基于人体测量学的拖拉机驾驶员工作空间设计

针对中国拖拉机驾驶员工作空间设计在操纵性、舒适性、方便性和安全性等方面存在的不足,该文从人机工程学角度出发,基于中国成年男性人体测量尺寸,计算出设计所需的28项人体主要尺寸的平均值、标准差和百分位数值,建立了拖拉机驾驶员人体关节生物力学模型,确定了模型中连接与人体测量尺寸的数值关系。以乘坐基准点为参考,对驾驶员工作空间内的座椅、踏板、转向盘、变速杆、液压操纵杆和仪表盘等进行了设计布置。选取了5个国产拖拉机样机T1、T2、T3、T4、T5,针对样机T1,以驾驶员工作空间各相应部件位置的设计理论值为依据,对其驾驶员工作空间布置进行了评价分析,结果表明:样机T1的座椅靠背宽度与夹角分别偏离理论值130 mm和15°;离合器踏板及制动踏板在水平方向上分别偏离理论值131和145 mm;转向盘在垂直方向上偏离理论值114 mm;仪表盘在水平、垂直方向及其与水平面夹角分别偏离理论值121 mm、199 mm和23.2°,与理论值偏差较大。同理,对其他样机进行了评价分析,结果表明:样机之间同类部件参数值差异较大,样机驾驶员工作空间尺寸与通过人体测量尺寸数据计算得出的设计理论值差异明显,样机驾驶员工作空间设计布置不合理。该文为评价驾驶室工作空间布置是否合理提供了一定的参考依据,同时为拖拉机驾驶员工作空间的优化设计奠定了理论基础。     

基于驾驶员生物力学特性的拖拉机座椅位置参数优化

座椅为拖拉机与驾驶员的主要接触部件，其参数设计与优化对提高驾驶舒适性具有重要意义。基于此，该研究采用生物力学软件AnyBody建立驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型，并以小、中、大体型驾驶员为研究对象，以拖拉机座椅靠背倾角、水平距离及垂直高度为参数，以竖脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌激活程度为评价指标，分析研究座椅位置参数对驾驶员腰部肌肉生物力学特性的影响规律，确定座椅最佳位置参数；其次以课题组研制的多自由度驾驶平台为基础，按照上述参数调节座椅位置，测试计算不同体型驾驶员腰部四个主要活动肌群的激活程度，并将测试结果与仿真分析结果进行对比，发现二者具有较好一致性，通过调整座椅参数能有效提升驾驶员腰部舒适性。对小体型驾驶员，当座椅靠背倾角为9.7°，水平距离为472.1 mm，垂直高度为465.3 mm时，4个肌群总的激活程度最低，驾驶员腰部舒适性最高；对中体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为13.9°，水平距离为495.6 mm，垂直高度为485.3 mm；对大体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为14.8°，水平距离为526.4 mm，垂直高度为520.7 mm。本文研究成果可为农机装备座椅位置参数优化提供一种新思路。     

轮式拖拉机线控液压转向系统路感特性与评价

针对路感特性是线控转向技术的难点之一,设计与评价了轮式拖拉机线控液压转向系统的路感特性。分析了路感的评价指标、产生机理及拖拉机等农用车辆行车环境差异大的特殊性;实测了拖拉机在旱地、土路、水泥路、沥青路等路面上的原地转向与行驶时的转向阻力,以指导设计模式化路感特性与模式识别系统。农田作业模式侧重于路感的轻便性,驾驶员作用在方向盘上的切向力为2~10.127 N,车速低于11 km/h;非农田作业模式侧重于路感的真实度,切向力范围为2.5~52.5 N,车速低于30 km/h。完成了路感的主观评价,评价结果表明模式化路感特性可以令驾驶员满意。设计的模式化路感可以有效改善拖拉机的驾驶感觉,推动线控液压转向系统的发展。     

基于Pro/E Manikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法

人机工程学设计是拖拉机驾驶室设计中非常重要的部分.该文以确定的H点为参考,运用人机工程学设计原则,对拖拉机驾驶室的驾驶员座椅和各操纵装置进行了布局和设计,并建立了驾驶室的 Pro/E 三维模型,运用Pro/E Manikin模块对驾驶员的坐姿舒适性、驾驶员视野性能、驾驶员的操作空间3个方面进行仿真和评价.结果表明,原设计方案中无法同时满足对各操纵装置的舒适性.对驾驶室优化布局和设计,首先,H点位置在X方向的坐标位置为550和581 mm时,分别调用第5百分位和第95百分位的中国男性人体模型进行分析,各操纵装置在操纵舒适性的RULA分析分数为1时,方向盘、变速杆、侧控台和前控台距踵点水平距离范围分别为290~352、366~437、375~420和128~213 mm.其次,通过Pro/E Manikin中到达包络的阴影区域检查操作空间是否符合要求.最后,在进行驾驶室设计过程中,将消音器和空气滤清器的位置设计在前立柱对驾驶员形成的盲区范围内,将水平面前方2个不可避免的盲区(12.81°和14.36°)叠加,最大程度的减小了驾驶员的盲区.优化设计后的驾驶舒适性、视野性能及易操作性在一定程度上都得到了改善.该方法为拖拉机驾驶室人机工程学设计提供了一定的参考.     

拖拉机作业机组模糊综合控制模型及仿真试验

拖拉机作业机组是一个复杂的非线性且有惯性的控制系统，系统参数间存在耦合关系，建立精确数学模型进行综合控制比较困难，通过对拖拉机作业机组动态特性的研究，建立了基于发动机负荷率、驱动轮滑转率和作业阻力3参数的综合控制仿真模型，并应用模糊控制技术实现了机组的综合控制。试验结果表明，该仿真模型能够根据作业阻力的变化自动推理输出档位、油门位置或耕深控制信号，由下位机执行机构完成控制，实现了由计算机模拟驾驶员对机组进行综合自动控制。由计算机实现机组综合自动控制，能根据选定的控制策略使发动机按最低油耗曲线运行，获得了很好的动力性和经济性，而且计算机自动控制摆脱了人工经验控制，控制更精确，比人工控制效果好，且控制具可重复性和试验结果具可比性。因此，所设计的拖拉机作业机组模糊综合控制模型对拖拉机作业机组综合自动控制研究有一定的实用和参考价值。     

液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验

液压驱动下肢助力外骨骼是一种典型的人机交互类机器人,在跟随人体行进的同时,可提高人的负重能力。为实现最优化的结构设计以降低对系统压强、液压缸尺寸的要求,通过仿生学分析人类正常步行时的步态数据,依据准拟人化设计准则,采用CAD设计软件、数值计算等方法,给出了液压驱动膝关节的设计过程,并通过MATLAB等仿真软件进行了验证。基于确定的模型参数,进行了结构设计及平台搭建,并进行了穿戴试验。仿真及试验结果表明,该方法设计的外骨骼膝关节可以满足步行及负重需求。在负重由10增加为20 kg时,即负重增加一倍时,膝关节的轨迹平均跟踪误差减小了0.05%,跟踪误差最大值增加了20.7%,但是相对于整个膝关节的活动范围,该误差仅占总活动范围的1.2%。该研究为优化液压驱动下肢助力外骨骼提供了参考方法,并可为直线执行器驱动外骨骼其他关节的优化设计提供参考。     

拖拉机驾驶员颈部疲劳的肌电评价

为了了解拖拉机驾驶员颈部疲劳状况,该文在模拟拖拉机倒车作业的基础上,对驾驶员颈部胸锁乳突肌的表面肌电信号进行了测试,选取积分肌电值、平均功率频率、小波分解系数等特征量对肌电信号进行时域、频域以及时频域分析。结果表明：拖拉机驾驶员颈部疲劳后胸锁乳突肌的积分肌电值、平均功率频率、小波分解系数都降低,疲劳前后各特征量存在显著性差异（P＜0.05）,这些特征量都可以有效评价拖拉机驾驶员的颈部疲劳。     

水田作业工况的拖拉机振动特性

为研究拖拉机在水田工况下的振动特性。该文采用轮胎滚动法测取南京江浦农场水田硬底层纵断面空间函数,对数据进行自相关性检验,分析硬底层垂直位移功率谱密度;以CF700型拖拉机(常发集团)为研究对象,基于轮胎-湿软水田土壤系统,建立水田工况下拖拉机三自由度振动微分方程和仿真模型,以水田硬底层纵断面时间函数为输入矢量,对拖拉机振动特性进行仿真研究,并将仿真结果与试验结果进行对比分析。结果表明,水田硬底层高程具有统计相关性,其不平度系数Gx(0.1)=316.7×10-6 m3,拟合指数w=-1.651;试验所得拖拉机前桥、后桥及座椅椅面垂向振动频率分别是2.91、3.6及2.5 Hz,与仿真结果相对误差分别为19.9%、7.2%、16.0%。以上结果为面向水田作业的拖拉机振动研究提供路面参考模型,验证了水田工况下拖拉机三自由度平面振动模型的有效性,为拖拉机减振系统的参数设计提供理论依据。     

拖拉机前桥悬架参数匹配及其对振动特性的影响

拖拉机长年行驶在田间和路况较差的农村土路上,且减振装置简陋,其振动尤为剧烈。为降低拖拉机的振动,以江苏常发集团CF700型拖拉机为研究对象,建立了前桥悬架拖拉机三自由度振动模型,以机身垂向振动加速度、机身俯仰振动角加速度、座椅安装处垂向振动加速度、前后轮动载荷以及前桥悬架动挠度作为评价指标,对前桥悬架刚度和阻尼系数进行了优化匹配,得到了前桥悬架刚度和阻尼系数的最佳匹配值(120 000 N/m、8 000 N·s/m)。计算并比较了安装前桥悬架拖拉机和无悬架拖拉机的振动特性。当拖拉机以3~18 km/h行驶速度在国标D级路面上行驶时,安装前桥悬架拖拉机的机身垂向振动加速度均方根值和俯仰振动角加速度均方根值平均下降24.03%和42.46%;座椅安装处垂向振动加速度均方根值平均下降29.77%;前轮动载荷平均下降21.72%。研究结果表明,拖拉机前桥悬架对提高拖拉机的乘坐舒适性和行驶安全性具有显著作用。该研究结果为拖拉机前桥悬架的设计及优化提供了参考。     

自激振动深松机减阻试验研究

为了研究在土壤深松过程中深松机产生自激振动的原因及振动减阻机理,作者应用机械振动原理和信号测试技术,借助电测仪器与设备对由1SQ-127型全方位深松机所组成的自激振动式深松机系统进行了耕深、土壤阻力以及拖拉机牵引阻力等随机信号的测试及数据处理分析。系统地研究了“拖拉机－深松机－土壤”系统的动态特性,探讨深松机减阻节能的技术途径与方法。     

拖拉机双离合器自动变速器换挡品质评价指标

针对双离合器自动变速器拖拉机在田间高负载作业工况下进行换挡时,原换挡品质评价指标不能充分考察对性能的影响,提出了变速器输出转矩传递系数和变速器输出转矩2个评价指标。归纳了奇数挡和偶数挡离合器接合与分离时序对换挡品质影响规律,建立了拖拉机DCT换挡动力学模型和换挡品质仿真模型。以东方红1804拖拉机为研究对象,对其犁耕工况进行了仿真分析,结果表明:当离合器油压上升滞后时间分别为0、0.1及0.2 s时,对应的变速器最小输出转矩传递系数分别为0.42、0.36及0.12,变速器最小输出转矩分别为2 257、1 932及725 N·m,产生的动载荷逐渐增大,拖拉机动力性变差;提出的2个换挡品质评价指标可较好地对换挡过程中产生的动载荷和拖拉机动力性进行评价,对原换挡品质评价指标进行了补充,完善了拖拉机DCT换挡品质评价体系。该研究为拖拉机双离合器自动变速器换挡控制策略制定提供了理论依据。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

拖拉机液压机械无级变速传动系统与发动机的合理匹配

利用发动机的试验测试结果，采用多项式拟合的方法建立了发动机模型，给出了关于发动机的最佳动力性和最佳燃油经济性的转速调节特性。在此基础上研究了发动机与无级变速传动系统的匹配机理。根据不同的作业项目，将拖拉机的作业工况分为3种模式，阐述了各种作业模式下发动机与无级变速传动系统匹配的实现方案。该研究对理解和设计拖拉机液压机械无级变速传动系统，提高拖拉机生产率，具有一定的意义。     

基于DF2204无级变速拖拉机的农机无人驾驶系统研制

针对农机无人化作业需求,该研究基于DF2204无级变速拖拉机和机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）,研发了一种适于田间作业的农机无人驾驶自主作业系统。系统由控制、规划、安全和总线通信等模块组成。对DF2204无级变速拖拉机进行硬件改造与集成,设计满足农机无人驾驶要求的控制器局域网（Controller Area Network,CAN）总线协议和ROS与CAN总线通信的消息结构,包括5类控制帧和2类状态帧;设计了基于比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation,PID）控制器的横向跟踪与纵向速度控制算法。在北京密云试验田开展田间小麦播种实际作业试验。试验结果表明,消息结构满足50 Hz通信负载,横向跟踪平均绝对误差为2.96 cm,纵向速度平均绝对误差0.19 m/s。研究结果可为无级变速拖拉机的无人化升级改造提供参考,提高农机智能化水平和作业效率。     

丘陵山地轮式拖拉机车身调平系统设计与物理模型试验

为解决丘陵山地拖拉机在复杂工况下作业时车身难保水平、容易倾翻等问题,该文设计了一种新型拖拉机车身调平系统。基于数字化虚拟样机技术建立了具有该调平系统的丘陵山地拖拉机多体动力学模型,并对其进行了运动学和动力学仿真分析。运动学仿真分析结果表明,山地拖拉机车身调平系统结构能够实现调平运动且工作部件之间不发生干涉现象;通过动力学仿真分析得到车身调平系统中各个油缸以及关键零部件的动态受力和扭矩等关键数据,结果表明各部件受力能够满足强度以及刚度要求,证明了所设计的丘陵山地拖拉机车身调平机构的正确性。设计并搭建了具有调平功能的模型车体试验台,通过试验与仿真对比分析,最大误差为15%,最大平均误差为10.20%,验证了拖拉机车身调平系统仿真方法具有较高的精度,为拖拉机车身调平系统的设计提供了有效的理论支撑。     

拖拉机动力输出轴动态转矩载荷谱编制与验证

拖拉机动力输出轴(power take-off, PTO)室内台架耐久性试验中转矩加载主要以静态加载或静态逐级加载方式为主,这种加载方式输出的载荷与PTO实际作业中承受的载荷动态特性不同,导致试验中PTO的失效形式及测试寿命与实际作业中存在差异。针对此问题,该文对多工况下PTO动态转矩载荷谱编制方法进行研究,测取了沙土、黏土2种土壤类型下旋耕、驱动耙典型作业的PTO转矩,利用希尔伯特黄算法对转矩进行预处理,采用四点循环雨流计数法对转矩均幅值进行频次统计,利用散点矩阵统计方法分析4种作业工况均值、幅值相关性及均值、幅值分布类型。基于Miner法则及轴类20CrMnTi修正S-N曲线,在损伤概率50%、相对误差5%、置信水平95%的统计条件下,确定了转矩样本容量。利用时域外推方法对PTO转矩数据进行外推。以阈值区间内峰谷值均值差的方差为指标,检验了外推过程中选取的阈值造成峰谷值均值波动的可能性。对比外推1次后载荷时间历程与原始载荷时间历程变化趋势。在时域频次外推因子为240、转矩累计频次达到106、平均加权4类转矩时,得到PTO动态转矩载荷谱。利用编制的动态载荷谱,驱动拖拉机传动系动态加载试验台对PTO进行台架耐久性试验,试验结果显示,PTO发生失效的时长为642 h,失效形式为PTO轴头花键磨损,失效时间、失效形式与实际作业一致,验证了动态转矩载荷谱的有效性。