高地隙自走式噴霧機底盤懸架減振特性分析

李中祥，溫浩軍,2，王國良，周倩倩

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】2020年新疆棉花種植面積約為250.19×104hm2(3 752.9萬畝)，占全國總種植面積的78.9%[1]，新疆全年棉花病蟲害累計發生面積為145.97×104hm2(2 189.86萬畝)次，占新疆棉花種植面積的58.35%[2]，高地隙自走式噴霧機廣泛應用于新疆棉花植保作業中[3]。但是由于其車身質量大、噴桿展幅寬、作業工況復雜，在作業過程中車身振動會造成噴桿振動幅度過大，影響噴霧機施藥效率和作業質量[4～6]。【前人研究進展】John Deere、AGCO、現代農裝、奧凱等公司所研發的自走式噴霧機都采用了四輪獨立式懸架系統[7-9]。陳雨等[10]設計基于摩擦阻尼的空氣懸架，以空氣彈簧作為減振元件，并引入尼龍摩擦塊作為阻尼，建立動力學方程，對模型進行仿真分析并進行試驗驗證，得到懸架系統的減振效果。樂飛翔等[11]針對MAZZOTTI自走式噴霧機的聯通式油氣懸架，采用ADAMS、AMESim等仿真軟件進行整機的平順性仿真試驗。【本研究切入點】針對高地隙自走式噴霧機底盤離地間隙大、作業路況復雜等作業特點，提出一種新的底盤氣液組合懸架減振結構。【擬解決的關鍵問題】采用振動加速度傳感器，采集噴霧機在不同路面下車架的振動加速度，分析車架和馬達支架的振動加速度，評價氣液組合懸架的減振特性。研究在不同路面下和行駛速度下噴霧機氣液組合懸架的減振特性，為高地隙自走式噴霧機田間作業的穩定性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 懸架結構

氣液組合懸架系統，車架與行走裝置之間通過空氣彈簧、液壓油缸和仿形擺臂相連，其中仿形擺臂的前端與輪胎支架的軸承座焊接在一起，后端通過銷軸與車架鉸接在一起，上端和空氣彈簧、減振油缸的下端相連，空氣彈簧和減振油缸的上端與車身相連。當噴霧機行走在不平路面時，輪胎的起伏會帶動仿形擺臂的上下擺動，空氣彈簧和液壓油缸壓縮或伸張進行減振。

當作業路面比較平緩時，地面對于輪胎的沖擊比較小，仿形擺臂擺動的幅度也比較小，空氣彈簧可以吸收來自地面的沖擊，起到主減振作用；當作業路面起伏比較大時，地面對于輪胎的沖擊也比較大，仿形擺臂的擺動的幅度也比較大，這時空氣彈簧和液壓減振系統共同工作，而且液壓油缸通過單向閥、阻尼閥與蓄能器相連，又可以起到阻尼衰減振動的作用。圖1

注：1.輪胎，2.馬達支架，3.轉向支撐臂，4.軸承座，5.馬達支架轉軸，6.仿形擺臂，7.轉向油缸，8.空氣彈簧，9.車架，10.減振油缸，11.蓄能器

1.1.2 噴霧機

噴霧機底盤采用龍門式結構，有效降低整機重心高度，提高底盤穩定性；藥箱置于龍門式結構兩側，提高整機的適應性和通過性；整機驅動采用國際上主流的靜液壓全時四輪驅動系統，速度控制采用電比例控制方式，機器的高速和低速兩檔可切換。表1

表1 噴霧機主要參數Table 1 Main parameters of sprayer

1.1.3 測試儀器

采用傳感器為IEPE壓電式加速度傳感器(東華測試，型號1A314E,軸向靈敏度：100 mV/g，量程±50 g，工作溫度-40～120℃，頻率響應(10%)0.5～7 000 Hz)；動態采集分析儀器型號東華測試DH5922D，共16通道，每通道具有獨立的16位A/D,獨立的DSP,并行同步采樣；DHDAS V6.0軟件平臺，包括底層驅動程序、通訊協議等，集成數據采集、分析等功能。圖2

圖2 試驗測試儀器Fig.2 Test instrument

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗地點選擇在石河子市石總廠三分場二連，測試路面分別選取田間路面和起伏較大的砂石路面。在不同等級的路面下以平均車速為3、5和8 km/h均速行駛，藥箱裝滿藥液。將加速度傳感器分別安裝在馬達支架(氣液組合懸架減振前的位置)、車架(氣液組合懸架減振后的位置)，將加速度傳感器與DHDAS動態采集分析儀器連接，在軟件中選擇設置合適的采集參數并記錄傳感器數據。在測試過程中前30s為噴霧機起步階段，在后續分析過程中除去其加速度數據，選取中間時間段速度較穩定時的車身加速度，作為分析自走式噴霧機行駛減振特性的依據。圖3

圖3 傳感器安裝位置Fig.3 Sensor installation location

1.2.2 評價標準

路面不平度和噴霧機的行駛速度形成了對噴霧機振動系統的輸入，該輸入經過輪胎、馬達支架、氣液組合懸架傳至車架構成了整個噴霧機振動系統的傳遞，得到了振動系統的輸出時車架的振動加速度，該振動加速度的大小來反映懸架系統的減振效果[11]。

高地隙自走式噴霧機，在作業過程中行駛速度比較慢，影響車體的振動主要為垂向振動，評價噴霧機底盤懸架的減振特性時，考慮垂向振動加速度和垂向振動加速度均方根值，加速度傳感器所記錄的加速度時域響應的時間歷程a(t)，計算其加速度均方根值[12]：

(1)

式中，T為振動的分析時間。

2 結果與分析

2.1 噴霧機田間不同速度行駛減振特性

研究表明，噴霧機分別以速度3、5和8 km/h在田間行駛時，當噴霧機以3 km/h的速度在田間行駛時，其馬達支架的振動加速度均方根值為2.225 m/s2，車架振動加速度均方根值為0.658 m/s2；當噴霧機以5 km/h的速度在田間路面上行駛時，其馬達支架的振動加速度均方根值為2.647 m/s2，車架振動加速度均方根值為0.834 m/s2；當噴霧機以8 km/h的速度在田間路面上行駛時，其馬達支架振動加速度均方根值為3.263 m/s2，車架振動加速度均方根值為1.106 m/s2；路面的沖擊經過氣液組合懸架減振之后，傳至車架的振動加速度明顯降低，氣液組合懸架具有良好的隔振作用。圖4

圖4 噴霧機田間行駛時振動加速度應曲線Fig.4 Response curve of vibration acceleration when the sprayer runs in the field

2.2 噴霧機在砂石路面上不同速度行駛減振特性

研究表明，噴霧機分別以速度3、5和8 km/h在砂石路上行駛時，當噴霧機以3 km/h的速度在砂石路上行駛時，其馬達支架的振動加速度均方根值為2.626 m/s2，車架的振動加速度均方根值為0.798 m/s2；當噴霧機以5 km/h的速度在砂石路上行駛時，其馬達支架的振動加速度均方根值為2.959 m/s2，車架的振動加速度均方根值為0.967 m/s2；當噴霧機以8 km/h的速度在砂石路上行駛時，其馬達支架的振動加速度均方根值為3.639 m/s2，車架的振動加速度均方根值為1.283 m/s2，路面的沖擊經過氣液組合懸架減振之后，傳至車架的振動加速度明顯降低，氣液組合懸架具有良好的隔振作用。圖5

圖5 噴霧機石子路上行駛時振動加速度應曲線Fig.5 Response curve of vibration acceleration when the sprayer runs on gravel road

3 討 論

當路面激勵相同時，隨著噴霧機作業速度的增加，噴霧機底盤的振動幅度逐漸增大，噴霧機在作業過程中要選擇合適的作業速度，即能保證噴霧機在作業過程中的行駛平順性，也可以減少噴桿的振動，提高噴霧機的作業效果；當噴霧機以相同的速度分別在田間路面和砂石路面行駛時，在砂石路面上時的振動加速度均方根值要高于在田間路面上行駛時的加速度均方根值，主要因為石子路面的硬度大于田間路面，路面更粗糙，路面激勵更大，所以，噴霧機的振動幅度也比較高。表2

表2 振動加速度均方根值對比Table 2 Comparison table of root mean square values of vibration acceleration

當噴霧機在以3、5和8 km/h的速度在田間行駛時，其路面激勵經過氣液組合懸架減振后，振動傳至車架時的振動加速度均方根值分別為0.658、0.834和1.106 m/s2，相對比馬達支架的振動加速度均方根值，車架的均方根值降低了70.43%、68.49%、66.10%；當噴霧機當噴霧機在以3、5和8 km/h的速度在砂石路上行駛時，其路面激勵經過氣液組合懸架減振后，振動傳至車架時的加速度均方根值分別為0.798、0.967和1.283 m/s2，相對比馬達支架的振動加速度均方根值，車架的均方根值降低了69.61%、67.32%、64.74%；隨著路面的粗糙程度和作業速度的增加，經氣液組合懸架的減振后，其車架的振動加速度均方根值的降低率均在64%以上，說明氣液組合懸架在噴霧機作業過程中，具有良好的隔振效果。

4 結 論

當噴霧機在以速度3、5和8 km/h在田間行駛時，路面激勵經過氣液組合懸架減振后，傳至車架時的振動加速度均方根值分別降低了70.43%、68.49%、66.10%，當噴霧機在以速度3、5和8 km/h在砂石路上行駛時，路面激勵經過氣液組合懸架減振后，傳至車架時的振動加速度均方根值分別降低了69.61%、67.32%、64.74%，隨著路面的粗糙程度和作業速度的增加，經氣液組合懸架的減振后，其車架的振動加速度均方根值的降低率均在64%以上，氣液組合懸架具有良好的減振效果。