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试析水田作业工况的拖拉机振动特性

  试析水田作业工况的拖拉机振动特性
  引 言
  拖拉机水田作业时,其行驶路况差,产生振动,不仅降低工作效率、行驶安全性,损害驾、乘人员的身体健康,而且加剧农田土壤的压实,降低农作物产量。因此,开展针对水田行驶工况拖拉机减振技术研究具有重要的意义。
  Yong Raymond 研究了轮胎-土壤之间的相互作用关系,提出一种用于预测轮胎变形产生能量损失的公式;Hildebrand 等研究了车辆通过粗糙或起伏干软路面地面时的振动,通过建立车辆-土壤系统振动模型,研究车辆振动对土壤压实作用;樊慧文等建立了弹性软胎与沙漠松软土壤相互作用力数学模型,研究土壤参数、轮胎参数对车辆行驶性能的影响;Do Minh Cuong 通过试验测得不同湿度下土壤的阻尼系数,提出一种用于预测轮胎与湿软土壤间相互作用模型,并且测取干软水田路面随机高程,分析路面等级,通过仿真分析拖拉机在该种路面的振动特性。但目前为止,对拖拉机在湿软水田工况下振动特性的研究还未曾出现。
  本文通过自行设计的装置测得江浦农场农学试验中心水田硬底层纵断面空间函数,分析硬底层不平度等级。以CF700 型拖拉机为研究对象,根据轮胎-湿软水田土壤系统,建立水田工况下三自由度仿真模型,将实测水田硬底层作为激励,对拖拉机振动特性进行仿真研究;将仿真结果与实验结果进行比较分析。以期提供水田工况下车辆振动研究路面参考模型并为车辆减振装置的设计提供理论依据。
  1 水田硬底层不平度激励模型
  由于水田硬底层不平度的研究还未曾涉及,尤其在欧洲没有水田的情况下,关于水田硬底层不平度功率谱密度的报告还未曾出现。本课题组根据轮胎滚动法,自行设计了一套装置,测取典型水田硬底层高程随长度变化的曲线,并对测量结果进行自相关性检验,分析硬底层纵断面位移功率谱密度。
  1.1 测试材料和方法
  本文选取南京市江浦农场农学试验中心进行路面不平度测量,试验用地为黏性水稻土。测试系统主要由水准仪、圆盘配重、轮胎支架、轮胎、标杆、拖拉机等组成;轮胎支架通过铰销与拖拉机2 个下悬挂点连接,轮胎安装在支架几何中心(重心)处,标杆垂直固定于轮胎正上方,将水准仪调整至与标杆在同一直线上,圆盘配重均匀分布在轮胎支架上,使其重心保持在轮胎支架的几何中心位置,给轮胎施加负载,保证轮胎与硬底层完全接触。
  测量过程中,轮胎在一定压力作用下贴附于起伏不平的水田硬底层;拖拉机每移动设定的 200 mm 停下(以路面一侧相邻绳结为200 mm 的绳子为参照),通过自动安平水准仪和标杆测得路面高度的变化;为提高试验的测量精度,每个测点重复测量3 次,采集样本数为512 个。
  1.2 测试结果与分析
  在研究拖拉机振动特性时,考虑到拖拉机行驶速度对系统振动的影响,路面激励要用路面高程随时间的变化规律来描述,即将路面高程随时间变化(时间函数)代替路面高程随路面水平长度变化(空间函数)
  在MATLAB 平台下编写M 文件计算得到水田硬底层功率谱密度曲线;斜直线是根据GB7031-86 中规定表示A 到H 级路面不平度功率谱密度范围,波动的曲线为所测水田硬底层不平度功率谱密度;空间频率低于0.7 m-1(波长λ≥1.43 m)时,硬底层的路面等级为C,而高于0.7 m-1(波长λ≤1.43 m)时,硬底层路面等级在D 到E 之间。
  功率谱密度幅值在整个空间频率范围内变化较大,低频(长波)功率明显高于高频(短波)功率,当拖拉机以一定的速度在该种类型的路面上行驶时,激振频率范围较大,拖拉机可以有效隔离短波对应的激励(高频输入),长波对应的激励(低频输入)则传递给拖拉机,当激励频率与固有频率接近时,由于传递函数的增益作用,拖拉机振动剧烈。通过使用MATLAB软件分析得到水田硬底层的拟合指数w=−1.651,路面不平度系数Gx(0.1)=316.7×10-6 m3。
  2 振动微分方程的建立
  在进行振动特性研究时,设拖拉机相对于机身纵垂面完全对称,左右轮胎受到的路面激励随时间的变化相同,则可认为拖拉机在纵垂面上振动,将拖拉机简化为平面模型。与旱田作业不同的是,水田工况的拖拉机除了轮胎的刚度和阻尼外,还要考虑湿软水田土壤对其振动特性的影响。轮胎-湿软水田土壤系统模型,其垂向等效刚度等于轮胎刚度kt;而垂向等效阻尼系数ct 等于轮胎阻尼系数cz 和土壤阻尼系数cs 之和,其中cs=849 N·s/m。
  3 仿真模型的建立与验证
  3.1 仿真模型的建立
  拉机X-Z 平面结构的几何关系,根据位置关系求得前桥和后桥的垂向加速度。根据平面几何模型求得前桥、后桥垂向加速度与车辆质心处垂向加速度、俯仰角加速度关系.建立三自由度拖拉机MATLAB/Simulink 振动仿真模型,仿真模型主要包括3 部分,输入矢量、状态方程及输出矢量。输入矢量为作用在轮胎上的水田硬底层不平激励及其微分,输出矢量由座椅安装处、椅面、前桥、后桥垂向加速度等组成。
  3.2 仿真模型的验证
  为了验证所建立仿真模型可靠性,对拖拉机在实际的水田工况下进行振动测试,并将试验结果与仿真结果进行对比分析。试验测得拖拉机在水田间的行驶速度为6 km/h。
  功率谱密度的峰值频率即为前桥、后桥、座椅椅面振动固有频率。试验得到的拖拉机前桥、后桥、座椅椅面的垂向振动固有频率分别为2.91、3.6、2.5 Hz,仿真得到的振动固有频率依次为3.49、3.34、2.9 Hz,试验与仿真结果相对误差分别为19.9%、7.2%、16.0%;相对误差均在允许的范围内,具有较好的一致性。分析误差存在的原因可能有:1)仿真采用的是拖拉机平面振动模型,并没有考虑拖拉机侧倾方向的振动,而试验中拖拉机侧倾振动与垂向振动存在一定的耦合关系;2)拖拉机水田作业时,由于较大的行驶阻力,导致发动机与变速箱的振动加剧。
  4 结 论
  测取南京江浦农场水田硬底层纵断面空间函数,对其不平度特性进行分析;并用仿真和试验相结合的方法,研究水田工况下的拖拉机振动特性,得到如下结论:1)水田硬底层轮廓高程具有统计相关性,高程变化是平稳随机过程;路面不平度系数Gx(0.1)=316.7×10-6 m-3,频率指数w=−1.651,路面空间频率低于0.7 m-1(波长λ≥1.43 m),水田硬底层的路面等级为C,而高于0.7 m-1(波长λ≤1.43 m),硬底层的路面等级在D 到E 之间。2)试验得到拖拉机前桥、后桥、座椅椅面的垂向振动固有频率分别为2.91、3.6、2.5 Hz,仿真得到的振动固有频率依次为3.49、3.34、2.9 Hz,实验与仿真结果相对误差分别为19.9%、7.2%、16.0%;相对误差均在允许的范围内,具有较好的一致性。
  本文的研究结论为面向水田作业的车辆振动研究提供路面参考模型,同时为拖拉机减振系统的参数设计提供理论依据。