王利娟，張 永，閆建國(guó)，崔紅梅，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

近年來(lái)，為提高拖拉機(jī)的適應(yīng)性，滿足配套更多系列農(nóng)機(jī)具的使用要求，拖拉機(jī)的四驅(qū)化程度越來(lái)越高。四輪驅(qū)動(dòng)可將牽引力分散到每個(gè)車輪上，在農(nóng)田作業(yè)時(shí)有效改善附著條件、克服作業(yè)中大負(fù)荷牽引阻力，并減少車輪的打滑現(xiàn)象。研究表明：拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，相同條件下前輪參與驅(qū)動(dòng)的四驅(qū)方式比前輪不參與驅(qū)動(dòng)的兩輪驅(qū)動(dòng)牽引效率提高7%～14%，打滑率下降7%～26%[1]。

拖拉機(jī)的主要用途是附帶農(nóng)機(jī)具從事農(nóng)業(yè)作業(yè)，受自身結(jié)構(gòu)形式、作業(yè)場(chǎng)地和工作條件等因素的影響，拖拉機(jī)的振動(dòng)特性有其特殊的規(guī)律，掌握這些規(guī)律可為拖拉機(jī)的減振設(shè)計(jì)提供依據(jù)。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)拖拉機(jī)的振動(dòng)特性做了很多深入細(xì)致的研究。CUONG等人通過(guò)田間試驗(yàn)研究了胎壓、前進(jìn)速度和土壤濕度對(duì)拖拉機(jī)前橋、后橋和機(jī)體振動(dòng)特性的影響[2]。NGUYEN和INABA研究了胎壓和前進(jìn)速度對(duì)小型拖拉機(jī)后橋振動(dòng)和車輪動(dòng)載荷的影響[3]。朱思洪和承鑒等人分別研究了農(nóng)機(jī)具對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)特性產(chǎn)生的影響[4-5]。王銀芝研究了不同地面激勵(lì)、載荷狀態(tài)和前進(jìn)速度對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)特性的影響[6]。

這些研究成果為合理設(shè)計(jì)拖拉機(jī)懸架和減振座椅參數(shù)奠定了基礎(chǔ)，但有關(guān)拖拉機(jī)振動(dòng)特性的研究都集中在兩輪驅(qū)動(dòng)方式下。由于牽引阻力的變化，拖拉機(jī)在農(nóng)田作業(yè)中需要兩驅(qū)與四驅(qū)方式的切換，而有關(guān)兩驅(qū)與四驅(qū)方式下拖拉機(jī)振動(dòng)特性的對(duì)比研究甚少[7]。為了明確不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)特性的影響，開(kāi)展了不同驅(qū)動(dòng)方式、作業(yè)條件和前進(jìn)速度組合下的拖拉機(jī)振動(dòng)田間試驗(yàn)，為具有四驅(qū)功能的拖拉機(jī)減振設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

1 田間試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

田間試驗(yàn)采用約翰迪爾904拖拉機(jī)，附帶的作業(yè)機(jī)械是內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制的4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)采用億恒公司生產(chǎn)的16通道AVANT MI-7016振動(dòng)數(shù)據(jù)采集與分析儀，傳感器采用單軸向IEPE壓電式加速度傳感器，量程±50g，分辨率0.000 3g，頻率響應(yīng)0.5～7 000Hz，工作溫度范圍-40～120℃，傳感器靈敏度為100mV/g。試驗(yàn)車速由V-BOX測(cè)試裝置利用GPS速度傳感器適時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示，GPS速度傳感器的型號(hào)為MN24/RLVB10SPS，測(cè)量速度范圍為0.1～1 600km/h，速度分辨率為0.01km/h。為保證接受衛(wèi)星信號(hào)良好，GPS速度傳感器的天線感應(yīng)塊安裝于拖拉機(jī)駕駛室頂部。

表1 拖拉機(jī)和馬鈴薯挖掘機(jī)的基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)條件

拖拉機(jī)振動(dòng)測(cè)試(2015年10月6日)在內(nèi)蒙古呼和浩特市前乃莫板村農(nóng)田中進(jìn)行，試驗(yàn)地為待收獲的馬鈴薯農(nóng)田。試驗(yàn)前地塊經(jīng)過(guò)除秧處理，地塊平坦，水澆地壟作，平均壟高32cm。田間土壤主要是沙土壤，土壤含水率為14.8%，壟上地表、15cm和30cm處的土壤堅(jiān)實(shí)度分別是39、104、219N/cm2，壟溝地表和10cm處的土壤堅(jiān)實(shí)度分別是67N/cm2和264N/cm2。

1.3 試驗(yàn)方法

將3個(gè)單軸向加速度傳感器分別布置在拖拉機(jī)前橋、座椅安裝處(即座椅下方的機(jī)體上)和后橋(見(jiàn)圖1)，傳感器的采樣頻率設(shè)置為320Hz。為保證GPS信號(hào)良好，將GPS速度傳感器的天線感應(yīng)塊吸附在拖拉機(jī)頂部的金屬部件上，車速顯示裝置用膠帶固定在儀表盤上方，方便駕駛員查看并保持穩(wěn)定車速。試驗(yàn)包括拖拉機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)方式下附帶馬鈴薯挖掘機(jī)行走和收獲作業(yè)的振動(dòng)測(cè)試，收獲作業(yè)時(shí)通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)使挖掘深度為20cm左右。由于附帶的馬鈴薯挖掘機(jī)適宜的作業(yè)速度范圍是1～3km/h左右[8]，為區(qū)分不同作業(yè)速度下的振動(dòng)情況，同時(shí)兼顧馬鈴薯挖掘機(jī)收獲作業(yè)時(shí)薯土分離效果和馬鈴薯破皮率符合要求等因素，試驗(yàn)時(shí)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 400r/min時(shí)的3個(gè)不同擋位車速(分別為1.11、2.03、2.78km/h)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)車速由V-BOX車速測(cè)試裝置監(jiān)測(cè)，車速穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)試。試驗(yàn)組別為2種驅(qū)動(dòng)方式×3種前進(jìn)速度×2種作業(yè)條件×3次重復(fù)性，共包括36組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的測(cè)試段隨機(jī)選取且不重復(fù)，測(cè)試段保持拖拉機(jī)沿壟溝直線前進(jìn)，每組測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30s。

圖1 振動(dòng)加速度傳感器測(cè)試點(diǎn)位置及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2 結(jié)果與分析

通過(guò)計(jì)算和分析拖拉機(jī)各測(cè)試部位振動(dòng)加速度均方根值RMS及其頻域分布，對(duì)比不同驅(qū)動(dòng)方式下拖拉機(jī)振動(dòng)特性的差異。拖拉機(jī)附帶農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，輪胎與地面的相互作用及發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)車橋和車架傳遞到機(jī)體上，因此前橋、后橋和座椅連接處的振動(dòng)水平可有效反映拖拉機(jī)整體的振動(dòng)水平，振動(dòng)水平的高低可以由振動(dòng)加速度均方根值RMS大小來(lái)表征[9-10]。已有的研究表明：拖拉機(jī)和農(nóng)機(jī)具在各種作業(yè)條件下的振動(dòng)能量主要集中在0～20Hz的低頻范圍[11-16]，因此基于傅里葉變換分析0～20Hz范圍的振動(dòng)加速度均方根值RMS，以確定振動(dòng)信號(hào)在頻域的特征。同時(shí)，計(jì)算前橋、后橋和座椅連接處在整個(gè)測(cè)試時(shí)段上的振動(dòng)加速度RMS值，其大小可以反映振動(dòng)能量的大小。

以下對(duì)拖拉機(jī)各部位(前橋、座椅連接處和后橋)垂直振動(dòng)加速度進(jìn)行頻域分析。附帶馬鈴薯挖掘機(jī)行走工況的部分測(cè)試分析結(jié)果如圖2～圖4所示，附帶馬鈴薯挖掘機(jī)收獲作業(yè)的部分測(cè)試分析結(jié)果如圖5～圖7所示。所有測(cè)試組中各部位振動(dòng)加速度均方根值RMS在3次重復(fù)試驗(yàn)取均值的結(jié)果如表2和表3所示。

圖2 拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以1.11km/h速度行走時(shí)各部位的振動(dòng)頻域圖

圖3 拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以2.03km/h速度行走時(shí)各部位的振動(dòng)頻域圖

圖 4 拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以2.78km/h速度行走時(shí)各部位的振動(dòng)頻域圖

圖 5 拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以1.11km/h速度收獲作業(yè)時(shí)各部位的振動(dòng)頻域圖

圖6 拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以2.03km/h速度收獲作業(yè)時(shí)各部位的振動(dòng)頻域圖

圖7 拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以2.78km/h速度收獲作業(yè)時(shí)各部位的振動(dòng)頻域圖

由圖2～圖4可知：無(wú)論兩驅(qū)還是四驅(qū)方式，附帶馬鈴薯挖掘機(jī)在田間行走時(shí)，拖拉機(jī)各部位的振動(dòng)信號(hào)主要是周期信號(hào)，振動(dòng)加速度RMS峰值頻率集中在1～3Hz；隨著前進(jìn)速度的增加，各部位振動(dòng)峰值頻率處加速度RMS值變大，拖拉機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度加大。

由圖5～圖7可知：與行走工況相比，附帶馬鈴薯挖掘機(jī)收獲作業(yè)時(shí)，相同車速下拖拉機(jī)各部位的振動(dòng)強(qiáng)度明顯變大，說(shuō)明牽引阻力的增加對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)起到顯著的促進(jìn)作用；隨著作業(yè)速度的增加，各部位振動(dòng)水平上升較快，且振動(dòng)信號(hào)的隨機(jī)成分明顯增加。作業(yè)速度為1.11km/h和2.03km/h時(shí)，拖拉機(jī)各部位振動(dòng)能量主要集中在0～5Hz；作業(yè)速度為2.78km/h時(shí)，各部位振動(dòng)能量主要集中在0～10Hz。每種車速下，相比前輪不參與驅(qū)動(dòng)的兩驅(qū)方式，拖拉機(jī)在四驅(qū)時(shí)各部位振動(dòng)水平均有所下降，且作業(yè)速度越高，四輪驅(qū)動(dòng)使各部位振動(dòng)水平降低的程度越顯著。對(duì)4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)挖掘鏟的牽引阻力試驗(yàn)研究表明[17-18]：作業(yè)速度與挖掘鏟工作阻力成非線性正向關(guān)系，即作業(yè)速度越高，挖掘鏟阻力越大。拖拉機(jī)采用四驅(qū)方式時(shí)能夠克服大負(fù)荷的牽引阻力，可以起到提高牽引效率和降低打滑率的作用，有助于抑制拖拉機(jī)的振動(dòng)。

表2 兩驅(qū)和四驅(qū)方式下拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)行走作業(yè)時(shí)的振動(dòng)加速度均方根值

表中各部位振動(dòng)加速度均方根值RMS是3次重復(fù)試驗(yàn)的均值。其中，RMSf、RMSs和RMSr分別代表前橋、座椅連接處和后橋的振動(dòng)加速度均方根值，RMSv代表拖拉機(jī)整體振動(dòng)加速度均方根值，RMSv=(RMSf+RMSs+RMSr)/3。

表3 兩驅(qū)和四驅(qū)方式下拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)收獲作業(yè)時(shí)的振動(dòng)加速度均方根值

表中各部位振動(dòng)加速度均方根值RMS是3次重復(fù)試驗(yàn)的均值。其中，RMSf、RMSs和RMSr分別代表前橋、座椅連接處和后橋的振動(dòng)加速度均方根值，RMSv代表拖拉機(jī)整體振動(dòng)加速度均方根值，RMSv=(RMSf+RMSs+RMSr)/3。

由表2可知：在相同前進(jìn)速度和驅(qū)動(dòng)方式下，拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)行走作業(yè)時(shí)RMSf>RMSs>RMSr；前進(jìn)速度由1.11km/h增加到2.78km/h時(shí)，兩驅(qū)方式下前橋、座椅連接處和后橋振動(dòng)加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為1.99、0.69、0.63m/s2，四驅(qū)方式下前橋、座椅連接處和后橋振動(dòng)加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為1.77、0.59、0.54m/s2。由此可見(jiàn)，四驅(qū)時(shí)拖拉機(jī)各部位振動(dòng)水平隨車速上升的幅度較兩驅(qū)時(shí)小。無(wú)論哪種驅(qū)動(dòng)方式，行走作業(yè)中前橋振動(dòng)水平隨車速增加而提高的幅度最大。

由表3可知：收獲作業(yè)時(shí)，隨著作業(yè)速度的增加，拖拉機(jī)各部位振動(dòng)加速度RMS值增加很快。相同車速和驅(qū)動(dòng)方式下，拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)收獲作業(yè)時(shí)RMSf>RMSr>RMSs，這種趨勢(shì)由圖5～圖7中也可以看出來(lái)。前進(jìn)速度由1.11km/h增加到2.78km/h時(shí)，兩驅(qū)方式下前橋、座椅連接處和后橋振動(dòng)加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為2.52、0.93、1.04m/s2，四驅(qū)方式下前橋、座椅連接處和后橋振動(dòng)加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr分別為2.05、0.85、0.85m/s2。同樣，收獲作業(yè)四驅(qū)時(shí)拖拉機(jī)各部位振動(dòng)水平隨車速上升的幅度較兩驅(qū)時(shí)小。無(wú)論哪種驅(qū)動(dòng)方式，收獲作業(yè)中前橋振動(dòng)水平隨車速增加而提高的幅度最大，靠近馬鈴薯收獲機(jī)連接部位的后橋振動(dòng)水平隨車速增加幅度較座椅連接處更大。這說(shuō)明，挖掘機(jī)工作時(shí)牽引阻力的增加使后橋振動(dòng)水平明顯提高。

由表2和表3可知：四驅(qū)方式下附帶馬鈴薯挖掘機(jī)以車速1.11、2.03、2.78km/h行走時(shí)，拖拉機(jī)整體振動(dòng)加速度均方根值比兩驅(qū)時(shí)分別減少-0.03、0.03、0.11m/s2，振動(dòng)水平分別降低-5.3%、2.4%和6.7%，四驅(qū)收獲作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)整體振動(dòng)加速度均方根值比兩驅(qū)時(shí)分別減少0.08、0.16、0.32m/s2，振動(dòng)水平分別降低7%、9%和12.2%。因此，車速越高、作業(yè)負(fù)荷越大時(shí)，四驅(qū)方式對(duì)拖拉機(jī)整體振動(dòng)水平的降低作用越為顯著。

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)，做出不同驅(qū)動(dòng)方式、前進(jìn)速度和作業(yè)條件下拖拉機(jī)各部位振動(dòng)水平的對(duì)比情況，如圖8所示。

圖8 不同驅(qū)動(dòng)方式、作業(yè)條件和前進(jìn)速度組合下拖拉機(jī)各部位振動(dòng)水平對(duì)比

由圖8(a)、(c)、(e)可知：前進(jìn)速度為1.11km/h和2.03km/h時(shí)，拖拉機(jī)在兩驅(qū)和四驅(qū)方式下行走作業(yè)時(shí)各部位振動(dòng)加速度RMS值都比較相近。這說(shuō)明，拖拉機(jī)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)在田間低速行走時(shí)，不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)其振動(dòng)特性沒(méi)有明顯影響。當(dāng)行走速度為2.78km/h時(shí)，拖拉機(jī)在四輪驅(qū)動(dòng)時(shí)各部位振動(dòng)RMS值較兩輪驅(qū)動(dòng)時(shí)均有所下降，且前橋振動(dòng)水平下降最為明顯。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果，拖拉機(jī)附帶農(nóng)具會(huì)使質(zhì)心后移，分配到前輪的靜載荷會(huì)變小，農(nóng)具質(zhì)量越大，行走時(shí)前輪的動(dòng)載荷越大。因此，動(dòng)載荷會(huì)抵消前輪的靜載荷，加劇前輪的跳動(dòng)，且速度越高時(shí)，由地面起伏引起的前輪跳動(dòng)越頻繁，產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)越大；而四輪驅(qū)動(dòng)可以改善附著條件，使前輪被有效驅(qū)動(dòng)并向前壓向土壤，提高牽引效率的同時(shí)在一定程度上抑制了由跳動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)。

由圖8(b)、(d)、(f)可知：每種車速下，相比前輪不參與驅(qū)動(dòng)的兩驅(qū)方式，拖拉機(jī)收獲作業(yè)四驅(qū)時(shí)前橋、座椅連接處和后橋的振動(dòng)水平均有所下降，且作業(yè)速度越高，四驅(qū)方式使各部位振動(dòng)水平下降的程度越顯著。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)特性有明顯影響。前進(jìn)速度由1.11km/h增加到2.78km/h時(shí)，四輪驅(qū)動(dòng)附帶馬鈴薯挖掘機(jī)行走作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)前橋、座椅安裝處和后橋振動(dòng)加速度均方根值的增量△RMSf、△RMSs和△RMSr較兩輪驅(qū)動(dòng)時(shí)分別減小了0.22、0.1、0.09m/s2，而四輪驅(qū)動(dòng)收獲作業(yè)時(shí)分別減小了0.47、0.08、0.19m/s2，說(shuō)明四驅(qū)相比兩驅(qū)時(shí)拖拉機(jī)各部位振動(dòng)水平隨車速升高而上升的幅度有所減小。四驅(qū)方式下附帶馬鈴薯挖掘機(jī)在車速1.11、2.03、2.78km/h行走時(shí)，拖拉機(jī)整體振動(dòng)加速度均方根值RMSv比兩驅(qū)時(shí)分別減少-0.03、0.03、0.11m/s2，振動(dòng)水平分別降低-5.3%、2.4%和6.7%，而四驅(qū)收獲作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)整體振動(dòng)加速度均方根值比兩驅(qū)時(shí)分別減少0.08、0.16、0.32m/s2，振動(dòng)水平分別降低7%、9%和12.2%。這說(shuō)明四輪驅(qū)動(dòng)有助于減小拖拉機(jī)附帶農(nóng)機(jī)具進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)的振動(dòng)水平，與VILLIBO等人研究的四輪驅(qū)動(dòng)可以降低在耕地和耙地作業(yè)中拖拉機(jī)前橋和后橋振動(dòng)水平的結(jié)論基本一致[7]。作業(yè)車速越高、牽引負(fù)荷越大時(shí)，四驅(qū)方式對(duì)拖拉機(jī)整體振動(dòng)水平的降低作用越顯著。但是，驅(qū)動(dòng)方式對(duì)拖拉機(jī)在各種作業(yè)條件下其前橋、座椅安裝處和后橋振動(dòng)信號(hào)的類型和振動(dòng)能量的頻率分布影響不明顯。