拖拉機(jī)田間作業(yè)的振動(dòng)特性檢測(cè)與異常振動(dòng)故障分析

劉春峰

(鎮(zhèn)賚縣黑魚(yú)泡鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心，吉林 鎮(zhèn)賚 137314)

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的普及率持續(xù)提升，拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基礎(chǔ)、使用最廣泛的農(nóng)業(yè)機(jī)械，其性能對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利實(shí)施意義重大。拖拉機(jī)在田間參與生產(chǎn)的過(guò)程中，往往處于重負(fù)載、路面崎嶇、頻繁換擋、高負(fù)荷作業(yè)的工況下，加之田間作業(yè)面臨的雨水、粉塵等不利因素，很容易導(dǎo)致拖拉機(jī)的性能逐漸下降，甚至產(chǎn)生較為嚴(yán)重的故障問(wèn)題。一直以來(lái)，對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)是故障判斷的主要方式之一，近年來(lái)的很多研究工作也都傾向于通過(guò)振動(dòng)特性的分析來(lái)辨別故障問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)異常故障的早期發(fā)現(xiàn)與維修，避免重大故障的產(chǎn)生。

1 振動(dòng)特性的研究情況

拖拉機(jī)作為復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，其正常行駛過(guò)程中柴油機(jī)和各個(gè)傳動(dòng)部件相互配合能夠產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的振動(dòng)頻率，這是拖拉機(jī)的正常狀態(tài)，尤其在機(jī)械技術(shù)的快速發(fā)展下，機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造的能力不斷提升，拖拉機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)得到提升，拖拉機(jī)自身工作所產(chǎn)生的振動(dòng)得到了更好的控制，這更有利于通過(guò)振動(dòng)特性的研究來(lái)分析拖拉機(jī)的整機(jī)工況，判斷其是否存在異常及故障等問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)機(jī)相關(guān)研究人員針對(duì)拖拉機(jī)的振動(dòng)特性以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究探索，為拖拉機(jī)故障排查工作提供了理論支持與實(shí)踐指導(dǎo)。

薛金林等[1]針對(duì)輪式拖拉機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)橫向固有頻率進(jìn)行了建模研究，建立了拖拉機(jī)橫向和側(cè)傾2自由度振動(dòng)模型，并設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)橫向固有頻率的計(jì)算方式，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較，證實(shí)了建模的合理性；郝歡歡等[2]針對(duì)約翰迪爾1204型拖拉機(jī)進(jìn)行了整機(jī)振動(dòng)特性的研究，利用小波變換的方法檢測(cè)了拖拉機(jī)車(chē)橋、車(chē)體、座椅等位置的振動(dòng)信號(hào)特征，分析了振動(dòng)信號(hào)奇異性特征，設(shè)計(jì)了利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行拖拉機(jī)駕駛預(yù)警的功能；范曉光等[3]針對(duì)東方紅-354拖拉機(jī)展開(kāi)了振動(dòng)特性的相關(guān)研究，測(cè)試了拖拉機(jī)在靜態(tài)和多種路面條件下的動(dòng)態(tài)振動(dòng)加速度的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析加速度曲線的強(qiáng)度、分布以及變化規(guī)律，明確了引起拖拉機(jī)振動(dòng)的主要原因，并給出了拖拉機(jī)減震和性能優(yōu)化的建議。

2 振動(dòng)特性的檢測(cè)方法

2.1 振動(dòng)產(chǎn)生的主要結(jié)構(gòu)

拖拉機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)是拖拉機(jī)的動(dòng)力源，其通過(guò)燃燒產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)活塞、曲柄連桿結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，為拖拉機(jī)整體提供運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力，也是拖拉機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的主要位置之一；傳動(dòng)系統(tǒng)包括了離合器、變速箱、中央傳動(dòng)、末端傳動(dòng)等幾大部分，能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到拖拉機(jī)的各個(gè)工作部位，其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)特征；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是控制拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角度的裝置，通常不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；制動(dòng)系統(tǒng)安裝于最終傳動(dòng)半軸上，用于拖拉機(jī)減速或停車(chē)，在使用中會(huì)產(chǎn)生輕微振動(dòng)；行駛系統(tǒng)包括前軸、導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪等，既起到驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)移動(dòng)的功能，還起到支撐拖拉機(jī)的功能，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)；液壓裝置是為拖拉機(jī)提供行駛、轉(zhuǎn)向助力和為配套機(jī)具提供液壓力的裝置，其使用過(guò)程會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較小的振動(dòng)；底盤(pán)是拖拉機(jī)各部件的安裝基礎(chǔ)，也是各部件相互配合的保證，通常不產(chǎn)生振動(dòng)。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)；2.傳動(dòng)系統(tǒng)；3.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；4.行駛系統(tǒng)；5.底盤(pán)；6.制動(dòng)系統(tǒng)；7.液壓裝置

2.2 振動(dòng)檢測(cè)的常用裝置

振動(dòng)檢測(cè)主要通過(guò)振動(dòng)傳感器(圖2a)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于拖拉機(jī)行駛振動(dòng)，可通過(guò)振動(dòng)傳感器配合加速度傳感器(圖2b)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于拖拉機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通常將振動(dòng)傳感器安裝于拖拉機(jī)駕駛室底部，前、后橋位置，以及其他重要的傳動(dòng)位置，并通過(guò)拖拉機(jī)的ECU對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，供振動(dòng)特性研究使用。對(duì)于存在故障問(wèn)題的拖拉機(jī)，可將振動(dòng)傳感器安裝于可能存在故障的結(jié)構(gòu)上，獲取該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行振動(dòng)特性分析，判斷是否確實(shí)存在故障。

圖2 振動(dòng)檢測(cè)常用傳感器

2.3 振動(dòng)特性的特征分析

1)總體來(lái)講，影響拖拉機(jī)田間行駛過(guò)程中的振動(dòng)因素主要包括地表狀態(tài)、行駛速度、拖拉機(jī)機(jī)械狀態(tài)幾大方面。在行駛速度方面，拖拉機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)幅度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而振動(dòng)的頻率隨車(chē)速增加而增加；其他狀態(tài)相同時(shí)，拖拉機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下的振動(dòng)幅度增大；正常狀態(tài)下拖拉機(jī)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)呈現(xiàn)規(guī)律的周期性變化。

2)當(dāng)拖拉機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞而工況異常時(shí)，振動(dòng)傳感器獲取的振動(dòng)信號(hào)將出現(xiàn)明顯的異常，因磨損而導(dǎo)致配合面間隙增大的多表現(xiàn)為振幅明顯增大，振動(dòng)頻率整體穩(wěn)定性下降，可出現(xiàn)隨機(jī)大振幅；因齒輪、蝸輪蝸桿損壞而造成的工況異常，多表現(xiàn)為周期性振幅增加，振動(dòng)的異常具有一定的規(guī)律性，在時(shí)間間隔、振動(dòng)變化強(qiáng)度方面呈現(xiàn)周期性近似；對(duì)于緊固零件松動(dòng)引起的工況異常，常表現(xiàn)為振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的無(wú)規(guī)律增加，且伴隨著隨機(jī)的大振幅[4]。

3 典型異常振動(dòng)實(shí)例分析

拖拉機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)的原因是多方面的，但異常故障的出現(xiàn)多數(shù)代表著拖拉機(jī)的某些功能或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了故障問(wèn)題，而對(duì)于拖拉機(jī)常見(jiàn)故障問(wèn)題導(dǎo)致的振動(dòng)，則必須尋找到故障的原因并予以解決，以確保拖拉機(jī)長(zhǎng)期維持良好的工作狀態(tài)，并具有合理的使用壽命。

3.1 柴油機(jī)產(chǎn)生的異常振動(dòng)

某國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)，配套了35.3 kW(48馬力)的柴油機(jī)，在使用2年時(shí)間后出現(xiàn)有節(jié)奏的異常振動(dòng)，振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯相關(guān)，并在振動(dòng)產(chǎn)生的過(guò)程存在有節(jié)奏的敲擊聲。根據(jù)故障特征重點(diǎn)從以下4方面排查故障原因，一是排查是否供油提前角調(diào)整不當(dāng)；二是排查活塞銷(xiāo)與連桿襯套間隙是否在正常工況范圍；三是檢查連桿軸承間隙是否正常，分析是否出現(xiàn)嚴(yán)重磨損；四是是否由于齒輪嚴(yán)重磨損，齒側(cè)間隙過(guò)大，導(dǎo)致出現(xiàn)嚙合撞擊振動(dòng)。根據(jù)以上初步分析，調(diào)用了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)，明確了振動(dòng)產(chǎn)生的間隔與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，且突發(fā)振幅較大，結(jié)合振動(dòng)聲音判斷，聲音以敲擊聲為主，敲擊時(shí)振動(dòng)強(qiáng)且音調(diào)尖銳，因此初步排除供油提前角故障和軸承磨損故障，將檢查重點(diǎn)側(cè)重于活塞銷(xiāo)與連桿襯套間隙故障及齒輪嚙合故障方面，而對(duì)于尖銳的敲擊聲和振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)，更近似于于活塞銷(xiāo)與連桿襯套運(yùn)動(dòng)周期，因此對(duì)活塞銷(xiāo)配合部件進(jìn)行拆解，并確定配合間隙存在明顯磨損，對(duì)其進(jìn)行成套更換后，故障問(wèn)題消失[5]。

3.2 離合器產(chǎn)生的異常振動(dòng)

某進(jìn)口大馬力拖拉機(jī)，日常使用中主要用于配合聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)使用，在使用過(guò)程中踩踏離合器時(shí)出現(xiàn)明顯跳動(dòng)，并伴隨有異響。針對(duì)這一故障，在離合器位置安裝了振動(dòng)傳感器檢測(cè)離合器的振動(dòng)特征，用以判斷其振動(dòng)產(chǎn)生的原因。導(dǎo)致離合器出現(xiàn)振動(dòng)故障的原因主要包括以下幾大方面：一是離合器的保養(yǎng)潤(rùn)滑工作不到位，導(dǎo)致離合器形成阻塞，使自由行程縮小，導(dǎo)致離合器工況異常，因磨損而產(chǎn)生振動(dòng)；二是離合器的摩擦彈簧損壞，導(dǎo)致在放松離合器踏板過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)；三是由于離合器的變速器輸入軸的軸承磨損，導(dǎo)致輸入軸工作中穩(wěn)定性不足，易出現(xiàn)間歇性振動(dòng)；四是分離軸承套筒磨損，導(dǎo)致在踩下離合器踏板時(shí)出現(xiàn)異常振動(dòng)；五是膜片彈簧斷裂導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程離合器踏板持續(xù)傳來(lái)振動(dòng)和異響。針對(duì)拖拉機(jī)出現(xiàn)的故障問(wèn)題，將離合器正常使用過(guò)程的振動(dòng)信息收集并匯總，利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析離合器振動(dòng)頻率的故障原因，系統(tǒng)顯示故障問(wèn)題出現(xiàn)的最大概率位于離合器的變速器輸入軸故障，概率為67.5%，其次為分離軸承套筒故障，概率為12.7%。因此，重點(diǎn)檢查了變速器輸入軸，其彈簧已處于損壞狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行更換則故障排除。

3.3 變速箱產(chǎn)生的異常振動(dòng)

某國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)換擋過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)問(wèn)題，駕駛員駕駛過(guò)程的振動(dòng)感覺(jué)明顯，經(jīng)過(guò)初步檢測(cè)確定振動(dòng)來(lái)源位于變速箱結(jié)構(gòu)，因此，針對(duì)變速箱進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析。變速箱中的機(jī)械零件眾多，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，導(dǎo)致產(chǎn)生異常故障的因素也很多，常見(jiàn)因素包括以下幾項(xiàng)：一是傳動(dòng)齒輪損壞產(chǎn)生振動(dòng)，包括齒面損傷、嚙合間隙不良、齒輪輪齒變形等；二是軸承磨損嚴(yán)重出現(xiàn)配合松曠，因傳動(dòng)是軸承間隙不良導(dǎo)致出現(xiàn)周向配合松動(dòng)，從而產(chǎn)生傳動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題；三是傳動(dòng)零件緊固不當(dāng)，部分緊固螺栓松動(dòng)造成傳動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)異響。變速箱的故障判斷往往相對(duì)復(fù)雜，從傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，振動(dòng)的特征是只在換入第二擋位時(shí)出現(xiàn)明顯的撞擊振動(dòng)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，較大可能是由于換擋時(shí)齒輪相撞擊而發(fā)響。由于其他擋位不存在故障，可排除離合器分離故障，重點(diǎn)檢查Ⅱ擋軸承和齒輪是否磨損或損壞，拆開(kāi)后確定軸承1個(gè)滾珠碎裂，部分滾珠存在燒蝕麻點(diǎn)，更換軸承后故障消失[6]。

3.4 傳動(dòng)軸產(chǎn)生的異常振動(dòng)

某拖拉機(jī)在中高速行駛過(guò)程出現(xiàn)明顯振動(dòng)，而在低速行駛時(shí)振動(dòng)則不明顯，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)確定振動(dòng)來(lái)自拖拉機(jī)的傳動(dòng)軸。故針對(duì)傳動(dòng)軸展開(kāi)故障分析。傳動(dòng)軸常見(jiàn)的異常振動(dòng)原因包括以下幾點(diǎn)：一是傳動(dòng)軸松動(dòng)，常見(jiàn)原因包括凸緣盤(pán)連接螺栓松動(dòng)、萬(wàn)向節(jié)十字軸磨損等；二是傳動(dòng)軸動(dòng)平衡不良，可能由于傳動(dòng)軸變形或平衡塊脫落所導(dǎo)致；三是中間支承松曠，可能是由于中間支承安裝方法不當(dāng)、車(chē)架變形等原因?qū)е碌?。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)軸的振動(dòng)圖譜進(jìn)行分析，可見(jiàn)振動(dòng)特征是連續(xù)、均勻的中等振幅振動(dòng)，這更類(lèi)似于中間支承松曠導(dǎo)致的振動(dòng)。通過(guò)對(duì)中間支撐的滾動(dòng)軸承進(jìn)行重新安裝，振動(dòng)問(wèn)題得到解決。

4 結(jié)語(yǔ)

拖拉機(jī)的異常振動(dòng)是其機(jī)械內(nèi)部存在故障的表征，通過(guò)先進(jìn)的振動(dòng)檢測(cè)與分析設(shè)備能夠幫助農(nóng)機(jī)維修人員快速縮小故障范圍，為合理維修提供更好的保障。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，拖拉機(jī)的很多故障問(wèn)題是由于日常使用保養(yǎng)不當(dāng)造成的，例如支架螺栓松動(dòng)、鉚釘松動(dòng)也都會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)問(wèn)題，為振動(dòng)故障檢測(cè)增加難度，因此，拖拉機(jī)駕駛員應(yīng)重視拖拉機(jī)的合理使用與維護(hù)，從而有效減少拖拉機(jī)振動(dòng)故障的發(fā)生率，在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行維修，避免故障的擴(kuò)大化。

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