東方紅-354拖拉機(jī)振動(dòng)特性研究

范曉光，張本華，王君玲，馮龍龍，劉劭航

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽 110866)

0 引言

隨著機(jī)械技術(shù)及制造工藝的不斷提高，機(jī)械的振動(dòng)問題得到了較大改善。但對(duì)于操作機(jī)械設(shè)備的工作人員而言，機(jī)械振動(dòng)仍是降低舒適度的最大問題，噪聲困擾將嚴(yán)重影響到工人正常的工作效率及個(gè)人的身心健康[1]。因此，對(duì)拖拉機(jī)的振動(dòng)性能進(jìn)行相關(guān)測(cè)試與分析，深入探索其影響因素，掌握其內(nèi)在規(guī)律十分必要。

諸多學(xué)者對(duì)機(jī)動(dòng)裝置振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了細(xì)致研究，發(fā)現(xiàn)若振動(dòng)能量向機(jī)架和駕駛室傳遞過多，必然導(dǎo)致能量損失增大，影響能量的有效利用[2-3]。孟凡龍等[4]以汽車變速器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行多工況下振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試與分析，獲得了變速器振動(dòng)貢獻(xiàn)較大的頻率，確定了容易引起變速器共振的頻率。黃雪濤等[5]對(duì)某輕型載貨汽車產(chǎn)生的低頻振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)引起汽車產(chǎn)生低頻振動(dòng)的主要原因是車輛系統(tǒng)的固有頻率與車輪動(dòng)不平衡引起的激勵(lì)頻率接近，導(dǎo)致了車輛系統(tǒng)的共振。趙永立等[6]基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了虛擬振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，并通過測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與有效性。李敏通等[7]設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)整車振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)整車振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，認(rèn)為拖拉機(jī)整車振動(dòng)是混沌振動(dòng)。李帥等[8]從定性角度分析了拖拉機(jī)座椅振動(dòng)系統(tǒng)性能，并通過對(duì)座椅振動(dòng)頻響曲線的辨識(shí)建立數(shù)學(xué)模型，得到彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)及固有頻率等系統(tǒng)振動(dòng)特性參數(shù)。揭琳鋒等[9]利用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行了分析，并建立了嚙合齒輪副單自由度振動(dòng)模型。姚艷春等[10]通過振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)分析方法研究玉米收獲機(jī)車架的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)振幅大小依次為車架后橋上方、發(fā)動(dòng)機(jī)橫梁位置、發(fā)動(dòng)機(jī)縱梁位置及車架前橋上方，其中車架后橋上方振幅已超過發(fā)動(dòng)機(jī)振幅。

雖然眾多學(xué)者對(duì)汽車、拖拉機(jī)及農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，但仍需進(jìn)一步認(rèn)知拖拉機(jī)在靜態(tài)及不同路面條件下的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性。為此，以東方紅-354拖拉機(jī)的振動(dòng)源作為研究對(duì)象，利用振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)定其關(guān)鍵部位在不同路面動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下的振動(dòng)加速度，從而獲取拖拉機(jī)振動(dòng)的最直接數(shù)據(jù)資料。

1 測(cè)試對(duì)象及方法

拖拉機(jī)的振動(dòng)只是諸多工程振動(dòng)形式中的一種，所以適用于傳統(tǒng)的機(jī)械研究方法。以東方紅-354拖拉機(jī)的振動(dòng)源作為研究對(duì)象(見圖1)，其功率為26kW，四輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性好。在測(cè)試過程中，利用振動(dòng)傳感器(見圖2)，將機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)量通過振動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由于從傳感器中所獲取的這些電信號(hào)通常都比較微小，難以進(jìn)行傳輸且會(huì)和各種物理量進(jìn)行混合傳輸，因此需要使用信號(hào)調(diào)理器對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行放大處理，同時(shí)濾掉不必要的干擾波形；然后，將電信號(hào)經(jīng)過處理之后輸入到數(shù)據(jù)采集卡之中，處理形成數(shù)字信號(hào)，通過應(yīng)用軟件LABVIEW對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。具體分析測(cè)試過程如圖3所示。

圖1 東方紅-354拖拉機(jī)

圖2 振動(dòng)傳感器

圖3 振動(dòng)過程測(cè)試流程圖

為分析拖拉機(jī)不同關(guān)鍵位置的振動(dòng)特性，選取了東方紅-354拖拉機(jī)上17個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體分布如圖4所示。其關(guān)鍵位置包括拖拉機(jī)的前橋、后橋、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛座底板、方向盤、駕駛座椅、駕駛室懸置及排氣筒等，相應(yīng)的平面坐標(biāo)如表1所示。

圖4 測(cè)試點(diǎn)分布圖

要全面測(cè)試拖拉機(jī)的振動(dòng)情況，就要考慮拖拉機(jī)不同的運(yùn)行狀態(tài)及所處的不同環(huán)境情況。按照拖拉機(jī)的位移進(jìn)行劃分，可將拖拉機(jī)振動(dòng)測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。在靜態(tài)測(cè)試過程中，需要對(duì)拖拉機(jī)的整體振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試分析，以拖拉機(jī)座椅中點(diǎn)為中心建立空間直角坐標(biāo)系，以拖拉機(jī)前進(jìn)方向作為X軸的正方向，左向方向?yàn)閅軸的正方向，鉛垂面向上為Z軸的正方向，測(cè)試點(diǎn)為全部17個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

表1 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置

為了能夠更加科學(xué)合理地測(cè)定拖拉機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度的大小和分布狀況，把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分為低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速3種不同情況來測(cè)定拖拉機(jī)的振動(dòng)情況。在動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中，根據(jù)實(shí)際的測(cè)試環(huán)境和條件，同時(shí)考慮拖拉機(jī)振動(dòng)對(duì)人員舒適性及操作性影響，選取測(cè)試點(diǎn)15和測(cè)試點(diǎn)16作為被測(cè)對(duì)象。由于拖拉機(jī)的振動(dòng)影響主要來自于鉛垂Z方向，而沿X方向和Y方向的振動(dòng)強(qiáng)度變化較小，同時(shí)拖拉機(jī)在行進(jìn)過程中存在側(cè)向偏移，所以選擇鉛垂方向來測(cè)試其振動(dòng)強(qiáng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)。選取的路面工況為柏油路面及沙土路面；運(yùn)行控制檔位分為低速檔(Ⅰ～Ⅳ擋)、中速檔(Ⅰ～Ⅳ擋)和高速檔(Ⅰ～Ⅳ擋)的12個(gè)檔位。分別測(cè)試在不同的路面及檔位條件下，拖拉機(jī)處于勻速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的平均振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

由于在拖拉機(jī)運(yùn)行的過程中，振動(dòng)所產(chǎn)生的能量沖擊會(huì)對(duì)駕駛員的身體狀況及能量有效利用造成較大影響，所以選用加速度值表示拖拉機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度。

2.1 拖拉機(jī)的靜態(tài)振動(dòng)特性分析

為更加直觀分析拖拉機(jī)17個(gè)測(cè)試點(diǎn)在靜態(tài)工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用MatLab軟件分別繪制出拖拉機(jī)處于低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)的三維振動(dòng)曲面圖，如圖5所示。

(a) 低轉(zhuǎn)速

(b) 中轉(zhuǎn)速

(c) 高轉(zhuǎn)速

上述靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在低轉(zhuǎn)速條件下，拖拉機(jī)振動(dòng)加速度最大的位置出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)附近；在中轉(zhuǎn)速及高速條件下，加速度最大的位置為駕駛座底板、排氣筒及發(fā)動(dòng)機(jī)位置。通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，拖拉機(jī)整體上振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)不斷增加；發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)增長(zhǎng)速度較為緩慢，而排氣筒和駕駛座底板的振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)顯著增加，增速明顯高于其他位置。

2.2 拖拉機(jī)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性分析

在動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中，以測(cè)試點(diǎn)15和測(cè)試點(diǎn)16為測(cè)試位置，分析路面環(huán)境和運(yùn)行條件對(duì)振動(dòng)特性的影響。分別對(duì)拖拉機(jī)在柏油路面及沙土路面以及在不同運(yùn)行檔位的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試，檔位對(duì)應(yīng)的運(yùn)行條件編號(hào)如表2所示。

表2 拖拉機(jī)檔位編號(hào)

圖6、圖7展示了拖拉機(jī)座椅底板(測(cè)試點(diǎn)15)和座椅(測(cè)試點(diǎn)16)位置在不同的路面條件下的振動(dòng)加速度隨拖拉機(jī)檔位(運(yùn)行速度)的變化曲線。振動(dòng)加速度均為鉛垂方向(Z方向)，測(cè)試數(shù)據(jù)均在拖拉機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下獲得。

圖6所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：拖拉機(jī)的座椅底板(測(cè)試點(diǎn)15)的運(yùn)動(dòng)加速度值隨著運(yùn)行速度(檔位)的增加而加大。沙土路面相較柏油路面而言，當(dāng)拖拉機(jī)處于低速運(yùn)行時(shí)，沙土路面拖拉機(jī)座椅底板(測(cè)試點(diǎn)15)的運(yùn)動(dòng)加速度值較大；而當(dāng)拖拉機(jī)處于中速及高速勻速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其加速度值反而相對(duì)較小。這主要由于在拖拉機(jī)處于低速時(shí)，引起拖拉機(jī)振動(dòng)的主要原因是路面的不平整；在拖拉機(jī)處于高速狀態(tài)時(shí)，拖拉機(jī)的振動(dòng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)造成，沙土路面反而起到減振作用。圖7表明：座椅(測(cè)試點(diǎn)16)的垂直振動(dòng)加速度同樣隨著運(yùn)行速度的升高而增大，沙土路面的振動(dòng)加速度要高于柏油路面的振動(dòng)加速度。

圖6 不同路面條件下座椅底板(測(cè)點(diǎn)15)加速度測(cè)試值

圖7 不同路面條件下座椅(測(cè)點(diǎn)16)加速度測(cè)試值

3 結(jié)論

1)在靜態(tài)測(cè)試過程中，隨著拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)也隨之增加，但增長(zhǎng)速度比較緩慢，排氣筒位置和駕駛座底板的振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)急劇增加，增速明顯高于拖拉機(jī)上的其他區(qū)域。

2)在拖拉機(jī)處于低速狀態(tài)時(shí)，引起拖拉機(jī)振動(dòng)的主要原因是路面的不平度；而處于中速及高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，拖拉機(jī)的振動(dòng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)引起，沙土路面反而起到減振作用。

3)拖拉機(jī)座椅底板和座椅的垂直振動(dòng)加速度均隨著運(yùn)行速度的提升而增大，而在沙土路面運(yùn)行時(shí)拖拉機(jī)座椅的振動(dòng)加速度要高于柏油路面的振動(dòng)加速度。