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。     

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。     

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。     

车辆钢板弹簧悬架系统减振器最佳阻尼匹配

阻尼匹配是制约钢板弹簧悬架系统减振器设计的关键问题。根据1/4车辆二自由度行驶振动模型,利用随机振动理论,建立了悬架系统最优阻尼比及悬架动挠度和振动速度均方根值数学模型。在此基础上,通过分析、处理钢板弹簧加载-卸载试验所测得的载荷及变形数组数据,建立了在实际行驶工况下的钢板弹簧等效阻尼数学模型;根据悬架系统最优阻尼比及钢板弹簧的等效阻尼,得到了所需匹配减振器在悬架系统中应承担的最佳阻尼比;利用平安比及双向比,建立了钢板弹簧悬架系统最佳阻尼匹配减振器的速度特性,并通过仿真分析和实车行驶平顺性试验验证了钢板弹簧悬架系统减振器最佳阻尼匹配设计方法的正确性及有效性,利用该设计方法匹配减振器后的车身垂直振动加速度均方根值与传统经验法相比降低了6.72%,能够有效改善车辆的乘坐舒适性。该研究可为钢板弹簧悬架系统减振器的设计提供参考。     

基于路面激励自适应的液电馈能悬架动力学性能协调控制

针对液电式馈能悬架在被动模式下无法实现车辆全局工况最优,该文以路面激励频率作为切换阈值,设计了一种具有舒适、运动和综合3种模式的液电式馈能悬架,在改善车辆乘坐舒适性及操纵稳定性的同时回馈振动能量。提出了将DC-DC变换器引入悬架馈能电路中,通过实时调节DC-DC变换器中MOS管开关信号占空比以改变液电式馈能减振器阻尼力,并制定了天棚-地棚控制结合模糊PID控制的双环半主动控制方案。仿真结果表明,引入路面频率自适应的液电式馈能悬架相比单一天棚-地棚控制悬架在车身共振区的车身加速度幅值减小22.92%,在车轮共振区的轮胎动载荷幅值减小24.27%,并回收66.70 W振动能量,实现了悬架动力学性能和馈能特性的协调控制。台架试验结果表明,各时段内车身加速度试验与仿真结果峰峰值的相对误差分别为1.36%、15.72%、4.86%和13.6%,轮胎动载荷的相对误差分别为9.34%、13.62%、7.82%和15.47%;各频段内车身加速度试验与仿真结果峰值的相对误差分别为7.55%、10.18%、10.56%、和6.35%,轮胎动载荷的相对误差分别为9.64%、11.72%、10.39%和11.27%。时域和频域的相对误差均在16%之内,验证了仿真结果的正确性和系统的可行性。研究结果可为液电式馈能悬架的产品升级提供参考。     

基于摩擦阻尼的高地隙农机底盘悬架减振特性

根据高地隙自走式农业机械的行驶作业要求,设计了一种包含尼龙摩擦阻尼装置的独立式立轴空气悬架系统。在此基础上,考虑空气弹簧和橡胶轮胎自身阻尼对悬架减振的影响,建立了具有粘性屈服恢复力摩擦阻尼模型的悬架系统垂向动力学模型,并基于该模型进行了仿真分析。最后,将所设计的悬架系统装配到高地隙玉米去雄机上进行实车试验。仿真和试验结果表明,随着摩擦阻尼力的增大,簧载质量和簧下质量加速度均方根值呈现先减小后增大的趋势,且在1 800 N附近时达到最小;悬架动挠度均方根值在摩擦阻尼力增大的整个过程中都持续减小。在1 800 N的摩擦阻尼力下,对仿真和试验数据进行时域和频域分析可得,簧载和簧下质量共振频率分别为1.2、10.7 Hz和1.1、11.4 Hz;加速度均方根值分别为1.874、8.953 m/s2和1.604、9.653 m/s2。结论表明,试验结果和仿真结果具有很好的一致性,所设计的悬架系统可以较好地衰减振动,具有较高的实用性。     

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。     

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。     

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。     

车辆被动天棚阻尼悬架系统台架试验

为进一步改善悬架系统的隔振性能,开发了被动悬架系统,将理想天棚阻尼的被动实现方法应用于车辆悬架系统。基于"惯容.弹簧.阻尼"机械系统,构造被动天棚阻尼悬架系统,研制被动天棚阻尼悬架试验样机,将2级串联型的被动天棚阻尼悬架"对折",安装于试验用裸车的后部,替换原被动悬架,在四通道轮胎耦合道路模拟机上,对整车进行台架试验。试验结果表明:与传统被动悬架车辆相比,在1~3 Hz频率范围内,被动天棚阻尼悬架车辆左后车身加速度增益下降了37.5%,车辆质心垂直加速度均方根值下降12%左右,改善了车辆的低频频响特性,提高了车辆的乘坐舒适性。试验结果同时也验证了理想天棚阻尼被动实现方法的正确性和可行性。该研究为含惯容器的新型被动悬架系统的设计与完善提供参考。     

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。     

轮式拖拉机在典型路况下轮胎受力仿真分析

为了研究轮式拖拉机在典型路况下轮胎的受力情况,该文采用多体动力学软件RecurDyn进行轮式拖拉机建模,建立了包含4个车轮、前轴、后轴以及车架的简化模型,并给前轴和后轴施加合理的质量。利用RecurDyn的Fiala轮胎模块建立了轮胎与地面的相互作用模型,分别对轮式拖拉机在上20°坡、上44°极限坡、下20°坡和下34°极限坡等情况下的轮胎位移和受力进行了仿真分析,同时比较了拖拉机在两种不同车速情况下的轮胎受力。结果表明,在不同的坡度下行驶时,轮式拖拉机前轮受到的冲击力差别明显,上44°坡时受到的最大冲击力比上20°坡时增加了67.73%,下34°坡时受到的最大冲击力比下20°坡时减少了8%;在相同的路面条件下,当拖拉机以0.678 m/s过圆柱形障碍物时,前轮受到的最大作用力比在车速1.356 m/s时减小了16.13%。仿真分析结果可为轮式拖拉机轮胎受力研究提供参考。     

振动压路机用于不同土壤地面的平顺性评价

实际工况中振动压路机车轮会在各种土壤地面上作业和行驶,为了评价振动式压路机在不同土壤路面上的行驶平顺性,该文针对车轮―不同土壤地面的接触分析,建立了某单钢轮振动压路机非线性动力学模型;描述了振动轮在弹塑性土壤下压实对前车架产生垂直激励力.基于Adam D和Kopf F的弹塑性土壤模型,建立了振动轮在作业时的三自由度振动模型;采用软性土壤地面的Bekker假设,建立了轮胎―变形土壤地面接触模型.对建立的非线性动力学模型进行了仿真,并根据ISO2631-1:1997(E)标准分析与评价了不同路况、工况和速度对驾驶员乘坐舒适性的影响.结果表明,刚性路面不平度等级对振动压路机行驶平顺性有较大影响,路面等级越差,驾驶员的主观感觉越不舒适;路面的变形对驾驶室水平晃动有较大影响,土壤路面越软,驾驶室晃动越大;弹塑性土壤对振动压路机的影响表现在低频工况压实时,车辆平顺性比较差.该研究可为振动式压路机的平顺性设计提供参考.