某履帶拖拉機行駛性能的試驗分析

任宏生，張 拓，謝 鈮，劉 妤

(1.重慶市農業機械鑒定站， 重慶 402160； 2.重慶理工大學 機械工程學院， 重慶 400054)

拖拉機作為現代農業機械的典型代表，已經成為農業生產的骨干力量，為促進農業生產持續增長、農民持續增收發揮了重要作用[1-4]。據統計，全國拖拉機的保有量不斷增長，截至2013年，小型拖拉機的保有量已經超過了1 792.02萬臺[5-7]。

橡膠履帶拖拉機集成了輪式拖拉機和金屬履帶拖拉機的優點，具有接地比壓小、牽引性好、轉向靈活、機動性好、可靠性強、越野能力強、作業效率高、操縱舒適性良好、噪聲低、緩沖性好等優異性能[8]。本文以南方丘陵山區常用的某型橡膠履帶拖拉機為對象，通過田間試驗測試了其在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下的行駛速度、驅動輪轉速、履帶張緊力大小和駕駛員座椅處的振動加速度，并根據測試結果對其行駛性能進行了分析。

1 整機結構及工作原理

試驗用橡膠履帶拖拉機的整機結構如圖1所示。其行走裝置采用三角履帶底盤結構，主要由機架、發動機、單體泵柴油機、變速箱、履帶底盤、三點懸掛、旋耕機具和操縱系統等部分組成，主要性能參數如表1所示。拖拉機工作時，發動機通過變速箱為兩側驅動輪和后部旋耕機具提供動力，旋耕機具由三點懸掛固定，通過液壓系統控制機具升降并實現耕作。

1．機罩，2.發動機， 3.行走系統， 4.機架， 5.變速箱，6．三點懸掛， 7.旋耕機具， 8.護罩， 9.防翻架,10.遮陽棚， 11.操控系統

參數參數值整機尺寸(長×寬×高)/mm4 200×1 950×2 420履帶接地長度/mm1 605整機質量/kg2 200配套動力/kW66.2效率/(hm2·h-1)0.6主擋位4擋+空擋副擋位高速/低速/空擋

2 拖拉機行駛性能測試方案

結合該型拖拉機結構特點和驅動方式，確定其行駛性能的主要測試參數包括拖拉機在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下的行駛速度、兩側履帶驅動輪轉速、兩側履帶張緊力和駕駛員座椅處的振動加速度。

試驗中坐標定義如下：正常操作拖拉機時，前進方向為X方向，水平方向為Y方向，鉛垂方向為Z方向。試驗前，需利用土壤含水量速測儀和土壤硬度計對試驗場地的土壤含水量和土壤堅實度進行測量，以確保試驗條件的一致性。

2.1 行駛速度測量

本試驗采用P-Gear系統測量拖拉機的行駛速度。將帶磁性的P-Gear底座固定在拖拉機機罩上方，測試時，P-Gear對所采集的GPS信號的坐標數據進行二次差分，并通過藍牙方式傳輸數據，從而實現對履帶拖拉機行駛速度的實時測量。

2.2 驅動輪轉速測量

鑒于該型拖拉機工作時驅動輪的轉速較低，因此為提高測試精度，本試驗基于NJK-5002C型霍爾開關采用周期法測量驅動輪轉速。在驅動輪內側固定1個支架，將霍爾傳感器固定在支架上，每側驅動輪上均勻布置10片強磁鐵作為測點，調節霍爾傳感器與磁鐵的距離，使二者距離小于10 mm。當霍爾傳感器與強磁鐵的相對位置發生變化，磁通量發生變化，霍爾傳感器產生1個脈沖信號，傳感器每經過1個測點都會產生1個脈沖信號，脈沖信號間隔的時間對應驅動輪的轉速[9]。利用單片機采集脈沖信號的間隔時間，并換算為轉速，儲存至SD卡，從而實現對驅動輪轉速的實時采集。

2.3 履帶張緊力測量

履帶拖拉機的張緊力是通過張緊絲桿支撐張緊裝置提供，因此張緊裝置與張緊絲桿之間力的變化可以直接反映履帶張緊力的變化[10]。本試驗中，兩側履帶張緊力的變化值采用S型拉壓力傳感器和無紙記錄儀進行測量。張緊力采集裝置由測量裝置和數據采集裝置組成，其中測量裝置如圖2所示。將S型壓力傳感器固定在張緊絲桿與張緊架之間，并擰緊張緊絲桿，此時傳感器應力的變化可以反映履帶張緊力的變化。數據采集裝置如圖3所示，由24 V直流電源和無紙記錄儀組成。將無紙記錄儀與兩側壓力傳感器相連，通過無紙記錄儀對測試數據進行觀測和存儲。

圖2 張緊力測量裝置

圖3 張緊力測試數據采集裝置

2.4 駕駛員座椅處振動加速度測量

本試驗采用三軸加速度傳感器測量拖拉機座椅處的振動加速度。如圖4所示，調整加速度傳感器的安裝位置，使傳感器的X-Y-Z軸分別與所定義的試驗坐標系的X-Y-Z軸一致。

圖4 三軸加速度傳感器安裝示意

3 測試結果及分析

該型拖拉機行駛性能的測試試驗選擇在西充縣占山鄉進行。其中：在水泥地面的行駛性能測試所選擇的路段長60 m、寬3 m，路面比較平坦且無明顯的障礙物；在未耕地面和耕后地面的行駛性能測試均選擇在一段收獲之后的南瓜田進行，該田地長40 m、寬15 m，土壤含水量33.24%，土壤堅實度5.3 kg/m3，路面存在凹坑，且耕后深度為15 cm。

3.1 行駛速度分析

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測試了拖拉機在各擋位時的行駛速度。每組試驗重復進行6次再取平均值，由此得到的拖拉機在不同工況下的平均行駛速度，如圖5所示。可見，地形對該型履帶拖拉機行駛速度的影響較小。

圖5 拖拉機各工況下的平均行駛速度

3.2 驅動輪轉速分析

本試驗采用周期法測量驅動輪轉速，利用單片機記錄霍爾傳感器產生脈沖信號的間隔時間并轉換為驅動輪瞬時角速度。相應的計算公式為

(1)

式中：ωi為驅動輪的瞬時角速度；n為測點的數目；ti為脈沖的間隔時間。

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測試了拖拉機在各檔位行駛時左、右兩側驅動輪的轉速。取每次試驗中的50組連續數據作為有效數據并計算其平均值，由此得到的拖拉機在不同工況下左、右兩側驅動輪的平均轉速，如圖6所示。可見該型履帶拖拉機兩側驅動輪的轉速基本相同，且地形對驅動輪轉速的影響較小，所以拖拉機行駛過程中不會產生大的側向偏移。

3.3 履帶張緊力分析

履帶拖拉機在行駛過程中，履帶受到的張緊力是波動的，其波動程度可以反映橡膠履帶在行駛過程中的波動程度[11]。因此，可以通過張緊力波動程度的穩定系數判斷履帶拖拉機行走系統的穩定性。

圖6 拖拉機各工況下左、右兩側驅動輪的平均轉速

本試驗采用S型拉壓力傳感器采集拖拉機行駛過程中履帶張緊力的變化值，并通過張緊力標準差的大小判斷張緊力的波動程度。履帶張緊力的標準差和穩定系數分別為：

(2)

(3)

式中：Si為第i檔位履帶張緊力的標準差；Fij為第i檔位第j次張緊力的瞬時值；Fi為第i檔位履帶張緊力的平均值；Ui為第i檔位履帶張緊力的穩定系數。

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測試得到的拖拉機在各檔位行駛時左、右兩側履帶張緊力的平均穩定系數如圖7所示。可見，該型履帶拖拉機在各工況下行駛時履帶張緊力的波動程度隨行駛速度的增加而逐漸趨于穩定，高速擋位行駛時的波動小于低速擋位時的波動，而且地形對履帶張緊力的波動有一定的影響，在水泥地面上行駛時的波動比在土壤地面上行駛時的波動小。

圖7 拖拉機各工況下左、右兩側履帶張緊力平均穩定系數

3.4 振動加速度分析

座椅處的振動是導致駕駛員駕駛疲勞的主要因素之一[12]。本試驗采用三軸加速度傳感器采集駕駛員座椅處X、Y、Z三個方向的振動加速度信號，利用DHDAS動態信號采集分析系統得到X、Y、Z三個方向的有效值，進而通過振動加速度的聯合加權值評估拖拉機振動。振動加速度的聯合加權值為：

(4)

式中：aw為振動加速度聯合加權值；axw為X方向加速度信號有效值；ayw為Y方向加速度信號有效值；azw為Z方向加速度信號有效值。

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測試得到的拖拉機在各擋位行駛時駕駛員座椅處振動加速度的聯合加權值如圖8所示。可見，該型履帶拖拉機在各工況下行駛時，座椅處的振動加速度隨行駛速度的增加而增加，在高速3擋和高速4擋工況下座椅處振動加速度的聯合加權值均超過了坐姿人體所能承受的振動舒適極限值0.315 m/s2，所以該型拖拉機在高速擋位行駛時舒適性較差，這在試驗中也深有體會。

圖8 拖拉機各工況下座椅處的振動加速度

不難看出，該型履帶拖拉機在低速擋位行駛時，地形對駕駛員座椅處的振動加速度影響較小，而在高速擋位行駛時，由于土壤地面硬度遠低于水泥地面，能在一定程度上緩沖履帶所受到的沖擊，因此拖拉機在土壤地面行駛時座椅處的振動加速度小于其在水泥地面行駛時的振動加速度。

4 結論

本文以南方丘陵山區常用的某型橡膠履帶拖拉機為對象，通過田間試驗研究了其行駛性能。結果表明：

1) 該型拖拉機在不同路況下的速度比較穩定，地形對拖拉機行駛速度沒有明顯影響，不同工況下行駛時各擋位的速度基本接近。

2) 該型拖拉機在不同路況下行駛時，兩側驅動輪的轉速基本相同，且地形對驅動輪轉速影響較小，拖拉機行駛過程中不會產生大的側向偏移。

3) 該型拖拉機在不同路況下行駛時，履帶張緊力的波動程度隨行駛速度的增加而逐漸趨于穩定，高速擋位行駛時的波動小于低速擋位時的波動。而且，地形對履帶張緊力的波動有一定的影響，在土壤地面行駛時履帶張緊力的波動明顯大于其在水泥地面行駛時的波動。

4) 該型拖拉機在低速擋位行駛時，地形對駕駛員座椅處的振動加速度影響較小，但行駛速度對其振動加速度的影響較大，在高速3擋和高速4擋工況下座椅處振動加速度超過了坐姿人體所能承受的振動舒適極限值，因此該型拖拉機不適宜長時間工作在高速擋位。