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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

拖拉机驾驶员作业强度对其生理负荷的影响（简报）

驾驶拖拉机作业时,驾驶员的作业强度与生理负荷随着拖拉机的转向机构的不同而有较大的差别。该研究基于拖拉机两种不同的转向机构,对被测试人员实际作业时的心率和氧气的消耗量等指标进行测试,获得了不同的转向机构下被测试人员的心理和生理的变化规律。结果表明,被测人员随着不同转向机构其作业的强度也发生了变化。试验结果为设计新型的拖拉机的各系统提供了驾驶人员自身的数据,同时为改进现有的拖拉机的各系统提供重要的理论参考。     

拖拉机驾驶员作业强度对其生理负荷的影响

驾驶拖拉机作业时,驾驶员的作业强度与生理负荷随着拖拉机的转向机构的不同而有较大的差别.该研究基于拖拉机两种不同的转向机构,对被测试人员实际作业时的心率和氧气的消耗量等指标进行测试,获得了不同的转向机构下被测试人员的心理和生理的变化规律.结果表明,被测人员随着不同转向机构其作业的强度也发生了变化.试验结果为设计新型的拖拉机的各系统提供了驾驶人员自身的数据,同时为改进现有的拖拉机的各系统提供重要的理论参考.     

六足制孔机器人三自由度并联机械腿的误差模型及验证

为了研制六足制孔机器人,提出了一种基于(U+UPS)P+UPS机构的三自由度并联机械腿,建立了机械腿机构的误差模型与评价方法,并通过误差分析制造出机械腿试验样机,对试验样机进行了误差标定试验研究。首先,采用矢量链法建立了机械腿机构的误差矢量约束方程,得到了机械腿机构的误差传递模型。接着,定义了一组误差敏感性评价指标,并绘制了误差敏感性评价指标在机械腿机构工作空间内的分布曲面。然后,基于误差敏感性评价指标及机构其他机构学性能,采用蒙特卡罗法对机械腿进行了结构参数设计,选取了一组结构参数,制造了机械腿试验样机。最后,采用一套高精度机器人标定系统对机械腿试验样机进行了误差标定。试验表明:机械腿试验样机的位置误差实测值与理论值之间偏差均小于0.003 mm,姿态误差实测值与理论值之间偏差均小于0.05°,误差敏感性评价指标的实测值与理论值的差值均小于0.03。机械腿试验样机的误差均在合理范围之内,基本达到了设计要求。     

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。     

轮胎胎压和车速对无悬架拖拉机横向乘坐振动特性的影响

为研究轮胎胎压和行驶速度对驾驶员横向乘坐振动特性的影响,该文以两轮驱动式无悬架国产拖拉机为研究对象,建立无悬架拖拉机横向-垂向平面三自由度模型,通过仿真和试验相结合,分别获取不同轮胎胎压和行驶速度下拖拉机座椅处横向加速度功率谱密度、横向加速度均方值以及总加权加速度均方根值,并分析各自的影响规律.结果表明:拖拉机座椅处横向固有频率试验值与理论计算值的最大相对误差为4.67%,座椅处横向加速度均方根试验值随后轮胎胎压和速度的变化规律与仿真是一致的,且试验值比仿真值要小,其相对误差最大值为5.26%,误差均在可接受范围内,表明建立的理论和仿真模型是可行的;前轮胎压的变化对两轮驱动式拖拉机乘坐横向振动特性的影响不大;当轮胎胎压不变时,试验获取的拖拉机座椅处总加权加速度均方根值随行驶速度的增大而增大;当行驶速度不变时,总加权加速度均方根值随后轮胎压的增大而波浪式增大.该研究为拖拉机多维减振悬架系统的设计提供参考.     

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。     

太阳能园艺拖拉机驱动系统匹配设计与性能分析

针对太阳能园艺拖拉机驱动系统的独特需求,提出了一种太阳能园艺拖拉机驱动系统匹配设计方法,包括总体方案设计和主要参数的理论计算,并提出以全天累计作业时间为太阳能拖拉机作业能力评价指标,结合南京地区气象逐时变化,预测晴朗天气下所选用的光伏电池不同季节日发电量。以所设计太阳能园艺拖拉机为例,得到不同作业工况下拖拉机行驶速度与全天累计作业时间的关系,随着作业速度的提高,全天累计作业时间呈缩短的趋势;相同工况下,夏季全天累计作业时间长于冬季;速度为3 km/h时,有太阳能时拖拉机水平割草作业与坡道割草作业的全天累计作业时间均为无太阳能时的1.5倍。研究表明光伏电池作为园艺拖拉机能源是可行的,能够满足园艺作业的需求。以上研究结果可用于太阳能园艺拖拉机驱动系统方案设计和优化,为太阳能园艺拖拉机的发展提供依据。     

轮式拖拉机振动系统横向固有频率理论建模及验证

为了进一步研究拖拉机的振动特性,对拖拉机振动系统的横向固有频率进行研究,建立了无悬架拖拉机横向和侧倾2自由度振动模型,推导出拖拉机横向固有频率的理论计算公式。以江苏常发集团CF700型拖拉机为研究对象,用理论与试验相结合的方法进行了试验验证,试验分别在5、9、11、13和15 km/h的行驶速度下测得拖拉机的横向固有频率,并与其相应的横向固有频率理论计算值进行比较。结果表明,理论计算值与试验值最大相对误差为1.11%,验证了横向固有频率理论计算公式的准确性,该研究为拖拉机座椅横向减振系统的设计提供了重要参考。     

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.     

拖拉机后悬挂横向位姿调整的模糊PID控制

针对传统拖拉机后悬挂机构无法实现横向位姿自动调整,难以适应丘陵山地复杂地形作业需求,导致耕深均匀性差、作业效率低等问题,该文设计了—种采用双液压缸进行横向位姿调整的后悬挂系统。首先,对提升臂、提升杆、农具三脚架等构件进行运动学分析,并运用MATLAB对液压缸活塞杆位移与农机具倾斜角度进行仿真,得出当横向倾角为-15°~15°时,液压缸活塞杆位移与角度的函数关系;其次,设计了横向位姿调整机构液压系统,并建立了该液压系统的数学模型;运用Simulink搭建了横向位姿调整系统的液压系统仿真模型,并采用模糊PID控制方法对仿真模型进行控制性能仿真;最后,搭建了拖拉机后悬挂系统控制试验平台,进行了拖拉机后悬挂横向位姿调整试验。结果表明：在预定目标内（±2°~±15°）,最大误差为1%,平均误差为0.7%,仿真的系统调整时间较短,不足0.2 s,试验的调整时间为1 s左右,系统稳定时间仿真和试验都很小,在0.1 s左右,试验和仿真超调量为0 ,符合设计目标,能够满足山地丘陵作业的横向角度调节需求。     

轮式拖拉机水田轮辙覆土装置设计与试验

以轮式拖拉机为动力的水稻精量穴播机作业时会在田面压出宽而深的轮辙,严重影响播种质量。为此,该文提出了一种变螺距等径螺旋覆土方式。该文分析了覆土原理,进行了运泥过程动力学和运动学分析,建立了螺旋覆土器的运泥量数学模型,经过理论计算和优化设计,确定了螺旋外径为250 mm、内径80 mm 和最大螺距200 mm 等关键参数。田间试验结果表明：在拖拉机轮辙自动填覆系数大于0.6,拖拉机前进速度不超过1 m/s 条件下,轮辙覆土装置能较好的填覆辙深不超过250 mm,辙宽小于400 mm 的轮辙,并保持泥面平整,满足实际生产要求。研究结果可为拖拉机轮辙覆土装置的研究和设计提供依据。     

拖拉机线控液压转向系统设计及样车性能试验

拖拉机的转向系统是保证行驶安全、高效作业的关键机构,针对传统的全液压转向系统在转向过程中易发生转向沉重,甚至失灵等状况,该文提出一种拖拉机线控液压转向系统。论文首先对拖拉机线控液压转向系统进行总体设计,基于MATLAB软件的Simulink/Simhydraulic模块对线控液压转向系统进行动态建模和仿真分析,根据分析数据完成试验样车改装,利用改装样车分别进行转向系统的静态随机转动试验、蛇形试验、双纽线试验、稳态回转试验以及转向瞬态响应试验。通过试验分析得到线控液压转向系统在5个试验中理论与实际转向轮转角平均误差分别为1.58?,0.79?,1.09?,0.69?,0.47?。试验结果表明线控液压转向系统的理论与实际转角曲线吻合度更高,误差均低于全液压系统,转向误差精度有大幅度提高,性能更理想。拖拉机线控转向系统综合了液压和线控技术优点,在保证大动力输出的同时,又具有转向灵活,方便安装等特点,可为拖拉机线控转向系统推广应用提供参考。