任宏生，張 拓，謝 鈮，劉 妤

(1.重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站， 重慶 402160； 2.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054)

拖拉機(jī)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的典型代表，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的骨干力量，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)增長(zhǎng)、農(nóng)民持續(xù)增收發(fā)揮了重要作用[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)拖拉機(jī)的保有量不斷增長(zhǎng)，截至2013年，小型拖拉機(jī)的保有量已經(jīng)超過(guò)了1 792.02萬(wàn)臺(tái)[5-7]。

橡膠履帶拖拉機(jī)集成了輪式拖拉機(jī)和金屬履帶拖拉機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有接地比壓小、牽引性好、轉(zhuǎn)向靈活、機(jī)動(dòng)性好、可靠性強(qiáng)、越野能力強(qiáng)、作業(yè)效率高、操縱舒適性良好、噪聲低、緩沖性好等優(yōu)異性能[8]。本文以南方丘陵山區(qū)常用的某型橡膠履帶拖拉機(jī)為對(duì)象，通過(guò)田間試驗(yàn)測(cè)試了其在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下的行駛速度、驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、履帶張緊力大小和駕駛員座椅處的振動(dòng)加速度，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)其行駛性能進(jìn)行了分析。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

試驗(yàn)用橡膠履帶拖拉機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其行走裝置采用三角履帶底盤(pán)結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、單體泵柴油機(jī)、變速箱、履帶底盤(pán)、三點(diǎn)懸掛、旋耕機(jī)具和操縱系統(tǒng)等部分組成，主要性能參數(shù)如表1所示。拖拉機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)變速箱為兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪和后部旋耕機(jī)具提供動(dòng)力，旋耕機(jī)具由三點(diǎn)懸掛固定，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制機(jī)具升降并實(shí)現(xiàn)耕作。

1．機(jī)罩，2.發(fā)動(dòng)機(jī)， 3.行走系統(tǒng)， 4.機(jī)架， 5.變速箱，6．三點(diǎn)懸掛， 7.旋耕機(jī)具， 8.護(hù)罩， 9.防翻架,10.遮陽(yáng)棚， 11.操控系統(tǒng)

參數(shù)參數(shù)值整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm4 200×1 950×2 420履帶接地長(zhǎng)度/mm1 605整機(jī)質(zhì)量/kg2 200配套動(dòng)力/kW66.2效率/(hm2·h-1)0.6主擋位4擋+空擋副擋位高速/低速/空擋

2 拖拉機(jī)行駛性能測(cè)試方案

結(jié)合該型拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)方式，確定其行駛性能的主要測(cè)試參數(shù)包括拖拉機(jī)在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下的行駛速度、兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、兩側(cè)履帶張緊力和駕駛員座椅處的振動(dòng)加速度。

試驗(yàn)中坐標(biāo)定義如下：正常操作拖拉機(jī)時(shí)，前進(jìn)方向?yàn)閄方向，水平方向?yàn)閅方向，鉛垂方向?yàn)閆方向。試驗(yàn)前，需利用土壤含水量速測(cè)儀和土壤硬度計(jì)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的土壤含水量和土壤堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行測(cè)量，以確保試驗(yàn)條件的一致性。

2.1 行駛速度測(cè)量

本試驗(yàn)采用P-Gear系統(tǒng)測(cè)量拖拉機(jī)的行駛速度。將帶磁性的P-Gear底座固定在拖拉機(jī)機(jī)罩上方，測(cè)試時(shí)，P-Gear對(duì)所采集的GPS信號(hào)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次差分，并通過(guò)藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶拖拉機(jī)行駛速度的實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.2 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速測(cè)量

鑒于該型拖拉機(jī)工作時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速較低，因此為提高測(cè)試精度，本試驗(yàn)基于NJK-5002C型霍爾開(kāi)關(guān)采用周期法測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。在驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)側(cè)固定1個(gè)支架，將霍爾傳感器固定在支架上，每側(cè)驅(qū)動(dòng)輪上均勻布置10片強(qiáng)磁鐵作為測(cè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)霍爾傳感器與磁鐵的距離，使二者距離小于10 mm。當(dāng)霍爾傳感器與強(qiáng)磁鐵的相對(duì)位置發(fā)生變化，磁通量發(fā)生變化，霍爾傳感器產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)，傳感器每經(jīng)過(guò)1個(gè)測(cè)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)間隔的時(shí)間對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速[9]。利用單片機(jī)采集脈沖信號(hào)的間隔時(shí)間，并換算為轉(zhuǎn)速，儲(chǔ)存至SD卡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)采集。

2.3 履帶張緊力測(cè)量

履帶拖拉機(jī)的張緊力是通過(guò)張緊絲桿支撐張緊裝置提供，因此張緊裝置與張緊絲桿之間力的變化可以直接反映履帶張緊力的變化[10]。本試驗(yàn)中，兩側(cè)履帶張緊力的變化值采用S型拉壓力傳感器和無(wú)紙記錄儀進(jìn)行測(cè)量。張緊力采集裝置由測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集裝置組成，其中測(cè)量裝置如圖2所示。將S型壓力傳感器固定在張緊絲桿與張緊架之間，并擰緊張緊絲桿，此時(shí)傳感器應(yīng)力的變化可以反映履帶張緊力的變化。數(shù)據(jù)采集裝置如圖3所示，由24 V直流電源和無(wú)紙記錄儀組成。將無(wú)紙記錄儀與兩側(cè)壓力傳感器相連，通過(guò)無(wú)紙記錄儀對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)和存儲(chǔ)。

圖2 張緊力測(cè)量裝置

圖3 張緊力測(cè)試數(shù)據(jù)采集裝置

2.4 駕駛員座椅處振動(dòng)加速度測(cè)量

本試驗(yàn)采用三軸加速度傳感器測(cè)量拖拉機(jī)座椅處的振動(dòng)加速度。如圖4所示，調(diào)整加速度傳感器的安裝位置，使傳感器的X-Y-Z軸分別與所定義的試驗(yàn)坐標(biāo)系的X-Y-Z軸一致。

圖4 三軸加速度傳感器安裝示意

3 測(cè)試結(jié)果及分析

該型拖拉機(jī)行駛性能的測(cè)試試驗(yàn)選擇在西充縣占山鄉(xiāng)進(jìn)行。其中：在水泥地面的行駛性能測(cè)試所選擇的路段長(zhǎng)60 m、寬3 m，路面比較平坦且無(wú)明顯的障礙物；在未耕地面和耕后地面的行駛性能測(cè)試均選擇在一段收獲之后的南瓜田進(jìn)行，該田地長(zhǎng)40 m、寬15 m，土壤含水量33.24%，土壤堅(jiān)實(shí)度5.3 kg/m3，路面存在凹坑，且耕后深度為15 cm。

3.1 行駛速度分析

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測(cè)試了拖拉機(jī)在各擋位時(shí)的行駛速度。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行6次再取平均值，由此得到的拖拉機(jī)在不同工況下的平均行駛速度，如圖5所示。可見(jiàn)，地形對(duì)該型履帶拖拉機(jī)行駛速度的影響較小。

圖5 拖拉機(jī)各工況下的平均行駛速度

3.2 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速分析

本試驗(yàn)采用周期法測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，利用單片機(jī)記錄霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)的間隔時(shí)間并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)輪瞬時(shí)角速度。相應(yīng)的計(jì)算公式為

(1)

式中：ωi為驅(qū)動(dòng)輪的瞬時(shí)角速度；n為測(cè)點(diǎn)的數(shù)目；ti為脈沖的間隔時(shí)間。

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測(cè)試了拖拉機(jī)在各檔位行駛時(shí)左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。取每次試驗(yàn)中的50組連續(xù)數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)并計(jì)算其平均值，由此得到的拖拉機(jī)在不同工況下左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的平均轉(zhuǎn)速，如圖6所示?？梢?jiàn)該型履帶拖拉機(jī)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速基本相同，且地形對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的影響較小，所以拖拉機(jī)行駛過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大的側(cè)向偏移。

3.3 履帶張緊力分析

履帶拖拉機(jī)在行駛過(guò)程中，履帶受到的張緊力是波動(dòng)的，其波動(dòng)程度可以反映橡膠履帶在行駛過(guò)程中的波動(dòng)程度[11]。因此，可以通過(guò)張緊力波動(dòng)程度的穩(wěn)定系數(shù)判斷履帶拖拉機(jī)行走系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 拖拉機(jī)各工況下左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的平均轉(zhuǎn)速

本試驗(yàn)采用S型拉壓力傳感器采集拖拉機(jī)行駛過(guò)程中履帶張緊力的變化值，并通過(guò)張緊力標(biāo)準(zhǔn)差的大小判斷張緊力的波動(dòng)程度。履帶張緊力的標(biāo)準(zhǔn)差和穩(wěn)定系數(shù)分別為：

(2)

(3)

式中：Si為第i檔位履帶張緊力的標(biāo)準(zhǔn)差；Fij為第i檔位第j次張緊力的瞬時(shí)值；Fi為第i檔位履帶張緊力的平均值；Ui為第i檔位履帶張緊力的穩(wěn)定系數(shù)。

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測(cè)試得到的拖拉機(jī)在各檔位行駛時(shí)左、右兩側(cè)履帶張緊力的平均穩(wěn)定系數(shù)如圖7所示?？梢?jiàn)，該型履帶拖拉機(jī)在各工況下行駛時(shí)履帶張緊力的波動(dòng)程度隨行駛速度的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，高速擋位行駛時(shí)的波動(dòng)小于低速擋位時(shí)的波動(dòng)，而且地形對(duì)履帶張緊力的波動(dòng)有一定的影響，在水泥地面上行駛時(shí)的波動(dòng)比在土壤地面上行駛時(shí)的波動(dòng)小。

圖7 拖拉機(jī)各工況下左、右兩側(cè)履帶張緊力平均穩(wěn)定系數(shù)

3.4 振動(dòng)加速度分析

座椅處的振動(dòng)是導(dǎo)致駕駛員駕駛疲勞的主要因素之一[12]。本試驗(yàn)采用三軸加速度傳感器采集駕駛員座椅處X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度信號(hào)，利用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)得到X、Y、Z三個(gè)方向的有效值，進(jìn)而通過(guò)振動(dòng)加速度的聯(lián)合加權(quán)值評(píng)估拖拉機(jī)振動(dòng)。振動(dòng)加速度的聯(lián)合加權(quán)值為：

(4)

式中：aw為振動(dòng)加速度聯(lián)合加權(quán)值；axw為X方向加速度信號(hào)有效值；ayw為Y方向加速度信號(hào)有效值；azw為Z方向加速度信號(hào)有效值。

在水泥地面、未耕地面和耕后地面3種路況下測(cè)試得到的拖拉機(jī)在各擋位行駛時(shí)駕駛員座椅處振動(dòng)加速度的聯(lián)合加權(quán)值如圖8所示?？梢?jiàn)，該型履帶拖拉機(jī)在各工況下行駛時(shí)，座椅處的振動(dòng)加速度隨行駛速度的增加而增加，在高速3擋和高速4擋工況下座椅處振動(dòng)加速度的聯(lián)合加權(quán)值均超過(guò)了坐姿人體所能承受的振動(dòng)舒適極限值0.315 m/s2，所以該型拖拉機(jī)在高速擋位行駛時(shí)舒適性較差，這在試驗(yàn)中也深有體會(huì)。

圖8 拖拉機(jī)各工況下座椅處的振動(dòng)加速度

不難看出，該型履帶拖拉機(jī)在低速擋位行駛時(shí)，地形對(duì)駕駛員座椅處的振動(dòng)加速度影響較小，而在高速擋位行駛時(shí)，由于土壤地面硬度遠(yuǎn)低于水泥地面，能在一定程度上緩沖履帶所受到的沖擊，因此拖拉機(jī)在土壤地面行駛時(shí)座椅處的振動(dòng)加速度小于其在水泥地面行駛時(shí)的振動(dòng)加速度。

4 結(jié)論

本文以南方丘陵山區(qū)常用的某型橡膠履帶拖拉機(jī)為對(duì)象，通過(guò)田間試驗(yàn)研究了其行駛性能。結(jié)果表明：

1) 該型拖拉機(jī)在不同路況下的速度比較穩(wěn)定，地形對(duì)拖拉機(jī)行駛速度沒(méi)有明顯影響，不同工況下行駛時(shí)各擋位的速度基本接近。

2) 該型拖拉機(jī)在不同路況下行駛時(shí)，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速基本相同，且地形對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速影響較小，拖拉機(jī)行駛過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大的側(cè)向偏移。

3) 該型拖拉機(jī)在不同路況下行駛時(shí)，履帶張緊力的波動(dòng)程度隨行駛速度的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，高速擋位行駛時(shí)的波動(dòng)小于低速擋位時(shí)的波動(dòng)。而且，地形對(duì)履帶張緊力的波動(dòng)有一定的影響，在土壤地面行駛時(shí)履帶張緊力的波動(dòng)明顯大于其在水泥地面行駛時(shí)的波動(dòng)。

4) 該型拖拉機(jī)在低速擋位行駛時(shí)，地形對(duì)駕駛員座椅處的振動(dòng)加速度影響較小，但行駛速度對(duì)其振動(dòng)加速度的影響較大，在高速3擋和高速4擋工況下座椅處振動(dòng)加速度超過(guò)了坐姿人體所能承受的振動(dòng)舒適極限值，因此該型拖拉機(jī)不適宜長(zhǎng)時(shí)間工作在高速擋位。