基于加速度传感器的拖拉机振动特性研究*

袁加奇， 邓晓亭， 朱思洪， 马佳富， 鲁植雄

(南京农业大学 工学院 江苏省农业智能化装备重点实验室，江苏 南京 210031)



基于加速度传感器的拖拉机振动特性研究*

袁加奇， 邓晓亭， 朱思洪， 马佳富， 鲁植雄

(南京农业大学 工学院 江苏省农业智能化装备重点实验室，江苏 南京 210031)

以常发CF700型拖拉机为研究对象，设计和建立了拖拉机整车振动加速度测试系统，分别测量了拖拉机前桥垂向、后桥垂向以及座椅和驾驶室底板位置的垂向、横向、纵向等4个部位9个轴向的振动加速度。计算了座椅和驾驶室底板位置的联合加速度均方根值，并通过几何关系得到拖拉机质心处的垂向和俯仰角振动加速度以及加速度功率谱密度。实验结果表明：拖拉机振动加速度随行驶速度增加而增大，前桥加速度最大，座椅和驾驶室底板位置的垂向加速度较其他两个方向偏大，其联合加速度均方根值大于人体感觉极不舒适的标准。各轴向加速度功率谱密度的峰值均集中在3～5 Hz。

加速度传感器； 测试系统； 振动加速度； 功率谱密度

0 引 言

拖拉机在田间作业或运输状态下会引起驾驶员的全身振动，容易引起驾驶员的疲劳[1～4]。研究拖拉机的振动特性，改善拖拉机的乘坐舒适性，提高拖拉机的行驶安全性和操纵稳定性成为当务之急。

对于振动加速度测量问题已经有了大量的研究和探索。陈鹏展等人[5]利用加速度传感器采集的手势动作信号实现对特定手势的实时识别。王增跃等人[6]考虑到环境温度对硅微加速度计检测精度的影响，建立了加速度计温度补偿模型。李敏通等人[7]研究设计了拖拉机整车振动信号采集系统，并对拖拉机整车进行实测，认为拖拉机整车振动是混沌振动。畅雄勃[8]根据国家有关拖拉机驾驶员全身振动加速度的测量方法实证分析了不同行驶速度对驾驶员全身振动联合加速度的影响。国内对拖拉机振动的测试主要集中在驾驶员处的振动加速度，而对于拖拉机整车的振动测试较少。拖拉机是一个复杂的多自由度振动系统，各个部位之间相互影响，对拖拉机整车进行振动测试能够更好的了解拖拉机的振动情况，为后期改善国产拖拉机的乘坐舒适性提供一定的依据。

本文设计了拖拉机多部位振动加速度测试系统，采用两个单相加速度传感器和两个三相加速度传感器分别测试了前桥垂向、后桥垂向以及驾驶室底板和座椅位置的垂向、横向、纵向的振动情况。LMS SCADAS Mobile前端与LVIS Test.Xpress实时分析软件采集并分析振动加速度信号，实验结果具有可靠性。

1 拖拉机系统参数

事实上，拖拉机各个方向的振动是相互耦合的，考虑到拖拉机结构的对称性，将拖拉机简化为图1所示的平面模型。

图1 拖拉机平面模型Fig 1 Tractor planar model

图2 几何关系Fig.2 Geometry relation

图2为拖拉机平面模型垂直位移的几何关系，由于车身俯仰角位移φb较小，有tanφb≈φb，可以得到拖拉机前桥、后桥、质心处、座椅位置的垂直位移和俯仰角位移之间存在的关系[9]如式1，式中，zbf为前桥垂向位移，zbr为后桥垂向位移，zs为座椅位置垂直位移，根据拖拉机的几何关系可以得到拖拉机任意位置的垂直位移和俯仰角位移。

(1)

通过测量和计算获得常发CF700型拖拉机系统的参数[10]，见表1所示。

2 实验仪器与设备

测试系统原理图见图3所示。

图3 测试系统原理图Fig 3 Principle diagram of test system

3 试验路面选择

试验所用路面为GB /T10910—2004[11]给出的100 m较平滑标准跑道，得到100 m较平滑标准跑道长度—路面不平度曲线如图4所示。选取100 m较平滑跑道左辙路面计算功率谱密度曲线如图5。由图可知100 m较平滑跑道属于D级路面。

图4 双辙实验路面Fig 4 Double road surface

图5 左辙功率谱密度Fig 5 PSD of left road

4 实验方案设计

拖拉机前桥正下方和后桥正下方分别安装一个单相加速度传感器，座椅安装位置和驾驶室底板位置分别安装一个三相加速度传感器，振动加速度传感器在拖拉机上的安装位置如图6所示。振动测试时，拖拉机前轮胎气压为210 kPa，后轮胎气压为150 kPa。拖拉机分别以一挡位(4.93 km/h)、二挡位(8.78 km/h)和三挡位(12.41 km/h)分别在100 m较平滑跑道上行驶，每组实验重复5次取平均值。

5 实验结果分析

用加速度均方根值来评价振动强度，利用式(2)计算各轴向加速度均方根值

(2)

式中 aw(t)为实时加速度值，m/s2，aw为加速度均方根值，m/s2，T为测试时间，s。

拖拉机座椅和驾驶室底板位置的三个轴向的振动加速度存在耦合关系，为了评价振动的总效应，利用式(3)计算拖拉机联合加速度均方根值

(3)

式中 aXW为纵向振动加速度均方根值，aYW为横向振动加速度均方根值，aZW为垂向振动加速度均方根值，1.4为加速度加权系数。

实验得到拖拉机前桥垂向、后桥垂向、座椅和驾驶室底板位置垂向、横向、纵向的振动加速度均方根值见表1所示。

表1 振动加速度测试结果

由表可知拖拉机各部位的振动加速度均随拖拉机行驶速度的增加而显著增大，其中，拖拉机前桥垂向加速度最大，座椅位置和驾驶室底板位置的三个方向振动加速度中，横向振动加速度较小，垂向振动加速度较大。座椅位置和驾驶室底板位置联合加速度均方值见表2所示。

表2 联合加速度均方根值

由表可知所测试的拖拉机座椅和驾驶室底板位置的振动联合加速度均方根值高于国际标准ISO—2631—1∶1997中人体主观感觉“极不舒适”所对应的加权加速度均方根值(>2 m/s2)，会损害驾驶员的身心健康。

拖拉机以二挡行驶速度在100 m较平滑标准跑道上行驶时，得到拖拉机前、后桥垂向振动加速度、机身质心处垂向、俯仰角振动加速度以及座椅安装位置垂向振动加速度随时间变化曲线，并对测得的数据进行了傅里叶变化得到各方向加速度功率谱密度如图6～图9所示。由加速度功率谱密度可知，拖拉机的固有频率主要集中在3～5 Hz。

图6 前、后桥垂向Fig 6 Front and rear axle

图7 机身质心处垂向Fig 7 Vertical acceleration of mass center of fuselage

图8 机身质心处俯仰角Fig 8 Pitch angle of mass center of fuselage

6 结 论

设计和建立了拖拉机整车多部位振动加速度测试系统，选取GB /T10910—2004规定的100 m较平滑标准跑道，测试拖拉机分别以三个不同速度档位行驶时前桥、后桥、驾驶室底板以及座椅位置9个轴向的振动加速度。结果得到，拖拉机各部位振动加速度均随拖拉机行驶速度的增加而增大，拖拉机前桥垂向加速度最大，座椅和驾驶室底板位置的横向振动加速度较小，而垂向振动加速度较大。座椅和驾驶室底板位置的联合加速度均方根值大于人体感觉极不舒适标准。由拖拉机各位置的振动加速度功率谱密度可知拖拉机固有频率主要集中在3～5 Hz。本文的研究结论为后期拖拉机减振设计提高参考依据。

图9 座椅位置垂向Fig 9 Vertical acceleration of seat position

[1] Wilder D,Magnusson M L,Fenwick J,et al.The effect of posture and seat suspension design on discomfort and back muscle fatigue during simulated truck driving[J].Applied Ergonomics,1994,25(2):66-76.

[2] 申中翰,黄清华,祝发荣,等.运输车辆振动环境与人体响应的监测研究[J].振动与冲击,2001,20(1):9-12.

[3] 楼少敏,许沧粟.车载式拖拉机座椅舒适性测试系统的研究[J].农业机械学报,2004,35(2):35-36,61.

[4] 曾 超,王文军,陈朝阳,等.驾驶员疲劳状态生理信号的DFA[J].传感器与微系统,2016,35(1):7-10.

[5] 陈鹏展,罗 漫,李 杰.基于加速度传感器的连续动态手势识别[J].传感器与微系统,2016,35(1):39-42.

[6] 王增跃,李孟委,刘国文.硅微加速度计温度特性分析与误差补偿[J].传感器与微系统,2016,35(1):25-28.

[7] 李敏通,杨 青,陈 军.拖拉机整车振动测试系统的设计[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2010,38(5):229-234.

[8] 畅雄勃.拖拉机行驶速度对驾驶员全身振动联合加速度的影响[J].中国农机化学报,2016,37(1):159-161,203.

[9] 屈维德,唐恒龄.机械振动手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2000.

[10] 聂信天,史庆春,朱思洪,等.拖拉机转动惯量测量及误差分析[J].机械科学与技术,2012,31(8):1325-1326.

[11] GB/T10910—2004农业轮式拖拉机和田间作业机械驾驶员全身振动的测量[S].洛阳拖拉机研究所、中国一拖集团有限公司,2004.

鲁植雄,通讯作者，E—mail:luzx@njau.edu.cn。

Research on vibration characteristics of tractor based on acceleration sensor*

YUAN Jia-qi, DENG Xiao-ting, ZHU Si-hong, MA Jia-fu, LU Zhi-xiong

(Key Laboratory of Intelligent Equipment for Agriculture of Jiangsu Province,College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

Taking the CF700 tractor as research object,design and build up tractor vehicle vibration acceleration test system,measure tractor front and rear axle vertical acceleration as well as seats and cabin floor vertical,transverse and longitudinal vibration acceleration.Seats and cabin floor position joint acceleration RMS are calculated,and vertical and pitching angle vibration acceleration and PSD of tractor centroid are obtained through tractor geometric relation.The results show that the tractor vibration acceleration increases with the increase of speed,the front axle acceleration is biggest,the vertical acceleration of seat and cabin floor position is bigger than other direction and the joint acceleration RMS is greater than the standard of body feels uncomfortable.The acceleration PSD are concentrated in 3～5 Hz.The study provides important basis for the later development of tractor vibration reduction design.

acceleration sensor; test system; vibration acceleration; PSD

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0072—03

2016—03—07

国家自然科学基金资助项目(51275249)

S 219

A

1000—9787(2016)12—0072—03

袁加奇(1990-)，男，江苏南京人，硕士,研究方向为车辆振动与控制。