不同驅動方式對拖拉機振動特性的影響

王利娟，張 永，閆建國，崔紅梅，侯占峰

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

近年來，為提高拖拉機的適應性，滿足配套更多系列農機具的使用要求，拖拉機的四驅化程度越來越高。四輪驅動可將牽引力分散到每個車輪上，在農田作業時有效改善附著條件、克服作業中大負荷牽引阻力，并減少車輪的打滑現象。研究表明：拖拉機在田間作業時，相同條件下前輪參與驅動的四驅方式比前輪不參與驅動的兩輪驅動牽引效率提高7%～14%，打滑率下降7%～26%[1]。

拖拉機的主要用途是附帶農機具從事農業作業，受自身結構形式、作業場地和工作條件等因素的影響，拖拉機的振動特性有其特殊的規律，掌握這些規律可為拖拉機的減振設計提供依據。國內外研究者對拖拉機的振動特性做了很多深入細致的研究。CUONG等人通過田間試驗研究了胎壓、前進速度和土壤濕度對拖拉機前橋、后橋和機體振動特性的影響[2]。NGUYEN和INABA研究了胎壓和前進速度對小型拖拉機后橋振動和車輪動載荷的影響[3]。朱思洪和承鑒等人分別研究了農機具對拖拉機振動特性產生的影響[4-5]。王銀芝研究了不同地面激勵、載荷狀態和前進速度對拖拉機振動特性的影響[6]。

這些研究成果為合理設計拖拉機懸架和減振座椅參數奠定了基礎，但有關拖拉機振動特性的研究都集中在兩輪驅動方式下。由于牽引阻力的變化，拖拉機在農田作業中需要兩驅與四驅方式的切換，而有關兩驅與四驅方式下拖拉機振動特性的對比研究甚少[7]。為了明確不同驅動方式對拖拉機振動特性的影響，開展了不同驅動方式、作業條件和前進速度組合下的拖拉機振動田間試驗，為具有四驅功能的拖拉機減振設計提供有價值的參考。

1 田間試驗

1.1 試驗設備

田間試驗采用約翰迪爾904拖拉機，附帶的作業機械是內蒙古農業大學自行研制的4SW-170型馬鈴薯挖掘機，主要參數如表1所示。

試驗采用億恒公司生產的16通道AVANT MI-7016振動數據采集與分析儀，傳感器采用單軸向IEPE壓電式加速度傳感器，量程±50g，分辨率0.000 3g，頻率響應0.5～7 000Hz，工作溫度范圍-40～120℃，傳感器靈敏度為100mV/g。試驗車速由V-BOX測試裝置利用GPS速度傳感器適時監測并顯示，GPS速度傳感器的型號為MN24/RLVB10SPS，測量速度范圍為0.1～1 600km/h，速度分辨率為0.01km/h。為保證接受衛星信號良好，GPS速度傳感器的天線感應塊安裝于拖拉機駕駛室頂部。

表1 拖拉機和馬鈴薯挖掘機的基本參數

1.2 試驗條件

拖拉機振動測試(2015年10月6日)在內蒙古呼和浩特市前乃莫板村農田中進行，試驗地為待收獲的馬鈴薯農田。試驗前地塊經過除秧處理，地塊平坦，水澆地壟作，平均壟高32cm。田間土壤主要是沙土壤，土壤含水率為14.8%，壟上地表、15cm和30cm處的土壤堅實度分別是39、104、219N/cm2，壟溝地表和10cm處的土壤堅實度分別是67N/cm2和264N/cm2。

1.3 試驗方法

將3個單軸向加速度傳感器分別布置在拖拉機前橋、座椅安裝處(即座椅下方的機體上)和后橋(見圖1)，傳感器的采樣頻率設置為320Hz。為保證GPS信號良好，將GPS速度傳感器的天線感應塊吸附在拖拉機頂部的金屬部件上，車速顯示裝置用膠帶固定在儀表盤上方，方便駕駛員查看并保持穩定車速。試驗包括拖拉機在不同驅動方式下附帶馬鈴薯挖掘機行走和收獲作業的振動測試，收獲作業時通過液壓系統調節使挖掘深度為20cm左右。由于附帶的馬鈴薯挖掘機適宜的作業速度范圍是1～3km/h左右[8]，為區分不同作業速度下的振動情況，同時兼顧馬鈴薯挖掘機收獲作業時薯土分離效果和馬鈴薯破皮率符合要求等因素，試驗時選擇發動機轉速穩定在1 400r/min時的3個不同擋位車速(分別為1.11、2.03、2.78km/h)進行測試。試驗車速由V-BOX車速測試裝置監測，車速穩定后開始測試。試驗組別為2種驅動方式×3種前進速度×2種作業條件×3次重復性，共包括36組試驗，每組試驗的測試段隨機選取且不重復，測試段保持拖拉機沿壟溝直線前進，每組測試時長為30s。

圖1 振動加速度傳感器測試點位置及試驗現場圖

2 結果與分析

通過計算和分析拖拉機各測試部位振動加速度均方根值RMS及其頻域分布，對比不同驅動方式下拖拉機振動特性的差異。拖拉機附帶農機具作業時，輪胎與地面的相互作用及發動機、傳動系統、農機具運轉產生的振動激勵通過車橋和車架傳遞到機體上，因此前橋、后橋和座椅連接處的振動水平可有效反映拖拉機整體的振動水平，振動水平的高低可以由振動加速度均方根值RMS大小來表征[9-10]。已有的研究表明：拖拉機和農機具在各種作業條件下的振動能量主要集中在0～20Hz的低頻范圍[11-16]，因此基于傅里葉變換分析0～20Hz范圍的振動加速度均方根值RMS，以確定振動信號在頻域的特征。同時，計算前橋、后橋和座椅連接處在整個測試時段上的振動加速度RMS值，其大小可以反映振動能量的大小。

以下對拖拉機各部位(前橋、座椅連接處和后橋)垂直振動加速度進行頻域分析。附帶馬鈴薯挖掘機行走工況的部分測試分析結果如圖2～圖4所示，附帶馬鈴薯挖掘機收獲作業的部分測試分析結果如圖5～圖7所示。所有測試組中各部位振動加速度均方根值RMS在3次重復試驗取均值的結果如表2和表3所示。

圖2 拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機以1.11km/h速度行走時各部位的振動頻域圖

圖3 拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機以2.03km/h速度行走時各部位的振動頻域圖

圖 4 拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機以2.78km/h速度行走時各部位的振動頻域圖

圖 5 拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機以1.11km/h速度收獲作業時各部位的振動頻域圖

圖6 拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機以2.03km/h速度收獲作業時各部位的振動頻域圖

圖7 拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機以2.78km/h速度收獲作業時各部位的振動頻域圖

由圖2～圖4可知：無論兩驅還是四驅方式，附帶馬鈴薯挖掘機在田間行走時，拖拉機各部位的振動信號主要是周期信號，振動加速度RMS峰值頻率集中在1～3Hz；隨著前進速度的增加，各部位振動峰值頻率處加速度RMS值變大，拖拉機振動強度加大。

由圖5～圖7可知：與行走工況相比，附帶馬鈴薯挖掘機收獲作業時，相同車速下拖拉機各部位的振動強度明顯變大，說明牽引阻力的增加對拖拉機振動起到顯著的促進作用；隨著作業速度的增加，各部位振動水平上升較快，且振動信號的隨機成分明顯增加。作業速度為1.11km/h和2.03km/h時，拖拉機各部位振動能量主要集中在0～5Hz；作業速度為2.78km/h時，各部位振動能量主要集中在0～10Hz。每種車速下，相比前輪不參與驅動的兩驅方式，拖拉機在四驅時各部位振動水平均有所下降，且作業速度越高，四輪驅動使各部位振動水平降低的程度越顯著。對4SW-170型馬鈴薯挖掘機挖掘鏟的牽引阻力試驗研究表明[17-18]：作業速度與挖掘鏟工作阻力成非線性正向關系，即作業速度越高，挖掘鏟阻力越大。拖拉機采用四驅方式時能夠克服大負荷的牽引阻力，可以起到提高牽引效率和降低打滑率的作用，有助于抑制拖拉機的振動。

表2 兩驅和四驅方式下拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機行走作業時的振動加速度均方根值

表中各部位振動加速度均方根值RMS是3次重復試驗的均值。其中，RMSf、RMSs和RMSr分別代表前橋、座椅連接處和后橋的振動加速度均方根值，RMSv代表拖拉機整體振動加速度均方根值，RMSv=(RMSf+RMSs+RMSr)/3。

表3 兩驅和四驅方式下拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機收獲作業時的振動加速度均方根值

表中各部位振動加速度均方根值RMS是3次重復試驗的均值。其中，RMSf、RMSs和RMSr分別代表前橋、座椅連接處和后橋的振動加速度均方根值，RMSv代表拖拉機整體振動加速度均方根值，RMSv=(RMSf+RMSs+RMSr)/3。

由表2可知：在相同前進速度和驅動方式下，拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機行走作業時RMSf>RMSs>RMSr；前進速度由1.11km/h增加到2.78km/h時，兩驅方式下前橋、座椅連接處和后橋振動加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為1.99、0.69、0.63m/s2，四驅方式下前橋、座椅連接處和后橋振動加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為1.77、0.59、0.54m/s2。由此可見，四驅時拖拉機各部位振動水平隨車速上升的幅度較兩驅時小。無論哪種驅動方式，行走作業中前橋振動水平隨車速增加而提高的幅度最大。

由表3可知：收獲作業時，隨著作業速度的增加，拖拉機各部位振動加速度RMS值增加很快。相同車速和驅動方式下，拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機收獲作業時RMSf>RMSr>RMSs，這種趨勢由圖5～圖7中也可以看出來。前進速度由1.11km/h增加到2.78km/h時，兩驅方式下前橋、座椅連接處和后橋振動加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為2.52、0.93、1.04m/s2，四驅方式下前橋、座椅連接處和后橋振動加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為2.05、0.85、0.85m/s2。同樣，收獲作業四驅時拖拉機各部位振動水平隨車速上升的幅度較兩驅時小。無論哪種驅動方式，收獲作業中前橋振動水平隨車速增加而提高的幅度最大，靠近馬鈴薯收獲機連接部位的后橋振動水平隨車速增加幅度較座椅連接處更大。這說明，挖掘機工作時牽引阻力的增加使后橋振動水平明顯提高。

由表2和表3可知：四驅方式下附帶馬鈴薯挖掘機以車速1.11、2.03、2.78km/h行走時，拖拉機整體振動加速度均方根值比兩驅時分別減少-0.03、0.03、0.11m/s2，振動水平分別降低-5.3%、2.4%和6.7%，四驅收獲作業時拖拉機整體振動加速度均方根值比兩驅時分別減少0.08、0.16、0.32m/s2，振動水平分別降低7%、9%和12.2%。因此，車速越高、作業負荷越大時，四驅方式對拖拉機整體振動水平的降低作用越為顯著。

根據表2和表3中的數據，做出不同驅動方式、前進速度和作業條件下拖拉機各部位振動水平的對比情況，如圖8所示。

圖8 不同驅動方式、作業條件和前進速度組合下拖拉機各部位振動水平對比

由圖8(a)、(c)、(e)可知：前進速度為1.11km/h和2.03km/h時，拖拉機在兩驅和四驅方式下行走作業時各部位振動加速度RMS值都比較相近。這說明，拖拉機附帶馬鈴薯挖掘機在田間低速行走時，不同驅動方式對其振動特性沒有明顯影響。當行走速度為2.78km/h時，拖拉機在四輪驅動時各部位振動RMS值較兩輪驅動時均有所下降，且前橋振動水平下降最為明顯。根據文獻[4]的研究結果，拖拉機附帶農具會使質心后移，分配到前輪的靜載荷會變小，農具質量越大，行走時前輪的動載荷越大。因此，動載荷會抵消前輪的靜載荷，加劇前輪的跳動，且速度越高時，由地面起伏引起的前輪跳動越頻繁，產生的振動也會越大；而四輪驅動可以改善附著條件，使前輪被有效驅動并向前壓向土壤，提高牽引效率的同時在一定程度上抑制了由跳動產生的振動。

由圖8(b)、(d)、(f)可知：每種車速下，相比前輪不參與驅動的兩驅方式，拖拉機收獲作業四驅時前橋、座椅連接處和后橋的振動水平均有所下降，且作業速度越高，四驅方式使各部位振動水平下降的程度越顯著。

3 結論

試驗結果表明，不同驅動方式對拖拉機振動特性有明顯影響。前進速度由1.11km/h增加到2.78km/h時，四輪驅動附帶馬鈴薯挖掘機行走作業時拖拉機前橋、座椅安裝處和后橋振動加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr較兩輪驅動時分別減小了0.22、0.1、0.09m/s2，而四輪驅動收獲作業時分別減小了0.47、0.08、0.19m/s2，說明四驅相比兩驅時拖拉機各部位振動水平隨車速升高而上升的幅度有所減小。四驅方式下附帶馬鈴薯挖掘機在車速1.11、2.03、2.78km/h行走時，拖拉機整體振動加速度均方根值RMSv比兩驅時分別減少-0.03、0.03、0.11m/s2，振動水平分別降低-5.3%、2.4%和6.7%，而四驅收獲作業時拖拉機整體振動加速度均方根值比兩驅時分別減少0.08、0.16、0.32m/s2，振動水平分別降低7%、9%和12.2%。這說明四輪驅動有助于減小拖拉機附帶農機具進行收獲作業時的振動水平，與VILLIBO等人研究的四輪驅動可以降低在耕地和耙地作業中拖拉機前橋和后橋振動水平的結論基本一致[7]。作業車速越高、牽引負荷越大時，四驅方式對拖拉機整體振動水平的降低作用越顯著。但是，驅動方式對拖拉機在各種作業條件下其前橋、座椅安裝處和后橋振動信號的類型和振動能量的頻率分布影響不明顯。