强且音调尖锐，因此初步排除供油提前角故障和轴承磨损故障，将检查重点侧重于活塞销与连杆衬套间隙故障及齿轮啮合故障方面，而对于尖锐的敲击声和振动监测显示振动频率数据，更近似于于活塞销与连杆衬套运动周期，因此对活塞销配合部件进行拆解，并确定配合间隙存在明显磨损，对其进行成套更换后，故障问题消失[5]。

3.2 离合器产生的异常振动

某进口大马力拖拉机，日常使用中主要用于配合联合整地机作业使用，在使用过程中踩踏离合器时出现明显跳动，并伴随有异响。针对这一故障，在离合器位置安装了振动传感器检测离合器的振动特征，用以判断其振动产生的原因。导致离合器出现振动故障的原因主要包括以下几大方面：一是离合器的保养润滑工作不到位，导致离合器形成阻塞，使自由行程缩小，导致离合器工况异常，因磨损而产生振动；二是离合器的摩擦弹簧损坏，导致在放松离合器踏板过程中出现振动；三是由于离合器的变速器输入轴的轴承磨损，导致输入轴工作中稳定性不足，易出现间歇性振动；四是分离轴承套筒磨损，导致在踩下离合器踏板时出现异常振动；五是膜片弹簧断裂导致发动机运转过程离合器踏板持续传来振动和异响。针对拖拉机出现的故障问题，将离合器正常使用过程的振动信息收集并汇总，利用大数据系统分析离合器振动频率的故障原因，系统显示故障问题出现的最大概率位于离合器的变速器输入轴故障，概率为67.5%，其次为分离轴承套筒故障，概率为12.7%。因此，重点检查了变速器输入轴，其弹簧已处于损坏状态，对其进行更换则故障排除。

3.3 变速箱产生的异常振动

某国产拖拉机换挡过程中出现异常振动问题，驾驶员驾驶过程的振动感觉明显，经过初步检测确定振动来源位于变速箱结构，因此，针对变速箱进行了振动监测与故障分析。变速箱中的机械零件众多，传动结构更为复杂，导致产生异常故障的因素也很多，常见因素包括以下几项：一是传动齿轮损坏产生振动，包括齿面损伤、啮合间隙不良、齿轮轮齿变形等；二是轴承磨损严重出现配合松旷，因传动是轴承间隙不良导致出现周向配合松动，从而产生传动振动问题；三是传动零件紧固不当，部分紧固螺栓松动造成传动过程出现异响。变速箱的故障判断往往相对复杂，从传感器监测的数据来看，振动的特征是只在换入第二挡位时出现明显的撞击振动，通过数据比对，较大可能是由于换挡时齿轮相撞击而发响。由于其他挡位不存在故障，可排除离合器分离故障，重点检查Ⅱ挡轴承和齿轮是否磨损或损坏，拆开后确定轴承1个滚珠碎裂，部分滚珠存在烧蚀麻点，更换轴承后故障消失[6]。

3.4 传动轴产生的异常振动

某拖拉机在中高速行驶过程出现明显振动，而在低速行驶时振动则不明显，通过振动监测确定振动来自拖拉机的传动轴。故针对传动轴展开故障分析。传动轴常见的异常振动原因包括以下几点：一是传动轴松动，常见原因包括凸缘盘连接螺栓松动、万向节十字轴磨损等；二是传动轴动平衡不良，可能由于传动轴变形或平衡块脱落所导致；三是中间支承松旷，可能是由于中间支承安装方法不当、车架变形等原因导致的。通过对传动轴的振动图谱进行分析，可见振动特征是连续、均匀的中等振幅振动，这更类似于中间支承松旷导致的振动。通过对中间支撑的滚动轴承进行重新安装，振动问题得到解决。

4 结语

拖拉机的异常振动是其机械内部存在故障的表征，通过先进的振动检测与分析设备能够帮助农机维修人员快速缩小故障范围，为合理维修提供更好的保障。在实际生产过程中，拖拉机的很多故障问题是由于日常使用保养不当造成的，例如支架螺栓松动、铆钉松动也都会产生明显的振动问题，为振动故障检测增加难度，因此，拖拉机驾驶员应重视拖拉机的合理使用与维护，从而有效减少拖拉机振动故障的发生率，在出现故障时及时进行维修，避免故障的扩大化。

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