噴霧機平順性隨機輸入行駛試驗與分析

樂飛翔，薛新宇，崔龍飛

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，合肥　230036；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京　210014)

0　引言

我國大型植保機械整體發(fā)展水平較低，特別是大型植保機械普及不廣泛[1-5]；而限制大型植保機械發(fā)展速度的主要客觀原因之一是大型植保機械難以在不平整田間地面上平穩(wěn)作業(yè)[6]。目前，國內(nèi)的大型植保機械以大型噴桿噴霧機為主(自走、牽引和懸掛)，而大型噴桿噴霧機適宜平整坡度不大的大地塊，不適宜有大石塊、坡度較陡的地塊。路面激勵引發(fā)的藥箱藥液晃動不僅會造成藥液對藥箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的沖擊載荷，導致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，而且會造成藥液重心的變化，可能會改變噴霧機的重心分布，影響大負荷噴桿噴霧機的作業(yè)效率[7]。

農(nóng)業(yè)機械在田間作業(yè)時，行走速度一般在5～10km/h之間。對于噴霧機械而言，在工作過程中由于藥箱中藥量的變化，機器質(zhì)量也在變化，要求懸架有較寬的適應(yīng)性[8]。減振性能不但影響駕駛?cè)藛T對機器的操縱及舒適性，更重要的是減輕由于地面不平所引起的機身及噴臂的振動，以保證噴霧質(zhì)量及延長噴臂壽命。隨著農(nóng)業(yè)勞動力的不斷轉(zhuǎn)移和農(nóng)業(yè)機械化水平的快速提高，我國對自走式噴霧機的需求日益增強。目前，我國自走式噴霧機的研究開發(fā)剛處于起步階段，而國外的自走式噴霧機已經(jīng)歷了幾十年甚至上百年的發(fā)展歷程，全液壓驅(qū)動技術(shù)、機電液一體化技術(shù)、自動導航技術(shù)、噴藥自動控制技術(shù)已經(jīng)得到相當普遍的應(yīng)用，并且繼續(xù)沿大型化、自動化和智能化的方向發(fā)展[9]。

1　試驗項目

1.1試驗車輛

試驗車輛為意大利MAZZOTTI MAF5240噴霧機，試驗場景如圖1所示。

圖1　試驗場景

主要參數(shù)如下：

空載質(zhì)量/kg：11 150

滿載質(zhì)量/kg：16 390

整車質(zhì)量/kg：11 100

前軸質(zhì)量/kg：6 560

后軸質(zhì)量/kg：4 540

藥箱容量/L：5 240

軸距/mm：3 800

輪距/mm：2 270

由于路面的激勵通過車輪和懸架傳遞到車身并由座墊傳遞到車上乘員，振動的頻率和振幅直接影響到乘員的乘座舒適性和駕駛員的工作效率。試驗條件為設(shè)置藥箱不裝藥液、1/2藥液、裝滿藥液，分析在不同工況下座椅傳遞給人體的振動頻率和振動加速度幅值。

1.2動態(tài)信號采集系統(tǒng)

試驗采用DAHAS測試系統(tǒng)，所需的測試儀器如圖2所示。振動加速度傳感器裝在前軸的車架和車橋上(見圖3)，并在相應(yīng)的座墊表面安裝加速度傳感器，通過與DAHAS測試硬件連接，打開DAHAS測試軟件，設(shè)置好各項參數(shù)后，即可采集振動動態(tài)信號。

本次試驗的信號采集器可以通過無線連接將采集到的動態(tài)信號數(shù)據(jù)傳送至電腦中并保存，傳送的距離約為100m。

2　試驗過程

2.1測點信號采集

在北京豐茂植保機械有限公司砂石試驗場進行試驗，車速平均8km/h，設(shè)置藥箱不裝藥液、1/2藥液、裝滿藥液3種工況。使用DHDAS動態(tài)信號采集分析軟件記錄傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)國際標準記錄時間應(yīng)大于120s，測試過程中前30s為車輛起步階段，在后續(xù)分析過程中除去其加速度數(shù)據(jù)，如圖4～圖6所示。

路面不平度和車速形成了對車輛振動系統(tǒng)的輸入，此輸入經(jīng)過輪胎、懸架、座墊等彈性、阻尼元件和簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量構(gòu)成的振動系統(tǒng)的傳遞，得到振動系統(tǒng)的輸出時簧載質(zhì)量或進一步經(jīng)座椅傳至人體的加速度，此加速度通過人體對振動的反應(yīng)—舒適

性來評價車輛的平順性。

2.2加速度預(yù)處理

以空載、半載、滿載3種工況的試驗數(shù)據(jù)也分析對象，對加速度進行預(yù)處理，得出數(shù)據(jù)圖與數(shù)據(jù)如圖7、圖8和表1所示。

圖2　測試儀器

圖3　加速度傳感器安裝位置

圖4　藥箱空載工況下測點加速度曲線

圖5　半載工況下測點加速度曲線Fig.5　Acceleration curve of measuring point under half loading of medicine cabinet

圖6　滿載工況下測點加速度曲線

圖7　車架測點加速度曲線

圖8　座椅測點加速度曲線

加權(quán)加速度藥箱空載藥箱半載藥箱滿載車架測點0．7601．1321．147座墊測點1．5291．8133．428

2.3頻率加權(quán)加速度法[10]

根據(jù)隨機過程理論法則，某一時域信號的均方根值等于其功率譜密度函數(shù)在整個頻域范圍內(nèi)積分的開方值，因此加權(quán)加速度均方根值aw還可以由頻域積分的方法求出。具體方法是：對記錄的加速度時間歷程a(t)進行頻譜分析得到功率譜密度函數(shù)Ga(f)，按以下公式直接積分計算得到各軸向加權(quán)加速度均方根值，即

當同時考慮椅面x、y、z這3個軸向振動時，3個軸向的總加權(quán)加速度均方根值按下式計算。3個方向總加權(quán)加速度均方根值為

重點考慮垂向方向?qū)θ梭w舒適性影響，忽略其他兩方向加速度，假設(shè)等于0。有些人體振動測量儀采用加權(quán)振動，它與加權(quán)加速度均方根值aw的換算按下式進行?？偧訖?quán)振級Law為

Law=20lg(aw/a0)

其中，a0為參考加速度均方根值，a0=10-6m/s2。

加權(quán)加速度均方根值和加權(quán)振級與人的主觀感覺之間的關(guān)系如表2所示。

表2　Law和aw與人的主觀感覺之間的關(guān)系

分別得出空載、半載和滿載工況下的車架和座椅測點PSD曲線，如圖9和圖10所示。

圖10　座椅測點PSD曲線—滿載

按照國際標準ISO 2631規(guī)定的評價方法，計算頻率加權(quán)加速度均方根值，表3為測點頻率加權(quán)加速度均方根值，表4為測點頻率加權(quán)振級。

表3測點頻率加權(quán)加速度均方根值

Table 3The frequency - weighted root - mean - square (RMS) value of the measured pointm/s2

加權(quán)加速度藥箱空載藥箱半載藥箱滿載車架測點0．308500．644000．58894座墊測點0．282850．573520．53070

表4　測點頻率加權(quán)振級

3　結(jié)果分析與評價

從表3中的Law和aw與人的主觀感覺之間的關(guān)系表可知：空載時的加權(quán)加速度(<0.315)和加權(quán)振級(<110)，給駕駛員的感感覺沒有不舒服。藥箱半載工況下，在0.5～80Hz范圍內(nèi)，車架測點垂向加權(quán)加速度0.644 0m/s2比滿載時的要大。

由于車輛的總質(zhì)量可以分為簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量兩部分：由彈性元件承載的部分質(zhì)量(如車身、車架及其它所有彈簧以上的部件和載荷)屬于簧載質(zhì)量；車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、車橋等屬于非簧載質(zhì)量。由表4和表5可知：霧機負載隨裝載藥量不同而變化，空滿載時的軸荷相差甚遠，隨著負載藥液的增加噴霧機懸架的簧載質(zhì)量增大，車輛整體固有頻率降低，懸架系統(tǒng)對路面激勵的過濾作用減弱，車架、座墊振動加速度都逐漸增大，駕駛員振感增強。根據(jù)國際標準中加權(quán)加速度與人體主觀感覺之間的關(guān)系，空載下駕駛有沒有不舒服情況，半載、滿載工況下駕駛員會略有不舒服。

4　結(jié)論

1)試驗噴霧機藥箱容量為5 240L，作業(yè)過程中噴霧機載荷變化比較大。如果在預(yù)期的載荷變化范圍之內(nèi)懸架具有一定剛度(即懸架的彈性特性是線性的)，則可能滿載時滿足偏頻要求而空載時偏頻過大使平順性降低，或者是空載時滿足偏頻要求而滿載時動撓度過小，使行駛過程中頻繁撞擊限位塊。本次試驗噴霧機采用了油氣懸架，具有非線性的彈性特性，使空載和滿載固有頻率保持一定或在較小范圍變化。

2)對噴霧機油氣懸架系統(tǒng)進行進一步研究，研究噴霧機在不同路面上以各種速度行駛時，地面?zhèn)鬟f給人體的振動頻率和振動加速度幅值，分析計算車身振動的固有頻率和加速度均方根值，對試驗車輛的油氣懸架做出客觀評價?，F(xiàn)已進行了在空載與滿載工況下駕駛噴霧機在二級以上的公路路面和田間路面，分別以平均6、9、12km/h的車速勻速行駛試驗。

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