基于加速度傳感器的拖拉機(jī)振動(dòng)特性研究*

袁加奇， 鄧曉亭， 朱思洪， 馬佳富， 魯植雄

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇省農(nóng)業(yè)智能化裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

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基于加速度傳感器的拖拉機(jī)振動(dòng)特性研究*

袁加奇， 鄧曉亭， 朱思洪， 馬佳富， 魯植雄

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇省農(nóng)業(yè)智能化裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

以常發(fā)CF700型拖拉機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)和建立了拖拉機(jī)整車振動(dòng)加速度測試系統(tǒng)，分別測量了拖拉機(jī)前橋垂向、后橋垂向以及座椅和駕駛室底板位置的垂向、橫向、縱向等4個(gè)部位9個(gè)軸向的振動(dòng)加速度。計(jì)算了座椅和駕駛室底板位置的聯(lián)合加速度均方根值，并通過幾何關(guān)系得到拖拉機(jī)質(zhì)心處的垂向和俯仰角振動(dòng)加速度以及加速度功率譜密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：拖拉機(jī)振動(dòng)加速度隨行駛速度增加而增大，前橋加速度最大，座椅和駕駛室底板位置的垂向加速度較其他兩個(gè)方向偏大，其聯(lián)合加速度均方根值大于人體感覺極不舒適的標(biāo)準(zhǔn)。各軸向加速度功率譜密度的峰值均集中在3～5 Hz。

加速度傳感器； 測試系統(tǒng)； 振動(dòng)加速度； 功率譜密度

0 引 言

拖拉機(jī)在田間作業(yè)或運(yùn)輸狀態(tài)下會(huì)引起駕駛員的全身振動(dòng)，容易引起駕駛員的疲勞[1～4]。研究拖拉機(jī)的振動(dòng)特性，改善拖拉機(jī)的乘坐舒適性，提高拖拉機(jī)的行駛安全性和操縱穩(wěn)定性成為當(dāng)務(wù)之急。

對(duì)于振動(dòng)加速度測量問題已經(jīng)有了大量的研究和探索。陳鵬展等人[5]利用加速度傳感器采集的手勢動(dòng)作信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定手勢的實(shí)時(shí)識(shí)別。王增躍等人[6]考慮到環(huán)境溫度對(duì)硅微加速度計(jì)檢測精度的影響，建立了加速度計(jì)溫度補(bǔ)償模型。李敏通等人[7]研究設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)整車振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，并對(duì)拖拉機(jī)整車進(jìn)行實(shí)測，認(rèn)為拖拉機(jī)整車振動(dòng)是混沌振動(dòng)。暢雄勃[8]根據(jù)國家有關(guān)拖拉機(jī)駕駛員全身振動(dòng)加速度的測量方法實(shí)證分析了不同行駛速度對(duì)駕駛員全身振動(dòng)聯(lián)合加速度的影響。國內(nèi)對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)的測試主要集中在駕駛員處的振動(dòng)加速度，而對(duì)于拖拉機(jī)整車的振動(dòng)測試較少。拖拉機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，各個(gè)部位之間相互影響，對(duì)拖拉機(jī)整車進(jìn)行振動(dòng)測試能夠更好的了解拖拉機(jī)的振動(dòng)情況，為后期改善國產(chǎn)拖拉機(jī)的乘坐舒適性提供一定的依據(jù)。

本文設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)多部位振動(dòng)加速度測試系統(tǒng)，采用兩個(gè)單相加速度傳感器和兩個(gè)三相加速度傳感器分別測試了前橋垂向、后橋垂向以及駕駛室底板和座椅位置的垂向、橫向、縱向的振動(dòng)情況。LMS SCADAS Mobile前端與LVIS Test.Xpress實(shí)時(shí)分析軟件采集并分析振動(dòng)加速度信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可靠性。

1 拖拉機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

事實(shí)上，拖拉機(jī)各個(gè)方向的振動(dòng)是相互耦合的，考慮到拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，將拖拉機(jī)簡化為圖1所示的平面模型。

圖1 拖拉機(jī)平面模型Fig 1 Tractor planar model

圖2 幾何關(guān)系Fig.2 Geometry relation

圖2為拖拉機(jī)平面模型垂直位移的幾何關(guān)系，由于車身俯仰角位移φb較小，有tanφb≈φb，可以得到拖拉機(jī)前橋、后橋、質(zhì)心處、座椅位置的垂直位移和俯仰角位移之間存在的關(guān)系[9]如式1，式中，zbf為前橋垂向位移，zbr為后橋垂向位移，zs為座椅位置垂直位移，根據(jù)拖拉機(jī)的幾何關(guān)系可以得到拖拉機(jī)任意位置的垂直位移和俯仰角位移。

(1)

通過測量和計(jì)算獲得常發(fā)CF700型拖拉機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)[10]，見表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

測試系統(tǒng)原理圖見圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)原理圖Fig 3 Principle diagram of test system

3 試驗(yàn)路面選擇

試驗(yàn)所用路面為GB /T10910—2004[11]給出的100 m較平滑標(biāo)準(zhǔn)跑道，得到100 m較平滑標(biāo)準(zhǔn)跑道長度—路面不平度曲線如圖4所示。選取100 m較平滑跑道左轍路面計(jì)算功率譜密度曲線如圖5。由圖可知100 m較平滑跑道屬于D級(jí)路面。

圖4 雙轍實(shí)驗(yàn)路面Fig 4 Double road surface

圖5 左轍功率譜密度Fig 5 PSD of left road

4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)前橋正下方和后橋正下方分別安裝一個(gè)單相加速度傳感器，座椅安裝位置和駕駛室底板位置分別安裝一個(gè)三相加速度傳感器，振動(dòng)加速度傳感器在拖拉機(jī)上的安裝位置如圖6所示。振動(dòng)測試時(shí)，拖拉機(jī)前輪胎氣壓為210 kPa，后輪胎氣壓為150 kPa。拖拉機(jī)分別以一擋位(4.93 km/h)、二擋位(8.78 km/h)和三擋位(12.41 km/h)分別在100 m較平滑跑道上行駛，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用加速度均方根值來評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度，利用式(2)計(jì)算各軸向加速度均方根值

(2)

式中 aw(t)為實(shí)時(shí)加速度值，m/s2，aw為加速度均方根值，m/s2，T為測試時(shí)間，s。

拖拉機(jī)座椅和駕駛室底板位置的三個(gè)軸向的振動(dòng)加速度存在耦合關(guān)系，為了評(píng)價(jià)振動(dòng)的總效應(yīng)，利用式(3)計(jì)算拖拉機(jī)聯(lián)合加速度均方根值

(3)

式中 aXW為縱向振動(dòng)加速度均方根值，aYW為橫向振動(dòng)加速度均方根值，aZW為垂向振動(dòng)加速度均方根值，1.4為加速度加權(quán)系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)得到拖拉機(jī)前橋垂向、后橋垂向、座椅和駕駛室底板位置垂向、橫向、縱向的振動(dòng)加速度均方根值見表1所示。

表1 振動(dòng)加速度測試結(jié)果

由表可知拖拉機(jī)各部位的振動(dòng)加速度均隨拖拉機(jī)行駛速度的增加而顯著增大，其中，拖拉機(jī)前橋垂向加速度最大，座椅位置和駕駛室底板位置的三個(gè)方向振動(dòng)加速度中，橫向振動(dòng)加速度較小，垂向振動(dòng)加速度較大。座椅位置和駕駛室底板位置聯(lián)合加速度均方值見表2所示。

表2 聯(lián)合加速度均方根值

由表可知所測試的拖拉機(jī)座椅和駕駛室底板位置的振動(dòng)聯(lián)合加速度均方根值高于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO—2631—1∶1997中人體主觀感覺“極不舒適”所對(duì)應(yīng)的加權(quán)加速度均方根值(>2 m/s2)，會(huì)損害駕駛員的身心健康。

拖拉機(jī)以二擋行駛速度在100 m較平滑標(biāo)準(zhǔn)跑道上行駛時(shí)，得到拖拉機(jī)前、后橋垂向振動(dòng)加速度、機(jī)身質(zhì)心處垂向、俯仰角振動(dòng)加速度以及座椅安裝位置垂向振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化曲線，并對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傅里葉變化得到各方向加速度功率譜密度如圖6～圖9所示。由加速度功率譜密度可知，拖拉機(jī)的固有頻率主要集中在3～5 Hz。

圖6 前、后橋垂向Fig 6 Front and rear axle

圖7 機(jī)身質(zhì)心處垂向Fig 7 Vertical acceleration of mass center of fuselage

圖8 機(jī)身質(zhì)心處俯仰角Fig 8 Pitch angle of mass center of fuselage

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)和建立了拖拉機(jī)整車多部位振動(dòng)加速度測試系統(tǒng)，選取GB /T10910—2004規(guī)定的100 m較平滑標(biāo)準(zhǔn)跑道，測試拖拉機(jī)分別以三個(gè)不同速度檔位行駛時(shí)前橋、后橋、駕駛室底板以及座椅位置9個(gè)軸向的振動(dòng)加速度。結(jié)果得到，拖拉機(jī)各部位振動(dòng)加速度均隨拖拉機(jī)行駛速度的增加而增大，拖拉機(jī)前橋垂向加速度最大，座椅和駕駛室底板位置的橫向振動(dòng)加速度較小，而垂向振動(dòng)加速度較大。座椅和駕駛室底板位置的聯(lián)合加速度均方根值大于人體感覺極不舒適標(biāo)準(zhǔn)。由拖拉機(jī)各位置的振動(dòng)加速度功率譜密度可知拖拉機(jī)固有頻率主要集中在3～5 Hz。本文的研究結(jié)論為后期拖拉機(jī)減振設(shè)計(jì)提高參考依據(jù)。

圖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,黃清華,祝發(fā)榮,等.運(yùn)輸車輛振動(dòng)環(huán)境與人體響應(yīng)的監(jiān)測研究[J].振動(dòng)與沖擊,2001,20(1):9-12.

[3] 樓少敏,許滄粟.車載式拖拉機(jī)座椅舒適性測試系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2004,35(2):35-36,61.

[4] 曾 超,王文軍,陳朝陽,等.駕駛員疲勞狀態(tài)生理信號(hào)的DFA[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(1):7-10.

[5] 陳鵬展,羅 漫,李 杰.基于加速度傳感器的連續(xù)動(dòng)態(tài)手勢識(shí)別[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(1):39-42.

[6] 王增躍,李孟委,劉國文.硅微加速度計(jì)溫度特性分析與誤差補(bǔ)償[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(1):25-28.

[7] 李敏通,楊 青,陳 軍.拖拉機(jī)整車振動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,38(5):229-234.

[8] 暢雄勃.拖拉機(jī)行駛速度對(duì)駕駛員全身振動(dòng)聯(lián)合加速度的影響[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2016,37(1):159-161,203.

[9] 屈維德,唐恒齡.機(jī)械振動(dòng)手冊(cè)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[10] 聶信天,史慶春,朱思洪,等.拖拉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量及誤差分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2012,31(8):1325-1326.

[11] GB/T10910—2004農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)和田間作業(yè)機(jī)械駕駛員全身振動(dòng)的測量[S].洛陽拖拉機(jī)研究所、中國一拖集團(tuán)有限公司,2004.

魯植雄,通訊作者，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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275249)

S 219

A

1000—9787(2016)12—0072—03

袁加奇(1990-)，男，江蘇南京人，碩士,研究方向?yàn)檐囕v振動(dòng)與控制。