基于约翰迪尔1204型拖拉机减振座椅的参数选择

闫建国，王春光，王利娟

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

基于约翰迪尔1204型拖拉机减振座椅的参数选择

闫建国，王春光，王利娟

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

为探究拖拉机减振座椅的设计，测试了约翰迪尔1204型拖拉机分别在油菜茬地、莜麦茬地附带播种机械行进和播种作业，以及田间草地、田间土路和翻耕地行进时机体的振动情况，得到在各种作业条件下拖拉机座椅下方机体的垂直振动峰值频率主要集中在2.6～4.1Hz范围内的结论。在此基础上，设计了一种结构简单的减振座椅模型，通过MatLab软件对该座椅的力学模型进行仿真，选择适合该型拖拉机减振要求的减振座椅参数—弹簧刚度和减振器阻尼，结果表明：该座椅模型可以有效隔绝机体传递到座椅的振动，且能够满足不同体重驾驶员的减振适应性。

拖拉机；减振座椅；参数选择

0 引言

拖拉机是农民的基本作业工具，也是农民作业操作的场所，受行驶道路和作业场地等因素的影响，拖拉机所承受的振动比其它车辆更为剧烈。振动使拖拉机的行驶平顺性下降，严重影响驾驶员的身体健康。研究表明，人体对频率在4～12.5Hz的垂直振动最敏感。其中，在4～8Hz频率范围内，人的内脏器官产生共振；在8～12.5Hz频率范围内，对人的脊椎系统影响很大[1]。拖拉机在大振幅低频率运行工况下，其振动频率可以同人体器官的固有频率相接近[2]。

拖拉机进行农业作业时，由田间路面不平度、发动机、传递装置和农业机械产生的振动都会不同程度传递到拖拉机的机体上，而座椅是安装在机体上部的，机体是座椅的激励源，因此研究拖拉机机体在各种条件下的振动特性对减振座椅的设计是必不可少的。本文测试了拖拉机在不同地面及作业条件下座椅正下方机体的振动情况，通过数据分析得出拖拉机机体在各种状态下的振动激励频率，为后续拖拉机减振座椅的设计提供了依据。

1 拖拉机在田间的振动测试

1.1 试验条件

试验在呼和浩特市武川县保护性耕作区域的莜麦茬地、油菜茬地、田间草地、翻耕地和田间土路进行，油菜茬地和莜麦茬地的平均残茬高度分别是40cm和13cm，播种机正常的播种速度是3～6km/h，测试保持3±0.5km/h和(6±0.5km/h)的慢速和快速运行条件。试验地块地势平坦，土壤为沙土壤性质，油菜茬地和莜麦茬地表土壤平均含水率分别是12.4%和11.2%，地表10cm处土壤平均硬度分别是2.6kg/cm2和2.7kg/cm2。

试验所用拖拉机是约翰迪尔1204型，发动机最大功率88kW，整机质量4 570kg，前后轮胎尺寸分别是 14.9-24和18.4-38，前后轮胎压分别为200kPa和180kPa。拖拉机附带的作业机械是得利新2BMS-9A免耕播种机，整机质量860kg，作业行数9行，施肥深度150mm，工作幅宽2 100mm。

试验采用丹麦B&K公司生产的六通道Pulse LAN-XI振动测试系统。通道输入模块标准频率范围0～51.2kHz，最大采样频率131.072kHz，量程固有噪声≤2μV，不同频率高通滤波器频率响应优于±0.1dB，测试范围为1～20kHz，传感器灵敏度为0.1mV/g。试验采用V-BOX车速测试装置，利用GPS适时监测并显示车速数据。

1.2 试验方法

将一个单轴向加速度传感器布置在拖拉机驾驶座椅正下方的中间位置，用胶水将传感器座与机体粘牢。传感器的采样频率设置为320Hz，有效分析频率带宽是0～125Hz。将GPS测速传感器吸附在拖拉机顶部的金属部件上，车速显示装置用胶带固定在仪表盘上方，方便驾驶员查看并保持稳定车速。试验包括播种作业时的测试试验和不播种时附带播种机行走的测试试验。由于该型播种机正常的播种速度是3～6km/h，为区分不同作业速度下的振动情况，播种试验分别选取3km/h和6km/h进行测试，试验车速由V-BOX车速测试装置监测，车速稳定后开始测试。每条测试路线在同一车速下测试时长为30s，图1为试验的场景。

图1 试验场景Fig.1 Test scenario

1.3 试验分析结果

已有的研究结果表明：车辆运行中产生的振动加

速度属于随机信号[3]。随机信号是时域无限信号，不具备可积分条件，不能直接进行傅里叶变换，且随机信号的频率、幅值、相位都是随机的，因此一般不作幅值谱和相位谱分析，而是用具有统计特性的功率谱密度来分析，通过功率谱密度函数反映随机信号的能量随频率的分布情况。

以下对拖拉机机体的垂直振动加速度作时域和频域分析，部分行进工况的测试分析结果如图2～4所示，油菜茬地和莜麦茬地播种作业时的测试分析结果如图5～图8所示。

图2～图4中，时域信号图表示振动加速度随测试时间的变化情况，可以看出：在相同测试条件下拖拉机机体的振动信号是基本平稳的；由自功率谱密度图可以看出：机体的垂直振动主要集中在10Hz以下的低频范围内，振动峰值频率集中在3～4Hz左右，即在该频率范围拖拉机机体的振动能量较大。

由图5～图8可知:播种作业时，拖拉机机体的振动峰值频率集中在2.6-3.5Hz的范围，两种地面的播种作业速度由3km/h提高到6km/h，时域加速度变化范围和频域峰值频率上的功率谱密度都明显变大，体现振动能量的变大。

图2 田间土路6km/h行进时机体的振动特性Fig.2 Vibration characteristics of tractor body during 6km/h traveling in field road

图3 田间草地6km/h行进时机体的振动特性Fig.3 Vibration characteristics of tractor body during 6km/h traveling in field of grassland

图4 翻耕地3km/h行进时机体的振动特性Fig.4 Vibration characteristics of tractor body during 3km/h traveling in field of cultivated land

图5 油菜茬地3km/h播种作业时机体的振动特性Fig.5 Vibration characteristics of tractor body during 3km/h seeding in rape stubble field

图6 油菜茬地6km/h播种作业时机体的振动特性Fig.6 Vibration characteristics of tractor body during 6km/h seeding in rape stubble field

图7 莜麦茬地3km/h播种作业时机体的振动特性Fig.7 Vibration characteristics of tractor body during 3km/h seeding in naked oats stubble field

图8 莜麦茬地6km/h播种作业时机体的振动特性Fig.8 Vibration characteristics of tractor body during 6km/h seeding in naked oats stubble field

表1为拖拉机在5种地面和作业条件下驾驶座椅正下方机体垂直振动的特征参数。由表1可知：拖拉机机体的垂直振动峰值频率主要集中在2.6～4.1Hz范围内；相同地面和作业条件时，车速增加会造成机体振动加速度的有效值增大；相同地面和车速条件时，播种作业比行进时的振动加速度有效值增大。

表1 不同工况时拖拉机机体的振动特征参数

Table 1 Vibration characteristic parameters of tractor body at different working conditions

地面条件均分根值/m·s-2自功率谱峰值频率/Hz车速/m·s-1运行状态油菜茬地1.34563.73行进2.12222.66行进1.59333.53播种2.36936播种莜麦茬地1.06557.93行进2.0543.26行进1.58243.53播种2.45232.66播种田间草地0.86463.63行进1.55542.76行进田间土路0.939351.73行进2.11862.96行进翻耕地1.18394.13行进1.68943.36行进

上述测试结果表明：拖拉机在各种不同的地面和作业条件下有着不同的振动特性。但各种状态的自功率谱特征表明：拖拉机机体的垂直振动峰值频率主要集中在2.6～4.1Hz范围内，即座椅下面接受来自拖拉机机体的振动峰值频率主要在该频率范围。另外，人体内脏器官的固有频率是4～8Hz。因此，拖拉机减振座椅的固有频率应避开机体的峰值振动频率和人体器官的固有频率，并可有效缓减在这些冲击频率下的振动。

2 减振座椅的仿真设计

减振座椅的仿真设计首先应明确座椅的结构形式，以此确定座椅的减振力学模型，根据驾驶员体重确定座椅的承载质量，利用仿真技术选择合适的弹簧刚度和减震器阻尼，从而达到降低驾驶员振动冲击的目的。

2.1 减振座椅的结构形式

考虑到拖拉机座椅布置空间和成本的限制，减振座椅采用如图9所示的结构形式。椅面下方布置有弹簧和减震器，弹簧采用变刚度的螺旋弹簧，以满足不同体重驾驶员的减振要求。利用MatLab软件对该减振座椅在机体传递5Hz以内的低频振动信号做仿真分析，合理选用减振器阻尼和可变弹簧刚度，目的是降低拖拉机日常作业时机体传递到座椅的垂直振动，使其满足不同体重驾驶员的使用要求。

2.2 座椅承载质量的确定

根据2015年发布的中国居民营养与慢性病状况报告显示[4]，2012年我国18岁以上成年男性和女性的平均体重分别为66.2kg和57.3kg。为使座椅有更广泛的减振适应性，本文选取驾驶员体重集中在55～100kg之间。由于驾驶员体重不是全部由座椅来承受，手臂和腿支承的质量直接传给拖拉机机体而不是作用在座位悬架系统上面，按经验取其75%为悬架系统所支承，座椅自身质量约8～12kg左右[5]。因此，确定作用于座位悬架系统上的有效质量的变化范围为50～85kg，要求减振座椅除在驾驶员平均体重66kg附近有良好的减振性能，还应满足承载有效质量在50～85kg范围的减振适应性。

1.椅面 2.减振器 3.变刚度弹簧 4.拖拉机机体图9 减振座椅的结构形式Fig.9 Structure form of damping seat

2.3 减振座椅的要求

减振座椅固有频率的确定应确保拖拉机在日常作业中机体承受主要振动频率范围内能够有效隔振。根据前述分析，应保证3Hz左右的振动峰值激励频率有良好的减振能力。本文设置的条件是要求高于2.6Hz的激励频率范围应有减振效果，即大于2.6Hz时的座椅振动传递系数要小于1。理论上来说，固有频率越低，对应3Hz及更高频率的减振能力越强，但过低的固有频率对应着较小的弹簧刚度，座椅的静态和动态垂直位移过大，影响驾驶员对车辆的正常操作及舒适性能。根据文献[5]，座椅静态垂直位移一般不宜超过10cm，该值限定了固有频率不能过小。因此，该座椅弹簧刚度和减震器阻尼的选择目标是使不同质量的驾驶员在保证座椅垂直位移满足要求的情况下，尽可能降低拖拉机机体激振频率范围的传递系数。

2.4 弹簧刚度的选择

对于结构确定的减振座椅来说，座椅设计的关键是座椅弹簧刚度和减振器阻尼的选择。

弹簧刚度主要影响座椅的固有频率和垂直位移。刚度小则相同质量的驾驶员对应的固有频率低，有利于隔绝拖拉机机体的振动；但对于体重较大的驾驶员，刚度小的座椅垂直位移会增加，过大的垂直位移会影响驾驶员对拖拉机的操作和舒适性。刚度大的座椅垂直位移小，但减振效果不明显。

图10是驾驶员质量为100kg，减震器阻尼c=500N·m/s，弹簧刚度分别是7 700、8 700、9 700N/m时座椅的减振特性曲线。由图10可知：弹簧刚度变大时座椅的固有频率也在增加，对应拖拉机主要振动频率3Hz处的传递系数分别是0.498 9、0.546 4、0.599 4，座椅垂直位移分别是10.818 2、9.574 7、8.587 6。弹簧刚度7 700N/m时座椅垂直位移超过了10cm，说明刚度太小，不符合垂直位移要求；弹簧刚度9 700N/m时，3Hz处的传递系数又较大，减振效果不明显。所以，弹簧刚度8700N/m对于100kg的驾驶员是比较适合的。可见，弹簧刚度的选择需兼顾减振效果和座椅垂直位移的大小，为了满足不同体重驾驶员的减振适应性，应选择变刚度的弹簧。

图10 不同弹簧刚度的座椅减振特性曲线Fig.10 Vibration damping characteristic curve of different spring stiffness

2.5 减震器阻尼的选择

图11为驾驶员质量100kg，弹簧刚度k=8 700N/m，减震器阻尼分别是400、500、600 N·m/s时座椅的减振特性曲线。阻尼大时，对抑制共振区的传递系数较好；但在减振区，阻尼越大，减振效果反而变差。虽然阻尼小的系统在减振频率范围座椅的减振效果更明显，但为了使固有频率附近的传递系数不会过大，导致振动放大倍数较高，选取阻尼c=500为减震器阻尼。

图11 不同阻尼的座椅减振特性曲线Fig.11 Damping characteristic curve of seat with different

damping coefficient

2.6 座椅的减振仿真结果

座椅参数选择及仿真结果如表2所示。表2中所列的弹簧刚度和阻尼满足不同体重驾驶员的垂直位移不超过10cm和2.6Hz处的传递系数小于1的约束条件，座椅固有频率保持在1.54Hz附近。由表2可知：驾驶员体重越大，拖拉机机体激励频率3Hz处的传递系数越小，即减振效果越好；但体重大的驾驶员座椅的垂直位移会有所增大。

表2 座椅参数及减振仿真结果

图12为该减振座椅的减振特性曲线。体重最大的驾驶员在固有频率处的传递系数最大，但在频率较高的范围体重越大对应的传递系数越小。由上述试验可知：拖拉机在各种作业条件下机体的主要激励频率是2.6～4.1Hz，在该频率范围相同频率时体重大的驾驶员对应的传递系数较小。可见，该减振座椅对于体重较大的驾驶员比体重小的驾驶员在主要振动频段(2.6HZ以上)的减振效果好。

图12中，虽然阻尼c=500不变，但可看到固有频率处的峰值和频率较高处的传递系数都有变化，主要是因为传递函数的计算与频率和阻尼比有关，驾驶员质量和弹簧刚度影响了阻尼比。刚度和质量同步增加时，阻尼比在减小，造成在固有频率附近的传递系数大，在频率大的区段传递系数小。

图12 座椅的减振特性曲线Fig.12 Damping characteristic curve of damping seat

图13是根据上述选择的座椅参数得到的拖拉机在日常工作时机体主要激振频率在2.6～4.1Hz范围内、驾驶员体重在55～100kg范围内变化时的座椅减振特性曲线。图13中绘制了2.6、3、4.1Hz处传递系数随驾驶员体重变化的3条曲线。由图13可知：在减振区段，座椅对体重较大的驾驶员减振效果较好，体重相同的在频率较大时减振效果更明显。因此，该座椅对于体重大的驾驶员在相对较高的激振频率下会有更显著的减振性能。

图13 不同体重驾驶员的减振特性曲线Fig.13 Vibration reduction characteristics for drivers of different weight

3 结论

1)拖拉机在各种作业条件下机体的垂直振动峰值频率主要集中在2.6～4.1Hz的范围，与人体器官固有频率范围4～8Hz较接近，因此减振座椅的设计应尽可能隔绝该频率范围的振动。

2)由仿真结果可以看出：文中设计的减振座椅模型只要合理选择好结构参数，是可以有效缓解拖拉机机体传递的冲击振动的。

3)文中设计的减振座椅模型对体重大的驾驶员在相对较高的激振频率下会有更显著的减振性能。

需要说明的是，弹簧刚度、减振器阻尼等座椅参数的选择只是针对文中提到的座椅结构形式所得到的力学模型来选取的，不同结构减振座椅的参数选择会有较大差别。

[1] 余志生.汽车理论(4版)[M].北京:机械工业出版社,2006:202-204.

[2] Scarlett AJ, Price JS, Stayner RM.Whole body vibration:evaluation of emissions and exposure levels arising from agricultural tractors [J].Terrramech，2007, 44:65-73.

[3] 赵岩,张亚辉,林家浩.车辆随机振动功率谱分析的虚拟激励法概述[J].应用数学和力学,2013,34(2):107-117.

[4] 国家卫生计生委疾病预防控制局网(全国爱国卫生运动委员会办公室).中国居民营养与慢性病状况报告[EB/OL].(2015-06-30). http://www.nhfpc.gov.cn/jkj/s5879/201506/4505528e65f3460fb88685081ff158a2.shtml.

[5] 周一鸣.拖拉机驾驶座位悬架系统的特性参数与驾驶员不同体重的最佳匹配[J].农业机械学报,1983,12(4):27-43.

Parameter of Damping Seat Selection Based on John Deere Type-1204 Tractor

Yan Jianguo, Wang Chunguang, Wang Lijuan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018, China)

In order to design the damping seat of tractor, an experiment is developed to test the vibration of the John Deere type-1204 tractor in rape stubble farmland, naked oats stubble farmland, field road, field grassland and cultivated land. The result of test shows the vertical vibration peak frequency of tractor body is mainly concentrated in the range of 2.6-4.1Hz. A simple damping seat model is designed on the basis of test. The mechanical model of the seat is simulated by MATLAB software, and the parameters of the damping seat are selected, which are spring stiffness and damping coefficient of damper. The result of simulation shows the seat model can effectively isolate the vibration of tractor body to seat, and meet the vibration reduction requirements for drivers of different weight.

tractor; damping seat; parameter selection

2016-10-24

内蒙古自然科学基金项目(2014MS0541);国家自然科学基金项目(50865005)

闫建国(1981-)，男，内蒙古包头人，副教授，博士研究生，(E-mail)yanyjg@126com。

王春光(1959-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，教授，博士生导师， (E-mail)jdwcg@imau.edu.cn。

SS219.032.9

A

1003-188X(2017)12-0236-07