基于加速度傳感器的拖拉機振動特性研究*

袁加奇， 鄧曉亭， 朱思洪， 馬佳富， 魯植雄

(南京農業大學 工學院 江蘇省農業智能化裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

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基于加速度傳感器的拖拉機振動特性研究*

袁加奇， 鄧曉亭， 朱思洪， 馬佳富， 魯植雄

(南京農業大學 工學院 江蘇省農業智能化裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

以常發CF700型拖拉機為研究對象，設計和建立了拖拉機整車振動加速度測試系統，分別測量了拖拉機前橋垂向、后橋垂向以及座椅和駕駛室底板位置的垂向、橫向、縱向等4個部位9個軸向的振動加速度。計算了座椅和駕駛室底板位置的聯合加速度均方根值，并通過幾何關系得到拖拉機質心處的垂向和俯仰角振動加速度以及加速度功率譜密度。實驗結果表明：拖拉機振動加速度隨行駛速度增加而增大，前橋加速度最大，座椅和駕駛室底板位置的垂向加速度較其他兩個方向偏大，其聯合加速度均方根值大于人體感覺極不舒適的標準。各軸向加速度功率譜密度的峰值均集中在3～5 Hz。

加速度傳感器； 測試系統； 振動加速度； 功率譜密度

0 引 言

拖拉機在田間作業或運輸狀態下會引起駕駛員的全身振動，容易引起駕駛員的疲勞[1～4]。研究拖拉機的振動特性，改善拖拉機的乘坐舒適性，提高拖拉機的行駛安全性和操縱穩定性成為當務之急。

對于振動加速度測量問題已經有了大量的研究和探索。陳鵬展等人[5]利用加速度傳感器采集的手勢動作信號實現對特定手勢的實時識別。王增躍等人[6]考慮到環境溫度對硅微加速度計檢測精度的影響，建立了加速度計溫度補償模型。李敏通等人[7]研究設計了拖拉機整車振動信號采集系統，并對拖拉機整車進行實測，認為拖拉機整車振動是混沌振動。暢雄勃[8]根據國家有關拖拉機駕駛員全身振動加速度的測量方法實證分析了不同行駛速度對駕駛員全身振動聯合加速度的影響。國內對拖拉機振動的測試主要集中在駕駛員處的振動加速度，而對于拖拉機整車的振動測試較少。拖拉機是一個復雜的多自由度振動系統，各個部位之間相互影響，對拖拉機整車進行振動測試能夠更好的了解拖拉機的振動情況，為后期改善國產拖拉機的乘坐舒適性提供一定的依據。

本文設計了拖拉機多部位振動加速度測試系統，采用兩個單相加速度傳感器和兩個三相加速度傳感器分別測試了前橋垂向、后橋垂向以及駕駛室底板和座椅位置的垂向、橫向、縱向的振動情況。LMS SCADAS Mobile前端與LVIS Test.Xpress實時分析軟件采集并分析振動加速度信號，實驗結果具有可靠性。

1 拖拉機系統參數

事實上，拖拉機各個方向的振動是相互耦合的，考慮到拖拉機結構的對稱性，將拖拉機簡化為圖1所示的平面模型。

圖1 拖拉機平面模型Fig 1 Tractor planar model

圖2 幾何關系Fig.2 Geometry relation

圖2為拖拉機平面模型垂直位移的幾何關系，由于車身俯仰角位移φb較小，有tanφb≈φb，可以得到拖拉機前橋、后橋、質心處、座椅位置的垂直位移和俯仰角位移之間存在的關系[9]如式1，式中，zbf為前橋垂向位移，zbr為后橋垂向位移，zs為座椅位置垂直位移，根據拖拉機的幾何關系可以得到拖拉機任意位置的垂直位移和俯仰角位移。

(1)

通過測量和計算獲得常發CF700型拖拉機系統的參數[10]，見表1所示。

2 實驗儀器與設備

測試系統原理圖見圖3所示。

圖3 測試系統原理圖Fig 3 Principle diagram of test system

3 試驗路面選擇

試驗所用路面為GB /T10910—2004[11]給出的100 m較平滑標準跑道，得到100 m較平滑標準跑道長度—路面不平度曲線如圖4所示。選取100 m較平滑跑道左轍路面計算功率譜密度曲線如圖5。由圖可知100 m較平滑跑道屬于D級路面。

圖4 雙轍實驗路面Fig 4 Double road surface

圖5 左轍功率譜密度Fig 5 PSD of left road

4 實驗方案設計

拖拉機前橋正下方和后橋正下方分別安裝一個單相加速度傳感器，座椅安裝位置和駕駛室底板位置分別安裝一個三相加速度傳感器，振動加速度傳感器在拖拉機上的安裝位置如圖6所示。振動測試時，拖拉機前輪胎氣壓為210 kPa，后輪胎氣壓為150 kPa。拖拉機分別以一擋位(4.93 km/h)、二擋位(8.78 km/h)和三擋位(12.41 km/h)分別在100 m較平滑跑道上行駛，每組實驗重復5次取平均值。

5 實驗結果分析

用加速度均方根值來評價振動強度，利用式(2)計算各軸向加速度均方根值

(2)

式中 aw(t)為實時加速度值，m/s2，aw為加速度均方根值，m/s2，T為測試時間，s。

拖拉機座椅和駕駛室底板位置的三個軸向的振動加速度存在耦合關系，為了評價振動的總效應，利用式(3)計算拖拉機聯合加速度均方根值

(3)

式中 aXW為縱向振動加速度均方根值，aYW為橫向振動加速度均方根值，aZW為垂向振動加速度均方根值，1.4為加速度加權系數。

實驗得到拖拉機前橋垂向、后橋垂向、座椅和駕駛室底板位置垂向、橫向、縱向的振動加速度均方根值見表1所示。

表1 振動加速度測試結果

由表可知拖拉機各部位的振動加速度均隨拖拉機行駛速度的增加而顯著增大，其中，拖拉機前橋垂向加速度最大，座椅位置和駕駛室底板位置的三個方向振動加速度中，橫向振動加速度較小，垂向振動加速度較大。座椅位置和駕駛室底板位置聯合加速度均方值見表2所示。

表2 聯合加速度均方根值

由表可知所測試的拖拉機座椅和駕駛室底板位置的振動聯合加速度均方根值高于國際標準ISO—2631—1∶1997中人體主觀感覺“極不舒適”所對應的加權加速度均方根值(>2 m/s2)，會損害駕駛員的身心健康。

拖拉機以二擋行駛速度在100 m較平滑標準跑道上行駛時，得到拖拉機前、后橋垂向振動加速度、機身質心處垂向、俯仰角振動加速度以及座椅安裝位置垂向振動加速度隨時間變化曲線，并對測得的數據進行了傅里葉變化得到各方向加速度功率譜密度如圖6～圖9所示。由加速度功率譜密度可知，拖拉機的固有頻率主要集中在3～5 Hz。

圖6 前、后橋垂向Fig 6 Front and rear axle

圖7 機身質心處垂向Fig 7 Vertical acceleration of mass center of fuselage

圖8 機身質心處俯仰角Fig 8 Pitch angle of mass center of fuselage

6 結 論

設計和建立了拖拉機整車多部位振動加速度測試系統，選取GB /T10910—2004規定的100 m較平滑標準跑道，測試拖拉機分別以三個不同速度檔位行駛時前橋、后橋、駕駛室底板以及座椅位置9個軸向的振動加速度。結果得到，拖拉機各部位振動加速度均隨拖拉機行駛速度的增加而增大，拖拉機前橋垂向加速度最大，座椅和駕駛室底板位置的橫向振動加速度較小，而垂向振動加速度較大。座椅和駕駛室底板位置的聯合加速度均方根值大于人體感覺極不舒適標準。由拖拉機各位置的振動加速度功率譜密度可知拖拉機固有頻率主要集中在3～5 Hz。本文的研究結論為后期拖拉機減振設計提高參考依據。

圖9 座椅位置垂向Fig 9 Vertical acceleration of seat position

[1] Wilder D,Magnusson M L,Fenwick J,et al.The effect of posture and seat suspension design on discomfort and back muscle fatigue during simulated truck driving[J].Applied Ergonomics,1994,25(2):66-76.

[2] 申中翰,黃清華,祝發榮,等.運輸車輛振動環境與人體響應的監測研究[J].振動與沖擊,2001,20(1):9-12.

[3] 樓少敏,許滄粟.車載式拖拉機座椅舒適性測試系統的研究[J].農業機械學報,2004,35(2):35-36,61.

[4] 曾 超,王文軍,陳朝陽,等.駕駛員疲勞狀態生理信號的DFA[J].傳感器與微系統,2016,35(1):7-10.

[5] 陳鵬展,羅 漫,李 杰.基于加速度傳感器的連續動態手勢識別[J].傳感器與微系統,2016,35(1):39-42.

[6] 王增躍,李孟委,劉國文.硅微加速度計溫度特性分析與誤差補償[J].傳感器與微系統,2016,35(1):25-28.

[7] 李敏通,楊 青,陳 軍.拖拉機整車振動測試系統的設計[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2010,38(5):229-234.

[8] 暢雄勃.拖拉機行駛速度對駕駛員全身振動聯合加速度的影響[J].中國農機化學報,2016,37(1):159-161,203.

[9] 屈維德,唐恒齡.機械振動手冊[M].2版.北京:機械工業出版社,2000.

[10] 聶信天,史慶春,朱思洪,等.拖拉機轉動慣量測量及誤差分析[J].機械科學與技術,2012,31(8):1325-1326.

[11] GB/T10910—2004農業輪式拖拉機和田間作業機械駕駛員全身振動的測量[S].洛陽拖拉機研究所、中國一拖集團有限公司,2004.

魯植雄,通訊作者，E—mail:luzx@njau.edu.cn。

Research on vibration characteristics of tractor based on acceleration sensor*

YUAN Jia-qi, DENG Xiao-ting, ZHU Si-hong, MA Jia-fu, LU Zhi-xiong

(Key Laboratory of Intelligent Equipment for Agriculture of Jiangsu Province,College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

Taking the CF700 tractor as research object,design and build up tractor vehicle vibration acceleration test system,measure tractor front and rear axle vertical acceleration as well as seats and cabin floor vertical,transverse and longitudinal vibration acceleration.Seats and cabin floor position joint acceleration RMS are calculated,and vertical and pitching angle vibration acceleration and PSD of tractor centroid are obtained through tractor geometric relation.The results show that the tractor vibration acceleration increases with the increase of speed,the front axle acceleration is biggest,the vertical acceleration of seat and cabin floor position is bigger than other direction and the joint acceleration RMS is greater than the standard of body feels uncomfortable.The acceleration PSD are concentrated in 3～5 Hz.The study provides important basis for the later development of tractor vibration reduction design.

acceleration sensor; test system; vibration acceleration; PSD

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0072—03

2016—03—07

國家自然科學基金資助項目(51275249)

S 219

A

1000—9787(2016)12—0072—03

袁加奇(1990-)，男，江蘇南京人，碩士,研究方向為車輛振動與控制。