懸掛農具對拖拉機轉向乘坐舒適性的影響

陳普雙，倪偉強，吳賽飛，尚莉麗，許良元,2*，楊 洋,2，江 慶,2

懸掛農具對拖拉機轉向乘坐舒適性的影響

陳普雙1，倪偉強1，吳賽飛1，尚莉麗1，許良元1,2*，楊 洋1,2，江 慶1,2

(1. 安徽農業大學工學院，合肥 230036；2. 安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥 230036)

以某型拖拉機和深松機為研究對象，在UG中建立拖拉機和農具的三維模型并導入ADAMS中，建立人-機-路面的虛擬樣機模型，對農具質量和懸掛位置在拖拉機轉向過程中駕駛員乘坐舒適性的影響進行了研究。結果表明：在拖拉機空載和懸掛農具質量為300 kg、600 kg和900 kg的情況下，拖拉機駕駛員的聯合加權加速度均方根值為 0.434、0.474、0.566和0.629 m·s-2；在拖拉機懸掛農具內提升臂和水平方向夾角從20 °提升到45 °、70 °的情況下，拖拉機駕駛員的聯合加權加速度均方根值為0.710、0.629和0.558 m·s-2，懸掛農具的質量越大，農具的懸掛角度越小，駕駛員的聯合加權加速度均方根值越大，駕駛員越不舒服。該研究為后期的拖拉機的減振設計提供了重要參考。

拖拉機；農具；振動；轉向；舒適性

拖拉機是我國農業作業中最重要的農業機械之一，也是生產生活中必不可少的農業機械。在我國，拖拉機年平均工作量中80 %是用作運輸的[1]，并且拖拉機應用較多的地區通常是農村鄉下，道路不平整。懸掛農具的拖拉機在鄉間道路行駛時，特別是在轉向過程中，極易引發事故[2-5]。

拖拉機的劇烈振動對于駕駛員健康危害很大，駕駛員的乘坐舒適性已經日益引起國內外研究人員的關注[6-11]。薛金林等[12]對于拖拉機前輪的胎壓和拖拉機行駛速度對于橫向振動的關系進行了研究。徐剛等[13]分析國產100種拖拉機參數，建立了振動系統的模型，并對拖拉機垂向振動、俯仰振動和傾側振動的固有頻率進行了研究。顧林等[14]建立了ADAMS虛擬樣機模型，并對拖拉機的空間振動進行了研究。Mastrigt等[15]對于主動座椅對人的舒適度影響進行了研究。Villibor等[16]研究了農業作業中拖拉機前后軸的振動的影響。Gialamas等[17]對于拖拉機耕作過程的振動進行了分析。

國內外對于拖拉機行駛乘坐舒適性的研究主要集中于直線行駛過程，對于拖拉機轉向過程中的振動分析較少，本研究以拖拉機和深松機為研究對象，建立駕駛員-拖拉機-路面的ADAMS虛擬樣機模型，結合舒適性評價標準，對農具質量和位置對于拖拉機轉向過程中駕駛員乘坐舒適性的影響進行分 析[18-21]。旨在為拖拉機的減振系統設計和安全駕駛提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 拖拉機虛擬樣機模型的建立

拖拉機的振動是一個十分復雜的多自由度系統，轉向行駛過程的振動劇烈程度與發動機振動情況、行進的速度、懸掛農具的質量和位置、路面平整程度等因素有關。拖拉機的振動情況可以簡單的分成縱向、橫向、垂向振動和傾側、俯仰、橫擺振動。拖拉機的主要參數見表1。

表1 拖拉機主要參數

根據拖拉機的參數在UG中建立簡化的拖拉機三維模型，在確保農具和拖拉機的質心、質量以及各個構件裝配位置準確的條件下，進行了部分簡化建模，由于整機懸架部分和懸掛農具的剛性比較大，可以將整機和農具簡化成完整的剛體結構；懸掛機構可以簡化成桿件結構；人體簡化為一個質量塊固定在座椅上；完成整機模型的建立，建立懸掛農具的三維模型，將深松機模型裝配在拖拉機整機模型上，建立拖拉機-懸掛農具模型如下圖1所示。

拖拉機的輪胎是振動系統中的柔體，是拖拉機整機減振部件。建立拖拉機輪胎的模型，輪胎的主要參數剛度和阻尼簡化為一個彈簧和阻尼器并聯的結構。輪胎模型采用的是ADAMS輪胎模型中的Fiala輪胎模型，通過設置相關的輪胎參數，可以在ADAMS中直接導出Fiala的輪胎模型。

1. 轉向機構; 2. 人-座椅模型; 3. 懸掛機構; 4. 深松農具。

Figure 1 Tractor - model of hanging farm tools.

根據輪胎的充氣壓力、輪胎寬度、輪輞半徑和使用年限相關參數，通過公式（1）-（4）計算出拖拉機前后輪的徑向剛度和徑向阻尼：

=172–69.69+5.6+0.527Krp（1）

式中：—輪胎徑向剛度，kN·m-1；—輪輞半徑，m；—使用年限，a；w—輪胎寬度，m；—輪胎氣壓，Pa。

=0+0.7（2）

式中—輪胎徑向阻尼，kN·s· m-1；C—0氣壓狀態下輪胎徑向阻尼，kN·s· m-1。

式中：1，2—側向、縱向剛度，N·(o)-1；1，2—側偏、滑移剛度，N·rad-1；1，2—輪胎自由長度，m；1—輪胎動力半徑，m。

根據上述公式計算，得到前后輪胎的屬性參數，如表2所示。

在研究拖拉機行駛的振動時，路面的平整程度將直接影響拖拉機行駛過程中振動的劇烈程度。ADAMS可以通過后綴名rdf的路面文件導入到仿真環境中。根據GB/T 7031-1986的標準[22]，規定隨機路面的等級分成A-H合計8個等級，利用正弦波疊加的原理在MATLAB中建立隨機路面的過程如下：

表2 輪胎屬性參數

式中—路面的縱向位置；ω—[0,2π]內的隨機數。

設定隨機路面的縱向坐標、橫向坐標，得到:

式中(,)—路面上任意點(,)的路面高度；

ω(,)—路面上任意點(,)屬于[0,2π]間的隨機數。

本研究選擇使用的是D級隨機路面，根據標準規定的D級路面參數在MATLAB建立隨機路面如圖2所示。

圖2 隨機路面

Figure 2 The random road

將農具和拖拉機簡化模型、輪胎模型以及隨機路面導入ADAMS/View模塊，設置各個部件質量特性，根據各部件之間關系，添加相關約束，在拖拉機和座椅連接處添加彈簧阻尼，建立座椅減振系統，在拖拉機輪胎處創建輪胎轉速的控制驅動，在前輪的轉向機構處創建拖拉機轉向角的控制驅動，在懸掛裝置提升臂上創建懸掛農具提升角度的控制驅動，ADAMS中完成人-機-路面系統虛擬樣機模型和懸掛機構位置關系如圖3所示。

圖3 虛擬樣機模型

Figure 3 Virtual prototype model

1.2 懸掛農具最大質量的確定

根據GB/T 10911-2003標準[23]，為了保證拖拉機的安全行駛，根據拖拉機的前軸靜載荷和最小使用質量計算的懸掛農具的最大質量：

式中： F—前軸靜載荷，N；min—拖拉機最小使用質量，kg。

根據拖拉機后輪最大載荷確定的農具最大質量：

式中S—后輪最大載荷，N；R—后輪的靜態載荷，N。

根據懸掛裝置的最大提升力確定農具的最大質量：

式中P—工作壓力，MPa；max—最大速比；—機械效率；—缸筒直徑，mm。

將拖拉機參數代入式中，計算得到拖拉機允許懸掛的農具最大質量約為900 kg。

1.3 拖拉機乘坐舒適性的評價標準

人體振動舒適性的評價方法采用的是GB/T 13441.1-2007中規定的方法[24]，此方法是目前應用最為廣泛的一種評價方法，根據 X、Y、Z軸向的振動對人體振動舒適性的影響進行分析評價，

根據GB/T 13441.1-2007標準[24]，采用加權加速度均方根值對拖拉機舒適性進行分析評價，駕駛員全身聯合加速度均方根值評價拖拉機行駛平順性。駕駛員全身聯合加速度均方根值a與人主觀感受之間的關系如下表3所示。

對于試驗得到的加速度時域圖進行傅里葉變換處理，得到加速度功率譜密度函數，對于加速度功率譜密度函數進行頻率加權處理，得到單向頻率加權加速度均方根值。

表3 aw與人主觀感受之間的關系

表4 1/3倍頻程加權因子

式中：() —頻率加權函數；G() —加速度功率譜密度函數。

根據國標 GB/T 8421-2000[25]，頻率加權有3種方法實現：等帶寬法、1/3 倍頻程帶寬法和寬頻帶法。本研究采用 1/3 倍頻程帶寬法實現頻率的加權，根據中心頻率，分析每個 1/3 倍頻的加速度分量，規定采樣時間內的平均值。1/3 倍頻程加權因子如表4所示。

計算駕駛員全身聯合加速度均方根值：

式中a、a和a是 X、Y和Z方向的頻率加權加速度均方根值，m·s-2。

1.4 試驗器材安裝

以某型拖拉機和深松機為試驗對象，組合慣導系統安裝在質心位置，北斗/GPS天線安裝在拖拉機后視鏡處，4個單向傳感器安裝在拖拉機前橋和后橋兩側，三向加速度傳感器安裝在拖拉機座椅安裝處，使用蓄電池為傳感器提供恒流電源，通過數據采集卡采集垂加速度數據。儀器安裝位置如圖4所示。

1. 單向加速度傳感器; 2. 北斗/GPS天線; 3. 組合慣導系統; 4. 三向加速度傳感器; 5. NI數據采集卡。

Figure 4 Instrument installation location

2 結果與分析

2.1 拖拉機振動系統的仿真和試驗驗證

在ADAMS中對于虛擬樣機模型進行轉向振動特性的仿真，選擇D級隨機路面長度35 m，拖拉機行駛速度為4 km·h-1，拖拉機的轉向角度為30°，懸掛裝置內提升臂和水平方向夾角提升到最大，仿真試驗重復進行3次，取3次仿真結果的平均值。

表5 試驗與仿真結果對比

實地試驗的地點是安徽農業大學機電園，選擇的地況與仿真地面基本一致，拖拉機行駛速度為4 km·h-1，轉向角度為30°，懸掛裝置內提升臂和水平方向夾角提升到最大。實地試驗重復進行3次，取3次試驗結果的平均值。數據對比見表5。

從表5結果對比可以得到：在轉向角度為30°，懸掛裝置和水平方向夾角提升到最大時，拖拉機前后橋兩側的加速度均方根值和座椅安裝處的聯合加速度均方根值的相對誤差分別為9.38 %、9.68 %、6.90 %、7.14 %和9.18 %，仿真和試驗結果基本一致，可以滿足接下來的試驗研究。

(a) 拖拉機空載駕駛員振動加速度；(b) 拖拉機懸掛農具300 kg時駕駛員振動加速度；(c) 拖拉機懸掛農具600 kg時駕駛員振動加速度；(d) 拖拉機懸掛農具900 kg時駕駛員振動加速度。

Figure 5 Time domain diagram of the driver's vibration acceleration

(a) 拖拉機空載駕駛員振動加速度功率譜密度；(b) 拖拉機懸掛農具300 kg時駕駛員振動加速度功率譜密度；(c) 拖拉機懸掛農具600 kg時駕駛員振動加速度功率譜密度；(d) 拖拉機懸掛農具900 kg時駕駛員振動加速度功率譜密度。

Figure 6 Power spectral density diagram of the driver's vibration acceleration

圖7 駕駛員全身振動聯合加權加速度均方根值

Figure 7 RMS of the whole body weighted acceleration.

2.2 農具質量對拖拉機轉向乘坐舒適性的影響

對拖拉機虛擬樣機模型進行轉向振動進行仿真，根據選擇D級隨機路面長度35 m，拖拉機行駛速度為4 km·h-1。拖拉機前輪轉向角為12°，懸掛裝置內提升臂和水平方向夾角為45°，農具選取0 kg、300 kg、600 kg和900 kg 4組不同質量等級。仿真過程設計為：0～5 s拖拉機靜止，5～7 s拖拉機加速到4 km·h-1，7～9秒前輪轉向12°，9 s后拖拉機進入轉向行駛狀態?？紤]到仿真初始階段，拖拉機處于不穩定狀態，本研究截取了10 s后勻速階段的振動信號進行分析處理。仿真得出4組不同情況下駕駛員質心的振動加速度時域波形圖，如圖5所示，X、Y、Z 分別表示駕駛員在3個軸向的加速度。

從圖中可以分析出：隨著農具質量的增大，駕駛員在 X、Y、Z 3個方向的振動加速度變大。在ADAMS軟件后處理模塊中通過傅里葉變換得到駕駛員質心加速度功率譜密度如圖6所示。

根據GB/T 8421-2000的標準[25]，采用1/3倍頻程帶寬法計算，得到農具質量與駕駛員全身振動聯合加權加速度均方根的關系曲線，如圖7所示。

從圖7的數據可以分析出：當懸掛農具拖拉機以 4 km·h-1速度，轉向12°行駛，農具提升臂和水平方向夾角為45°的時候，由于座椅懸架減振和拖拉機的行駛速度較低，拖拉機空載時，聯合加權加速度均方根值為0.434 m·s-2，駕駛員稍有不適。當懸掛農具后，隨著農具質量增大，駕駛員全身振動聯合加權加速度均方根由0.434 m·s-2逐漸增大到0.629 m·s-2，駕駛員的不舒適感也逐漸增強。

（a）懸掛農具角度20 °時駕駛員振動加速度；（b）懸掛農具角度45 °時駕駛員振動加速度；（c）懸掛農具角度70 °時駕駛員振動加速度。

Figure 8 Time-domain diagram of the driver's vibration acceleration

（a）懸掛農具角度20°時駕駛員振動加速度功率譜密度；（b）懸掛農具角度45 °時駕駛員振動加速度功率譜密度；（c）懸掛農具角度70 °時駕駛員振動加速度功率譜密度。

Figure 9 Power spectral density diagram of the driver's vibration acceleration

圖10 駕駛員全身振動聯合加權加速度均方根值

Figure 10 RMS of the driver's whole body weighted acceleration

2.3 農具懸掛角度對拖拉機乘坐轉向舒適性影響

拖拉機以4 km·h-1在D級隨機路面行駛，拖拉機前輪轉向角為12°，懸掛農具質量為900 kg，選取懸掛裝置內提升臂和水平方向夾角20°、45°和70° 3組不同角度。仿真過程設計為：0～5 s拖拉機靜止，5～7 s拖拉機加速到4 km·h-1，7～9 s拖拉機前輪轉向12 °，9 s后拖拉機進入轉向行駛狀態，本研究截取了10 s后勻速階段的振動信號進行分析處理。仿真得出4組不同夾角工況下駕駛員質心的振動加速度時域波形圖如圖8所示，X、Y、Z 分別表示駕駛員在3個軸向的加速度。

隨著懸掛裝置提升臂和水平方向夾角的增大，駕駛員在 X、Y、Z 3個方向的振動加速度逐漸減小。在ADAMS軟件后處理模塊中通過傅里葉變換得到駕駛員質心加速度功率譜密度如圖9所示，加速度隨著懸掛裝置提升臂和水平方向夾角的增大而減小，但是幅度較小。

根據GB/T 8421-2000[25]的標準，采用1/3倍頻程帶寬法計算，得到懸掛裝置內提升臂和水平方向的夾角與駕駛員全身振動聯合加權加速度均方根的關系曲線，如圖10所示。

從圖10的數據可以分析出：當懸掛農具拖拉機以4 km·h-1的速度、轉向12°行駛、懸掛農具質量為900 kg的時候，由于座椅減振和拖拉機的行駛速度較低，駕駛員稍有不適。當懸掛裝置和水平方向夾角增大時，駕駛員全身振動聯合加權加速度均方根由0.701逐漸減小到0.558 m·s-2，駕駛員的不舒適感也逐漸減小。

3 討論

本研究以某型拖拉機和深松機為研究對象，建立了人-機-路面虛擬樣機模型。研究懸掛農具懸掛角度和農具自身的質量對于拖拉機轉向過程中駕駛員乘坐舒適性的影響。當拖拉機以4 km·h-1進行12 °轉向時，農具質量和懸掛位置對于駕駛員的乘坐舒適性有很大的影響。農具空載和質量為300 kg、600 kg、900 kg 4種不同的工況下，駕駛員質心位置的聯合加權加速度均方根值分別為0.434 m·s-2、0.474 m·s-2、0.566 m·s-2和0.629 m·s-2；農具內提升臂和水平方向夾角20°、45°和70° 3種工況下，駕駛員質心位置的聯合加權加速度均方根值為0.701 m·s-2、0.629 m·s-2和0.558 m·s-2。仿真結果表明拖拉機轉向行駛過程中，懸掛農具的質量越大、懸掛角度越小，駕駛員質心位置的聯合加速度均方根值越大，駕駛員舒適性越低。

分析本研究的試驗驗證部分，試驗驗證值比仿真值略大，其原因可能由兩點，一是沒有考慮到發動機振動對于其他位置振動的影響；二是拖拉機和人體模型建立的還不夠精確。后續研究中可以考慮分析多個不同轉向角度對于拖拉機振動的影響；可以考慮對于拖拉機和人體的建模更加精細，對于人體各個不同位置的振動情況分析；本研究為拖拉機的減振系統設計提供了重要參考。

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Influence of hanging farm tools on riding comfort of tractor steering

CHEN Pushuang1, NI Weiqiang1, WU Saifei1, SHANG Lili1, XU Liangyuan1,2, YANG Yang1,2, JIANG Qing1,2

(1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036;2. Anhui Province Engineering Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment, Hefei 230036)

In this paper, taking the tractor and deep loosening machine as the research object, the model of tractor and farm tool were established in UG and imported into ADAMS, and the virtual prototype model of a driver - tractor - road surface was established in ADAMS. The influence of the mass of farm tools and the angle of suspension on the driver's riding comfort in the process of tractor steering was studied. When the tractor was unloaded and the hanging farm tool was 300 kg, 600 kg and 900 kg, the RMS of the joint weighted acceleration of the tractor driver was 0.434, 0.474, 0.566 and 0.629 m·s-2. When the angle between the lifting arm and the horizontal direction of the tractor hanging farm tool increases from 20° to 45° and 70°, the RMS of the weighted joint acceleration of the tractor driver was 0.710, 0.629 and 0.558 m·s-2. The results showed that, the greater the mass of the hanging farm tools, the smaller the hanging angle of the farm tool, the larger RMS of the joint weighted acceleration of the tractor driver, the more uncomfortable for the driver. This study provides an important reference for the vibration reduction design of tractors in the later stage.

tractor; farm tools; vibration; steering; comfort

S222.3

A

1672-352X (2021)03-0488-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210706.022

2021-7-12 11:06:45

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210709.1707.004.html

2020-07-17

國家重點研發計劃（2017YFD0700104）資助。

陳普雙，碩士研究生。E-mail：2812648201@qq.com

許良元，博士，教授。E-mail：xlyjwh@ahau.edu.cn