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.     

基于生物力学模型的拖拉机离合踏板人机工程设计

针对拖拉机离合踏板人机工程设计不足导致驾驶员容易产生疲劳的问题,该文搭建了驾驶员-离合踏板人机交互特性测试系统,基于试验结果分析了拖拉机驾驶员-离合踏板人机交互特性。在Any Body生物力学软件中建立了拖拉机驾驶员-踏板生物力学模型,并采用表面肌电测试结果验证了仿真模型的合理性。提出下肢关节出力程度为舒适性主观感受评价指标,基于仿真结果定量研究了离合踏板阻力和踏板布局对驾驶员踏板操纵舒适性影响规律和驾驶员人体尺寸对踏板布局的影响,给出不同人体百分位尺寸前提下踏板布局极限尺寸的推荐范围。通过优化踏板连杆长度、连杆夹角以及踏板-座椅布局降低踏板阻力,驾驶员下肢受力最大值从154 N降低到120 N,降低了22%,驾驶员下肢关节出力程度降低了20.98%,本文提出的研究方法及其研究结果可为拖拉机踏板人机工程设计提供参考。     

链式剖鱼机工艺参数优化试验

为了对6PYL-305型剖鱼机进行优化以提高其剖切质量,以鲢鱼和鳊鱼为研究对象对其关键部件和工艺参数进行了试验,研究喂料撞块位置、鳊鱼夹片安装倾角、鲢鱼出料滑槽高度、刀具类型等因素对剖切质量的影响。试验结果表明：剖切鲢鱼时最佳撞块位置为距离料斗右侧（225±5）mm、剖切鳊鱼时为（160±5）mm;剖切鳊鱼时夹片最佳安装倾角为16°;鲢鱼出料滑槽的最佳高度为65 mm;齿高3 mm的小齿刀盘作为剖切刀盘综合效果最佳,鲢鱼鱼体剖切率可达（83.90±2.31）%,剖切损失率仅为（0.62±0.15）%,鳊鱼的剖切损失率为（0.85±0.28）%,剖切面较光滑,剖切后的鱼体内脏可以很方便地去除。采用优化后的工艺参数,剖鱼机性能以及稳定性得到了良好改善。     

工程车辆翻车过程中两点式安全带约束效能分析

为了研究工程车辆翻车过程中驾驶员的动态响应,建立了某工程车辆90°侧翻的仿真模型。模拟有无两点式安全带、有无座椅扶手时50百分位和95百分位两种假人的运动状态,进而分析了在翻车过程中安全带对于不同身材驾驶员的约束作用以及与座椅扶手间的关系。结果表明：佩戴安全带减少了驾驶员被抛出车外造成严重伤害的可能;身材高大的驾驶员在翻车过程中头部和躯干偏离距离更大,增加了与驾驶室内坚硬部件接触碰撞的风险。安全带与座椅扶手配合使用,减小了假人头部的偏移量,从而降低头部与驾驶室内部部件发生碰撞造成严重伤害的可能,约束效果更佳。     

一种管道水培叶菜变方位包络定心抓取方式

将不同位姿的水培叶菜包络定心夹持到种植孔中心取出，是实现茎秆精准根切，避免根部残留在管道内的关键。针对定方位抓取方式在一些方位上对叶菜向心包络扶起作用小，抓取成功率低的问题，提出一种在夹持过程中使夹手相对种植孔中心转动的变方位抓取方式。以水培绿宝芥蓝为抓取对象，建立夹手张开伸入、绕种植孔中心转动及闭合夹紧时的尺寸参数关系模型；构建包络定心夹持多刚体动力学仿真模型，对初始倾角为50°、65°和80°，相对种植孔边缘均布的8个方位P₁～P₈上的芥蓝进行包络夹持过程仿真分析；搭建抓取试验平台，对初始倾角为45°～60°、>60°～75°和 >75°～90°，方位为P₁～P₈的芥蓝进行抓取试验。分析确定两手指初始张开角为15°，闭合夹角为30°，夹手变方位转动角为45°，夹手转动速度为两手指转动速度的2倍。仿真获得的变方位夹持倾角为82.18°～88.96°，优于定方位夹持倾角80.32°～88.57°；抓取试验获得的变方位抓持倾角为82.83°～89.65°，优于定方位抓持倾角70.70°～89.27°，仿真与试验结果具有较好一致性，表明变方位夹持不同位姿芥蓝的向心包络扶起作用效果更好。3种初始倾角的变方位抓取试验获得的成功率均值分别为91.67%、95.83%和100.00%，定方位抓取成功率均值分别为87.50%、91.67%和100.00%，表明初始倾角越大抓取机构可获得的抓取成功率越高，变方位抓取初始倾角小的芥蓝可获得更高的成功率；不计P₂方位双层手指伸入碰倒芥蓝样本，变方位抓取获得的最小抓取成功率均值为91.70%，相比定方位在P₁～P₈方位上均具有更好的包络定心抓取效果。研究可为管道水培叶菜采收装备的研制提供依据。     

4HLB-2型花生联合收获机起秧装置性能分析与试验

为了解4HLB-2型花生联合收获机起秧作业过程和作业性能,该文对起秧装置进行运动分析,研究各部件主要运动参数和位置配置参数对起秧效果的影响,并进行田间试验验证。运动分析表明,采用扶禾器倾角80°、夹持链倾角35°、扶禾速度比(扶禾链速度与机器前进速度的比值)1.5、夹持速度比(夹持输送速度与机器前进速度的比值)1.2等设计参数,起秧作业时花生秧蔓与夹持链呈近似垂直夹持状态,夹持链拔取作用力近似垂直向上;在解析花生秧蔓扶禾运动过程的基础上,确定了秧蔓扶禾次数和作用于单穴秧蔓最大拨指数的计算方法,优化扶禾器拨指间距为150mm;分析了扶禾器、挖掘铲、夹持链的位置关系对起秧作业的影响,确定3个部件侧视图方向的主要位置参数:拨禾指最低点距挖掘面的距离170mm;拨禾指最低点距夹持点所在铅锤面的距离325mm;夹持点距挖掘面的距离290mm;挖掘铲距夹持点所在铅锤面的最小距离25mm。田间试验表明,该起秧装置的运动参数及各部件位置配置能较好地满足起秧性能要求,起秧过程和状态与理论分析基本稳合。该研究为该类型花生起秧装置的结构完善设计和作业参数优化提供依据。     

不同孔径泡沫铜填充对平板微热管传热特性的影响

为提升平板微热管传热能力，该研究以毛细力为出发点，将丝网芯-泡沫铜置于平板微热管中每一独立微细热管内部，使其与微槽芯组成复合吸液芯。通过调节平板微热管蒸发段加热功率的大小，研究反重力（倾角，即平板微热管与水平面之间的夹角小于0°）、微重力（倾角等于0°）及重力（倾角大于0°）工况下的传热特性及不同孔径泡沫铜对传热性能的影响。结果表明：反重力条件下，当倾角小于-10°时，平板微热管性能明显恶化，复合吸液芯对平板微热管传热无强化作用；添加孔径分别为0.2、0.5和0.8 mm泡沫铜的平板微热管在微重力或重力作用下传热性能明显强化，最小热阻分别为0.13、0.17和0.13 K/W；有效导热系数增加率分别为3.57、2.43和3.54。研究结果可为平板微热管强化传热提供数据参考，拓展其在热控领域中的应用范围。     

大粒种子定向精量播种装置参数优化试验

针对传统精量播种机难以对大粒种子进行定向精量播种,该文基于直线振动器定向送种、气缸驱动种穴转向及负压针式播种技术,开发了一种可实现大粒种子45°定向精量播种的装置。以瓠瓜种子为播种对象,对定向种穴机构和负压播种机构进行参数优化试验,得到定向种穴与种子输送轨道出口的垂直距离为1.5 mm、水平距离为0、直线振动器送种速度为65 mm/s时,种子进入定向种穴内的成功率可达98.89%;负压吸嘴垂直运种速度为40 mm/s、种子压入基质深度为3 mm、压种停滞时间为1 s时,种子相对于设定方向的角度偏转平均值仅为0.8°。通过对大粒种子定向精量播种装置进行综合播种作业性能试验,得到该装置播种作业生产率可达6000穴/h以上,单粒率为97%,91%以上种子角度偏转小于10°,95%以上种子角度偏转小于15°,种子最大角度偏转小于25°。该研究可为大粒种子定向精量播种机的开发设计提供参考。     

不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响

为探明不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响机理，实现种群流动从中心流到整体流转变，改善种群流动环境，该研究利用离散元法（discrete element method，DEM）建立传统料仓、垂直扰动和水平扰动料仓模型与稻种颗粒仿真模型，进行卸料数值模拟，并与料仓实际卸料试验作流型对比，验证离散元模型与数值模拟结果准确性。整体流指数（mass flow index，MFI）与z轴颗粒速度表明传统和垂直扰动料仓中部区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而减小，边壁区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而增大；而水平扰动料仓边壁区域颗粒速度随料仓颗粒堆积高度增加而减小，中部区域颗粒速度随颗粒堆积高度增加而增大；传统料仓，垂直和水平扰动料仓的流型转化高度分别为130、118以及130 mm。料仓不同区域种群垂直速度、水平速度和角速度表明，种群垂直速度在垂直与水平改流体作用下，相较传统料仓流动区域分别降低34.82%和83.46%；随料仓颗粒堆积高度降低，种群水平速度波动增大，传统料仓、垂直及水平扰动料仓颗粒水平速度标准差分别为0.0273、0.0187以及0.0103 m/s。传统和垂直扰动料仓中心和边壁区域颗粒角速度变化相似，垂直扰动料仓中心区域角速度峰值小于传统料仓；水平扰动与传统料仓流动区域颗粒角速度变化相似，但水平扰动料仓颗粒角速度变化小。研究结果可为工程提出改流体设计标准、结构与位置参数及提高料仓使用面积提供参考。     

Initial rollover effectiveness evaluation of an alternative seat belt design for agricultural tractors

A test program was conducted to determine the effectiveness of a seat belt restraint in preventing occupant movement in a rollover accident. A baseline type-2 seat belt (pelvic and torso restraint), and an improved type-2 seat belt restraint, both designed to restrict occupant motion in a rollover accident, were tested in a rollover restraints tester (RRT). Each seat belt was placed on a H-III 50th percentile male dummy and testing conducted at a single roll rate and two D-ring adjustment positions. Each test simulated what was approximately a 260 degrees per second rollover parallel to the longitudinal axis of the tractor with the top of the ROPS impacting the ground after 180 degrees of roll. Forces on the dummy's head and neck were measured, and video was taken to measure the head motion in the x-, y-, and z-axis of the dummy. The average vertical, forward, and lateral head movement in the baseline seat belt was 144, 222, and 184 mm, respectively, when the adjustable D-ring anchorage supporting the shoulder belt was in its lowest position. At the lowest D-ring height, the shoulder belt became ineffective and the seat belt performance became similar to a type-1 restraint (required for tractors with ROPS) resulting in increased vertical, forward, and lateral movement. The improved restraint reduced vertical head movement by as much as 75% without increasing head and neck loads above established injury criteria. Testing seat belts for rollover effectiveness will become increasingly important as seat belt usage on tractors with ROPS increases.     

振动深松机多组振动深松铲自平衡性能及仿真分析

振动深松具有减阻的优势,但振动对拖拉机及驾驶员的不利影响制约其推广,该文对振动深松机多组振动深松铲进行自平衡性能分析。在优化试验中,多组深松铲振动作业时的剧烈振动易造成试验设备损坏,仿真试验可避免危险工作环境下的实车试验。对拖拉机-振动深松机系统进行受力分析,并基于ADAMS建立其仿真模型,建模过程包括导入三维模型、定义轮胎与地面之间接触力和摩擦力等。理论与仿真分析相互验证,得到拖拉机后轮所受支持力均值分别为27.8、26.4 kN,误差为1.4 kN,并且二者主振动曲线变化趋势一致。采用加权加速度均方根值评价振动对驾驶员的影响。通过MATLAB编程,利用功率谱密度函数,计算得到驾驶座质心总加权加速度均方根值。利用Design-Expert软件设计试验并优化得到6组振动影响较小的四组振动松土铲作业初始相位角组合,减振比率超过90%,实现了振动深松机作业时的自平衡。     

IT—Information Technology and the Human Interface: Ergonomics of Tractors Assembled in Nigeria

The Nigerian-assembled tractors (Fiat and Steyr) are foreign manufactured; hence, there is a need to ascertain their suitability for the Nigerian user. Some specific features of these tractors were considered for appraisal. These are access to the tractor, seat design, tractor steering design, tractor workspace and control. One model each of the two brands of tractors (Fiat 80-66 and Steyr 8075) and a sample of user population drawn from Niger State Ministry of Agriculture, Minna, Nigeria, were used for the experiments. Measurements of dimensions and locations of different controls from the seat reference point (SRP) were taken. Anthropometric measurements on related body parts of the sample user population were conducted in linear and angular measurements. The 5th and 95th percentile values of the data were calculated. These values were used to appraise the suitability of the tractors for the Nigerian user. Results show that due to lack of footstep in Steyr 8075, operators are over-tasked as they get on the tractor. Furthermore, operators are subjected to strains caused due to steering wheel size and thickness, and pains experienced through body movement while activating controls. Similarly, lack of protection against rainfall and other environmental factors was shown to be a major deficiency in the tractors. In view of these problems, certain modifications are suggested to improve operator safety and comfort. They include (a) provision of footstep for Steyr and hand supports for Fiat, (b) reduction of steering wheel size and thickness for Steyr and (c) provision of a well-ventilated cabin and rollover protective structure (ROPS) for both Fiat and Steyr.     

人字形花纹轮胎压实土壤垂直应力分布规律研究

为了完善人字形花纹轮胎在影响因素下压实土壤形成的垂直应力分布规律,并且明确这些因素对于垂直应力的影响,该文使用应力传感器在自主设计并搭建的单轮土槽试验台架上,进行人字形花纹轮胎压实土壤表层垂直应力分布规律的研究,并利用多元线性回归法建立垂直应力和影响因素之间的预测方程,主要结果:1)当胎压为69kPa时,土壤-轮胎表层垂直应力分布曲线相对平坦并且垂直应力峰值渐渐发生在距离轮胎边缘1/4处,而当胎压为138和207kPa时,垂直应力峰值发生在轮胎中心处;2)载荷对于垂直应力的影响最大,然后依次是胎压、行驶速度、纵向距离和横向距离;3)垂直应力与胎压和行驶速度成线性关系,与载荷、横向距离和纵向距离成抛物线关系;4)轮刺产生的垂直应力是胎面产生的垂直应力的1.2～2.3倍,而且越靠近轮胎宽度方向的边缘,轮刺的影响越大。研究结果能够对拖拉机的通过性分析提供有力的理论分析依据,基于建立的预测方程,在实际应用中通过改变这些影响因素值的大小,减小垂直应力,从而减小土壤压实。该研究可为拖拉机的通过性分析提供理论依据。     

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。     

基于电液悬挂系统的拖拉机主动减振控制

大功率拖拉机的减振问题对于确保拖拉机的行驶安全性及舒适性起着决定性作用。该文基于电液悬挂系统对拖拉机进行了主动减振控制系统的设计,设计了带位置校正环节的离散滑模控制方法。该方法仅利用电液悬挂系统已有的牵引力传感器及位置传感器采集振动信息,而不需增加其他振动传感器。之后该文对系统进行了仿真和试验验证,结果表明:与不加控制前相比,主动减振控制使拖拉机的振动强度及前轮胎动载荷均显著降低,在受到水泥路障冲击后的整个过程中,农具振动加速度的均方根值降低了51.2%,后轮轴心的垂直加速度均方根值降低了20.1%;拖拉机质心的垂直加速度均方根值降低了16.6%;前轮胎的平均动载荷降低了39%;农具的存在引起的10~15 Hz的振动被完全抑制,农具的存在所加强的约5 Hz的俯仰振动也几乎消失;位置校正环节使液压缸活塞的运动轨迹保持在期望位置范围内。实车试验中,振动加速度测量信号的均方根值降低了25.7%;驾驶室内测点的垂直加速度的均方根值降低了26.4%。证明了所设计的主动减振控制器的有效性和可行性。     

振动深松试验台作业参数减阻减振优化

振动深松具有降低耕阻的作业优势,但振动对驾驶员造成的负面影响是制约其推广使用的主要因素之一。该文采用二次回归通用旋转设计,考察深松铲振频、振幅、前进速度3个工作参数与耕阻、振动2个试验指标的关系,利用Design-Expert响应面分析法,得到2个指标的回归模型,并进行优化分析。综合分析得到一组减阻减振的优化解:振幅21 mm、振频4.2 Hz、前进速度3.4 km/h,在该组工作参数下,与非振动深松相比,振动深松的耕阻最大值变化较小,耕阻最小值、平均值分别减小46.2%、16.6%。     

农具质量对拖拉机悬挂农具系统振动特性的影响

为研究不同悬挂农具质量对拖拉机+悬挂农具系统振动特性的影响,该文以常发CF700型拖拉机(常发集团)为研究对象,用仿真和试验相结合的方法,建立了拖拉机+悬挂农具系统振动微分方程和仿真模型,仿真研究了拖拉机悬挂不同质量农具时拖拉机+悬挂农具系统振动特性,得到悬挂农具质量对拖拉机+悬挂农具系统垂向振动固有频率,俯仰振动固有频率,座椅安装处垂向振动加速度,俯仰振动角加速度,前、后轮动载系数的影响规律。研究结果表明,当悬挂农具质量从0增大到1 000 kg时,拖拉机+悬挂农具系统垂向振动固有频率从3.42逐渐减小到2.74 Hz,俯仰振动固有频率从3.07逐渐减小到1.78 Hz;当行驶速度相同时,座椅安装处垂向振动加速度和俯仰振动角加速度随悬挂农具质量的增大而减小,垂向振动加速度从2.73减小到1.02 m/s2,俯仰振动角加速度从2.56减小到0.82 rad/s2;前轮动载系数从0.09增大到0.33,随悬挂农具质量的增大而增大;速度较低时,后轮动载系数从0.06减小到0.03,随农具质量的增大略有减小,速度较高时,后轮动载系数随农具质量的增大逐渐增大,从0.06增大到0.17。该研究为拖拉机减振系统的设计提供了重要参考。