拖拉機田間作業的振動特性檢測與異常振動故障分析

劉春峰

(鎮賚縣黑魚泡鎮綜合服務中心，吉林 鎮賚 137314)

0 引言

隨著我國農業機械化生產的快速發展，農業機械的普及率持續提升，拖拉機作為農業生產中最基礎、使用最廣泛的農業機械，其性能對于農業生產的順利實施意義重大。拖拉機在田間參與生產的過程中，往往處于重負載、路面崎嶇、頻繁換擋、高負荷作業的工況下，加之田間作業面臨的雨水、粉塵等不利因素，很容易導致拖拉機的性能逐漸下降，甚至產生較為嚴重的故障問題。一直以來，對拖拉機進行振動監測是故障判斷的主要方式之一，近年來的很多研究工作也都傾向于通過振動特性的分析來辨別故障問題，從而實現異常故障的早期發現與維修，避免重大故障的產生。

1 振動特性的研究情況

拖拉機作為復雜的機械傳動裝置，其正常行駛過程中柴油機和各個傳動部件相互配合能夠產生相對穩定的振動頻率，這是拖拉機的正常狀態，尤其在機械技術的快速發展下，機械設計、機械制造的能力不斷提升，拖拉機的產品品質得到提升，拖拉機自身工作所產生的振動得到了更好的控制，這更有利于通過振動特性的研究來分析拖拉機的整機工況，判斷其是否存在異常及故障等問題。近年來，我國農機相關研究人員針對拖拉機的振動特性以及振動監測技術進行了大量的研究探索，為拖拉機故障排查工作提供了理論支持與實踐指導。

薛金林等[1]針對輪式拖拉機振動系統橫向固有頻率進行了建模研究，建立了拖拉機橫向和側傾2自由度振動模型，并設計了拖拉機橫向固有頻率的計算方式，經過試驗比較，證實了建模的合理性；郝歡歡等[2]針對約翰迪爾1204型拖拉機進行了整機振動特性的研究，利用小波變換的方法檢測了拖拉機車橋、車體、座椅等位置的振動信號特征，分析了振動信號奇異性特征，設計了利用振動監測進行拖拉機駕駛預警的功能；范曉光等[3]針對東方紅-354拖拉機展開了振動特性的相關研究，測試了拖拉機在靜態和多種路面條件下的動態振動加速度的狀態數據，通過數據分析加速度曲線的強度、分布以及變化規律，明確了引起拖拉機振動的主要原因，并給出了拖拉機減震和性能優化的建議。

2 振動特性的檢測方法

2.1 振動產生的主要結構

拖拉機的主體結構如圖1所示。發動機是拖拉機的動力源，其通過燃燒產生的能量驅動活塞、曲柄連桿結構運轉，為拖拉機整體提供運轉動力，也是拖拉機振動產生的主要位置之一；傳動系統包括了離合器、變速箱、中央傳動、末端傳動等幾大部分，能夠將發動機的動力傳遞到拖拉機的各個工作部位，其運轉過程也會產生相應的振動特征；轉向系統是控制拖拉機前輪轉向角度的裝置，通常不會產生振動；制動系統安裝于最終傳動半軸上，用于拖拉機減速或停車，在使用中會產生輕微振動；行駛系統包括前軸、導向輪、驅動輪等，既起到驅動拖拉機移動的功能，還起到支撐拖拉機的功能，使用過程中會產生一定程度的振動；液壓裝置是為拖拉機提供行駛、轉向助力和為配套機具提供液壓力的裝置，其使用過程會產生相對較小的振動；底盤是拖拉機各部件的安裝基礎，也是各部件相互配合的保證，通常不產生振動。

1.發動機；2.傳動系統；3.轉向系統；4.行駛系統；5.底盤；6.制動系統；7.液壓裝置

2.2 振動檢測的常用裝置

振動檢測主要通過振動傳感器(圖2a)進行測量，對于拖拉機行駛振動，可通過振動傳感器配合加速度傳感器(圖2b)進行測量。對于拖拉機的振動狀態監測，通常將振動傳感器安裝于拖拉機駕駛室底部，前、后橋位置，以及其他重要的傳動位置，并通過拖拉機的ECU對振動數據進行記錄，供振動特性研究使用。對于存在故障問題的拖拉機，可將振動傳感器安裝于可能存在故障的結構上，獲取該結構的振動數據，并進行振動特性分析，判斷是否確實存在故障。

圖2 振動檢測常用傳感器

2.3 振動特性的特征分析

1)總體來講，影響拖拉機田間行駛過程中的振動因素主要包括地表狀態、行駛速度、拖拉機機械狀態幾大方面。在行駛速度方面，拖拉機產生的振動幅度呈現先增大后減小的趨勢，而振動的頻率隨車速增加而增加；其他狀態相同時，拖拉機在負載狀態下的振動幅度增大；正常狀態下拖拉機機械傳動結構產生的振動呈現規律的周期性變化。

2)當拖拉機的機械結構出現損壞而工況異常時，振動傳感器獲取的振動信號將出現明顯的異常，因磨損而導致配合面間隙增大的多表現為振幅明顯增大，振動頻率整體穩定性下降，可出現隨機大振幅；因齒輪、蝸輪蝸桿損壞而造成的工況異常，多表現為周期性振幅增加，振動的異常具有一定的規律性，在時間間隔、振動變化強度方面呈現周期性近似；對于緊固零件松動引起的工況異常，常表現為振動頻率和振動幅度的無規律增加，且伴隨著隨機的大振幅[4]。

3 典型異常振動實例分析

拖拉機出現異常振動的原因是多方面的，但異常故障的出現多數代表著拖拉機的某些功能或結構出現了故障問題，而對于拖拉機常見故障問題導致的振動，則必須尋找到故障的原因并予以解決，以確保拖拉機長期維持良好的工作狀態，并具有合理的使用壽命。

3.1 柴油機產生的異常振動

某國產拖拉機，配套了35.3 kW(48馬力)的柴油機，在使用2年時間后出現有節奏的異常振動，振動頻率與發動機轉速明顯相關，并在振動產生的過程存在有節奏的敲擊聲。根據故障特征重點從以下4方面排查故障原因，一是排查是否供油提前角調整不當；二是排查活塞銷與連桿襯套間隙是否在正常工況范圍；三是檢查連桿軸承間隙是否正常，分析是否出現嚴重磨損；四是是否由于齒輪嚴重磨損，齒側間隙過大，導致出現嚙合撞擊振動。根據以上初步分析，調用了發動機振動傳感器記錄的振動數據，明確了振動產生的間隔與發動機轉速成正比，且突發振幅較大，結合振動聲音判斷，聲音以敲擊聲為主，敲擊時振動強且音調尖銳，因此初步排除供油提前角故障和軸承磨損故障，將檢查重點側重于活塞銷與連桿襯套間隙故障及齒輪嚙合故障方面，而對于尖銳的敲擊聲和振動監測顯示振動頻率數據，更近似于于活塞銷與連桿襯套運動周期，因此對活塞銷配合部件進行拆解，并確定配合間隙存在明顯磨損，對其進行成套更換后，故障問題消失[5]。

3.2 離合器產生的異常振動

某進口大馬力拖拉機，日常使用中主要用于配合聯合整地機作業使用，在使用過程中踩踏離合器時出現明顯跳動，并伴隨有異響。針對這一故障，在離合器位置安裝了振動傳感器檢測離合器的振動特征，用以判斷其振動產生的原因。導致離合器出現振動故障的原因主要包括以下幾大方面：一是離合器的保養潤滑工作不到位，導致離合器形成阻塞，使自由行程縮小，導致離合器工況異常，因磨損而產生振動；二是離合器的摩擦彈簧損壞，導致在放松離合器踏板過程中出現振動；三是由于離合器的變速器輸入軸的軸承磨損，導致輸入軸工作中穩定性不足，易出現間歇性振動；四是分離軸承套筒磨損，導致在踩下離合器踏板時出現異常振動；五是膜片彈簧斷裂導致發動機運轉過程離合器踏板持續傳來振動和異響。針對拖拉機出現的故障問題，將離合器正常使用過程的振動信息收集并匯總，利用大數據系統分析離合器振動頻率的故障原因，系統顯示故障問題出現的最大概率位于離合器的變速器輸入軸故障，概率為67.5%，其次為分離軸承套筒故障，概率為12.7%。因此，重點檢查了變速器輸入軸，其彈簧已處于損壞狀態，對其進行更換則故障排除。

3.3 變速箱產生的異常振動

某國產拖拉機換擋過程中出現異常振動問題，駕駛員駕駛過程的振動感覺明顯，經過初步檢測確定振動來源位于變速箱結構，因此，針對變速箱進行了振動監測與故障分析。變速箱中的機械零件眾多，傳動結構更為復雜，導致產生異常故障的因素也很多，常見因素包括以下幾項：一是傳動齒輪損壞產生振動，包括齒面損傷、嚙合間隙不良、齒輪輪齒變形等；二是軸承磨損嚴重出現配合松曠，因傳動是軸承間隙不良導致出現周向配合松動，從而產生傳動振動問題；三是傳動零件緊固不當，部分緊固螺栓松動造成傳動過程出現異響。變速箱的故障判斷往往相對復雜，從傳感器監測的數據來看，振動的特征是只在換入第二擋位時出現明顯的撞擊振動，通過數據比對，較大可能是由于換擋時齒輪相撞擊而發響。由于其他擋位不存在故障，可排除離合器分離故障，重點檢查Ⅱ擋軸承和齒輪是否磨損或損壞，拆開后確定軸承1個滾珠碎裂，部分滾珠存在燒蝕麻點，更換軸承后故障消失[6]。

3.4 傳動軸產生的異常振動

某拖拉機在中高速行駛過程出現明顯振動，而在低速行駛時振動則不明顯，通過振動監測確定振動來自拖拉機的傳動軸。故針對傳動軸展開故障分析。傳動軸常見的異常振動原因包括以下幾點：一是傳動軸松動，常見原因包括凸緣盤連接螺栓松動、萬向節十字軸磨損等；二是傳動軸動平衡不良，可能由于傳動軸變形或平衡塊脫落所導致；三是中間支承松曠，可能是由于中間支承安裝方法不當、車架變形等原因導致的。通過對傳動軸的振動圖譜進行分析，可見振動特征是連續、均勻的中等振幅振動，這更類似于中間支承松曠導致的振動。通過對中間支撐的滾動軸承進行重新安裝，振動問題得到解決。

4 結語

拖拉機的異常振動是其機械內部存在故障的表征，通過先進的振動檢測與分析設備能夠幫助農機維修人員快速縮小故障范圍，為合理維修提供更好的保障。在實際生產過程中，拖拉機的很多故障問題是由于日常使用保養不當造成的，例如支架螺栓松動、鉚釘松動也都會產生明顯的振動問題，為振動故障檢測增加難度，因此，拖拉機駕駛員應重視拖拉機的合理使用與維護，從而有效減少拖拉機振動故障的發生率，在出現故障時及時進行維修，避免故障的擴大化。

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