東方紅-354拖拉機振動特性研究

范曉光，張本華，王君玲，馮龍龍，劉劭航

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽 110866)

0 引言

隨著機械技術及制造工藝的不斷提高，機械的振動問題得到了較大改善。但對于操作機械設備的工作人員而言，機械振動仍是降低舒適度的最大問題，噪聲困擾將嚴重影響到工人正常的工作效率及個人的身心健康[1]。因此，對拖拉機的振動性能進行相關測試與分析，深入探索其影響因素，掌握其內在規律十分必要。

諸多學者對機動裝置振動能量轉換進行了細致研究，發現若振動能量向機架和駕駛室傳遞過多，必然導致能量損失增大，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象，對其進行多工況下振動信號的測試與分析，獲得了變速器振動貢獻較大的頻率，確定了容易引起變速器共振的頻率。黃雪濤等[5]對某輕型載貨汽車產生的低頻振動現象進行了試驗分析，發現引起汽車產生低頻振動的主要原因是車輛系統的固有頻率與車輪動不平衡引起的激勵頻率接近，導致了車輛系統的共振。趙永立等[6]基于虛擬儀器技術構建了虛擬振動測試分析系統，并通過測試驗證了系統的可行性與有效性。李敏通等[7]設計了拖拉機整車振動測試系統，并對整車振動進行了實測，認為拖拉機整車振動是混沌振動。李帥等[8]從定性角度分析了拖拉機座椅振動系統性能，并通過對座椅振動頻響曲線的辨識建立數學模型，得到彈性系數、阻尼系數及固有頻率等系統振動特性參數。揭琳鋒等[9]利用運動學和動力學理論，對主要參數進行了分析，并建立了嚙合齒輪副單自由度振動模型。姚艷春等[10]通過振動測試與模態分析方法研究玉米收獲機車架的振動特性，發現測點振幅大小依次為車架后橋上方、發動機橫梁位置、發動機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動機振幅。

雖然眾多學者對汽車、拖拉機及農業機械振動特性進行了相關研究，但仍需進一步認知拖拉機在靜態及不同路面條件下的動態振動特性。為此，以東方紅-354拖拉機的振動源作為研究對象，利用振動測試系統來測定其關鍵部位在不同路面動態和靜態條件下的振動加速度，從而獲取拖拉機振動的最直接數據資料。

1 測試對象及方法

拖拉機的振動只是諸多工程振動形式中的一種，所以適用于傳統的機械研究方法。以東方紅-354拖拉機的振動源作為研究對象(見圖1)，其功率為26kW，四輪驅動，動力經濟性好。在測試過程中，利用振動傳感器(見圖2)，將機械振動的振動量通過振動傳感器轉變為電信號。由于從傳感器中所獲取的這些電信號通常都比較微小，難以進行傳輸且會和各種物理量進行混合傳輸，因此需要使用信號調理器對獲取的信號進行放大處理，同時濾掉不必要的干擾波形；然后，將電信號經過處理之后輸入到數據采集卡之中，處理形成數字信號，通過應用軟件LABVIEW對數字信號進行分析處理。具體分析測試過程如圖3所示。

圖1 東方紅-354拖拉機

圖2 振動傳感器

圖3 振動過程測試流程圖

為分析拖拉機不同關鍵位置的振動特性，選取了東方紅-354拖拉機上17個測點，具體分布如圖4所示。其關鍵位置包括拖拉機的前橋、后橋、輪胎、發動機、駕駛座底板、方向盤、駕駛座椅、駕駛室懸置及排氣筒等，相應的平面坐標如表1所示。

圖4 測試點分布圖

要全面測試拖拉機的振動情況，就要考慮拖拉機不同的運行狀態及所處的不同環境情況。按照拖拉機的位移進行劃分，可將拖拉機振動測試分為靜態測試和動態測試。在靜態測試過程中，需要對拖拉機的整體振動情況進行測試分析，以拖拉機座椅中點為中心建立空間直角坐標系，以拖拉機前進方向作為X軸的正方向，左向方向為Y軸的正方向，鉛垂面向上為Z軸的正方向，測試點為全部17個測試點。

表1 測點坐標位置

為了能夠更加科學合理地測定拖拉機振動強度的大小和分布狀況，把發動機轉速分為低轉速、中轉速和高轉速3種不同情況來測定拖拉機的振動情況。在動態測試過程中，根據實際的測試環境和條件，同時考慮拖拉機振動對人員舒適性及操作性影響，選取測試點15和測試點16作為被測對象。由于拖拉機的振動影響主要來自于鉛垂Z方向，而沿X方向和Y方向的振動強度變化較小，同時拖拉機在行進過程中存在側向偏移，所以選擇鉛垂方向來測試其振動強度的相關數據。選取的路面工況為柏油路面及沙土路面；運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個檔位。分別測試在不同的路面及檔位條件下，拖拉機處于勻速運行狀態時的平均振動加速度數據。

2 實驗測試結果與分析

由于在拖拉機運行的過程中，振動所產生的能量沖擊會對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的振動強度。

2.1 拖拉機的靜態振動特性分析

為更加直觀分析拖拉機17個測試點在靜態工況下的振動數據，利用MatLab軟件分別繪制出拖拉機處于低轉速、中轉速和高轉速時的三維振動曲面圖，如圖5所示。

(a) 低轉速

(b) 中轉速

(c) 高轉速

上述靜態測試數據表明：在低轉速條件下，拖拉機振動加速度最大的位置出現在發動機附近；在中轉速及高速條件下，加速度最大的位置為駕駛座底板、排氣筒及發動機位置。通過上述數據對比發現：隨著發動機轉速的增加，拖拉機整體上振動強度會不斷增加；發動機的振動增長速度較為緩慢，而排氣筒和駕駛座底板的振動強度會顯著增加，增速明顯高于其他位置。

2.2 拖拉機的動態振動特性分析

在動態測試過程中，以測試點15和測試點16為測試位置，分析路面環境和運行條件對振動特性的影響。分別對拖拉機在柏油路面及沙土路面以及在不同運行檔位的穩態運行條件下的振動特性進行測試，檔位對應的運行條件編號如表2所示。

表2 拖拉機檔位編號

圖6、圖7展示了拖拉機座椅底板(測試點15)和座椅(測試點16)位置在不同的路面條件下的振動加速度隨拖拉機檔位(運行速度)的變化曲線。振動加速度均為鉛垂方向(Z方向)，測試數據均在拖拉機穩態運行條件下獲得。

圖6所示實驗數據結果表明：拖拉機的座椅底板(測試點15)的運動加速度值隨著運行速度(檔位)的增加而加大。沙土路面相較柏油路面而言，當拖拉機處于低速運行時，沙土路面拖拉機座椅底板(測試點15)的運動加速度值較大；而當拖拉機處于中速及高速勻速運行狀態時，其加速度值反而相對較小。這主要由于在拖拉機處于低速時，引起拖拉機振動的主要原因是路面的不平整；在拖拉機處于高速狀態時，拖拉機的振動主要由發動機造成，沙土路面反而起到減振作用。圖7表明：座椅(測試點16)的垂直振動加速度同樣隨著運行速度的升高而增大，沙土路面的振動加速度要高于柏油路面的振動加速度。

圖6 不同路面條件下座椅底板(測點15)加速度測試值

圖7 不同路面條件下座椅(測點16)加速度測試值

3 結論

1)在靜態測試過程中，隨著拖拉機轉速逐漸增大，發動機的振動也隨之增加，但增長速度比較緩慢，排氣筒位置和駕駛座底板的振動強度會急劇增加，增速明顯高于拖拉機上的其他區域。

2)在拖拉機處于低速狀態時，引起拖拉機振動的主要原因是路面的不平度；而處于中速及高速運行狀態時，拖拉機的振動主要由發動機引起，沙土路面反而起到減振作用。

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