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简说田间有效软路面谱形成过程

  1.引言
  拖拉机在田间作业时,由于田间软路面的激励作用,导致拖拉机产生垂直振动和纵、横向的摇摆,从而影响耕作质量和平顺性。例如耕地时由于拖拉机的纵向摇动影响耕深均匀性,中耕时则可能增加伤苗率,同时振动造成的动载荷严重影响拖拉机的强度和寿命。
  为了预估拖拉机在田间作业时的振动及承受的动载荷,实现动态优化设计,则需要测取各种田间软路面的不平度统计值一软路面谱。因此,有必要研究软路面谱的测取方法和形成机理。
  软路面谱可分为三种谱:描述原始地表不平的原始谱;轮胎与软路面互相作用过程中形成的有效谱;轮胎行驶后形成的车辙谱,而真正激励拖拉机振动的却是有效谱。
  文献中还提出了测取软路面谱的合理方法,并研制了一个具有独创性的能同时测取三种谱的软路面谱测量仪,应用此测量仪进行了各种不同软路面的实地测试试验,对路面谱进行统计分析,研究三种谱之间关系,首次提出了包含原始谱、土壤特性、载荷和轮胎特性等因素在内的有效软路面谱的计算公式。
  在上述基础上,本文拟应用系统动力学和地面力学的理论来分析有效软路面谱的形成过程和机理,以为合理确定有效谱提供理论根据。有效软路面谱形成过程是轮胎与软路面互相作用过程,其结果导致软路面变形,同时又激励拖拉机振动。由于变形使原始地表不平的幅值降低,并使一些频率较高、幅值较低的波形被碾平,起到滤波和平滑作用,因此从原始谱转变为有效谱的过程可分解为轮胎与软路面的动压实和接地印迹包络平滑两个过程。
  2.轮胎一软路面动压实过程
  为研究轮胎与软路面互相作用的动奔过程,本文建立了动压实力学模型,如图所示。该模型中二,为簧上质量,K,和C,分别为弹簧的刚度和阻尼;mZ、K:和CZ分别为轮胎的质量、刚度和阻尼;软路面的承压土壤简化为一个质量刚度为K、阻尼为C的系统。其压实过程是一个加载受压变形而卸载有小恢复或不恢复过程。轮下振动土体的质量,与接地印迹面积大小、压实深度和压力传递深度等因素有关。
  3.轮胎一软路面
  平滑包络模型有效不平度是通过印迹的接触界面对拖拉机形成激励的,此激励包含了印迹面上各点不平度的综合效果,即为印迹平滑包络效应。
  对于硬路面因路面不变形,只反映轮胎的平滑包络效应,它能包容小凹凸,减小越过小凸块冲击等,对路面不平度起着相当于一个滤波器的作用。对于软路面,由于轮胎与路面均有变形,其平滑包络效应更为复杂,根据轮胎和土壤的变形规律,建立一个轮胎一软路面接地印迹模型,来研究平滑包络作用,如图2所示。该模型主要研究纵向接地印迹的规律,而假设横向印迹是均匀一致的。根据沿接触面上轮胎对地面单位压力与地面土壤抗压强度平衡的原则来计算轮胎和土壤的变形量,而不考虑车辆振动动变形的影响。纵向印迹分为曲线和平面两部分。曲线部分要考虑轮胎各部分对土壤压入程度不同,则任一点的轮胎变形量」和对土壤单位压力q是变化的,.
  4试验验证
  应用研制的软路面谱测量仪阁在豆茬,甜菜、玉米茬等农田及土路上进行了大量的路面不平度实测试验。在不同软路面上测取的有效谱与通过动压实模型和接地印迹平滑模型理论计算得到的有效谱是一致的。谷茬地上当轮胎为从动、其气压为0.24MaP,测试车速为lms/的条件下,该路面的原始谱和有效谱为S,而理论计算的有效谱为。对比说明本文提出的有效软路面谱形成过程和机理是基本正确的轮胎处于从动工况,其气压为0.2Mpa载荷为3.4kN,测试车速为lms/的工况下,在玉米茬地上测取的三种软路面的双对数坐标谱图 (在空间频率0.01至8(1/m)频带范围内积分,计算不平度的均方值尹:上述数据表明,由于轮胎与软路面互相作用产生的变形和平滑包络效应,降低了原始不平度幅值,因而雌仅仅是吐的60铸左右, ,表明曲线的变化趋势更陡,与相比其高频部分能量减少得更多。夸大了对车辆的激励作用,又降低激励作用,而实际激励振动的是由于驱动轮下土壤变形更大,其平滑包络效应更大,因而驱动轮下有效谱低于从动轮下的有效谱的论点是正确的。
  本文运用系统动力学和地面力学理论,研究了导致拖拉机振动的有效软路面谱形成过程和机理,并通过试验证实了此机理基本是正确的。但由于土壤特性复杂且离散性大,包络效应也很复杂。因此要达到实用,尚需进一步开展深入和大量的试验研究。本文的研究工作对于开展研究田间有效谱的形成和测量方法是有较大参考价值的。
  5结论
  l)建立的轮胎一软路面动压实力学模型和接地印迹平滑包络模型,研究田间有效谱的形成过程,理论计算与实测结果一致,表明模型基本正确。
  2)大量试验证实实际激励拖拉机振动的有效谱仅仅是原始谱的60%左右,它比车辙谱稍高一些,并且驱动轮下的有效谱低于从动轮下的有效谱。这些结论对合理估算拖拉机行驶时的振动激励源有参考价值。