手扶拖拉机扶手把振动的治理.pdf

993年12月农业机械学报第24卷第4期手扶拖拉机扶手把振动的治理焦群英汪倩华陈奎孚孙家其欧阳初【摘要】研究了利用隔振技术治理手扶拖拉机扶手把振 动的方法,并通过实验测量得到的数据证明这种方法具有良好的隔振效果。文章首先讨论了手 扶拖拉机隔振装置的设计要求,推导了安装隔振装置后发动机振动的微分方程,由此得 到了隔振装置的设计参数。文章验证了使用所研 制的隔振装置治理手扶拖拉机扶手把振动的效果。测试数据表明:本文所设计的治理方法将扶手把振 动减小了5 1%。这种隔振装置结构简单,安装方便,可以用于国内所有8.skw的新、泊手扶拖拉机的振 动治理,也适用于以同类柴油机为动力的其它机械的隔振。叙词振动治理,隔振装置,拖拉机1前言手扶拖拉机是我国小型农用拖拉机的主要机种之一。它使用范围很广,不仅用于农田作业,而 且大量用于短途运输。据资料介绍1,19 8 9年我国手扶拖拉机的保有量为4 00万台,并且 以每年5 0 万台的速度增加。由于手扶拖拉机手把结构为一外伸梁,且其动力是单缸柴油机,造成手扶拖拉机工作时尤其是用于运输作业时手把剧烈 振动。手扶拖拉机手把的振动量级己经超过 了人体所能承受的允许标准“。手扶拖拉机扶手座结构的剧烈 振动还经常造成行驶中脱档,导致事故 的发生。此外,手扶拖拉机结构的剧烈振动会 造成结构件的疲劳断裂,减小手扶拖拉机的使用寿命。因此,手扶拖拉机手把振动治理是关系到数百万驾驶员健康和人身安全的大问题。手扶拖拉机手把的振动是 手扶拖拉机轮子通 过凹凸不平路面 时产生的冲击和发动机运动部件不平衡惯 性力等共同作用下手扶拖拉机结构的响应。手把振动的大小与这两种激励特性及手扶拖拉机结构的动态特性有直接关系。目前,对手扶拖拉机手把振动的研究主要集中在其结构的动态特性方面35。这些 研究试图从结构的角度加以修改,避免结构共振,达到减小手把振动的目的。这方面的研究是必需的。但是,手扶拖拉机结构几何尺寸或形状的任何变动都将变更制造厂的设备或工艺。在目前情况下,这类方案较难推广使用。作者对 造成手扶拖拉机手把振动的振源进 行 了比较系统的分析,着重研究了路面激励和焦群英北 京 农业工 程大学基础部副教授,1000 8 3北 京市清华 东 路汪倩华北京农 业工 程大学基础部系副主任副教授陈奎孚北京农业 工程大学基础部研 究生孙家其北京市劳动保护科学研究所副 研究 员,100 054北京市肉然亭路5 5号取阳初非京市劳动保护科学研究所工程师第心期手扶拖拉机扶手把振动的治理发动机激励对手把振动的贡献的定量关系,并进行了实验验证“。实测数据表明:路 面 激励所引起的手把振动加速度仅 占这两种激励共同作用手把振动加速度的1/4左右。实验 数据清楚地说明:发动机激励是引起手扶拖拉机手把振动的主要振源,只有减小发动机对手把振动的传递,治理手把振动才会取得明显的效果。2手扶拖拉机手把振动的治理方案由于发动机的不平衡惯性力是造成手扶拖拉机手把振动的主要激励源,在发动机与机架之间安装隔振装置将会减小发动机对手把振动的激励。因此,可以设计一种隔振装置替代目前使用的刚性发动机座垫,达到减振的目的。这种治理方案具有下述优点:它可以用于不 同制造厂生产的手扶拖拉机,且不改变当前的生产设备和工艺。此外,它不仅适用于新制造的手扶拖拉机,同样也可用于大量目前正在使用的拖拉机。设计发动机隔振装置时,不仅要考虑它的隔振性能,同时必须确保不影响手扶拖拉机的工作性能。安装隔振装置后,在发动机与手扶拖拉机的机架之 间增加了柔性的隔振器,这将产生一系列新的问题。手扶拖拉机发动机的动力是依靠张紧的胶带传递至行走和作业机构的。安装 隔振装置后,要使它 的工作性能不受影响,应使胶带的张力与刚性发动机座 垫的张力相 同。这就要求隔振装置有较大的水平方向刚度。其次,由于隔振装置变形较大,会使发动机左右摇摆比较明显,影响发动机的支承稳定性。按照人体手部振动的有关标准7,在分析人的手部振动时,应 同时分析和测量手 部 承受的互相垂直的、特定的x*,Y*和z。三个方向振动的加速度。该标准规定只取其中最大的一个作为参数,用它评价振动对人手部的影响。已经测量 的结果6表明,手扶拖拉机驾驶员手部x。方向的振动加速度最大,这个方向对应于手 扶拖拉机的垂直方向振动。因此,手扶拖拉机手把振动的治理以减小振动最大的、垂直方 向的振动为主要 目标,并应对其它方向的振动有一定的隔振效果。综合上述要求,作者设计了剪切和拉压复合型的隔振装置。这种隔振装置有较低的垂直刚度以满足隔离垂直方向振动的要求。它的水平刚度较大,以满足胶带张紧的需要。另外它 的支承跨度较大,以便改善支承稳定性。这种隔振装置门.!|机一动一发L.|e e.隔振器图1隔振装置及其安装示意 图隔振装置安装在发动机与机架之间,起到隔振的作用,并替代原发动机的刚性支座。图1为隔振装置的安装示意图。3安装隔振装置后发动机的振动特性隔振装置的隔振效果由安装隔振装置后发动机刚体振动的固有频率和激励的频率之比所决定“。激励频率为发动机最低工作转速所对应的频率。发动机刚体的固有频率可以通过求解该系统振动的微分方程的特征值得到。安装隔振装置后发动机的振动可以简化为弹簧支承的刚体模型。图2为简化后的力学模型。农业机械学报1993年建立如图2所示坐标系x,y,z,坐标原点在发动机的几何 中心。设其质心c点的坐杭柳,常标为(h,介:,五.)。k,k:和k:为隔振装置的弹簧刚度。选取广义坐标,=二夕ze,0:日:T分别表示X,y和z方向的平动和绕3个轴的 转动。令二,I,几和I:分别表示发动机系统的质量 及绕3个轴的转动惯量。发动机振动时的动能T和势能u的表达式为T=合二(一”:2一”23)2+(夕+*:,+、:“。)21+(+“2。,一”;。:)J+厄12”:+音,3一1一2十2,卫。口I(1)u=Zk,(x一la口2)“+l落0蒙+2k2(夕+lao,)“+l犷o孟图2有隔振装置的发动机振动的力学模型+Zk。(22+l;日矛+lre呈)+mg h:(of+0墓)(2)利 用拉格朗日方程d/eT、OU!一二二:一+一二户一一=Odtdq/dqi=1,6(3)得到运动方程 M 亨+Kq=0(4)扭一一勺2M产.式中K=04k2对称000一 爪h。一mh:mo执hao执hl优舰hZ一执h10对 称一,h,h:mh,h3机(h盖+h霆)+了2二h2h3m(hr十h圣)[phone] k:13004 掩。0004kZI孟+4 kal墓+mgh。004(k;l轰+kali)+,gh30上述运动方程可以根据实际情况进行简化。由于支承点14(k,l若+kal矛)J2,3和4处X,Y方向刚度比z方向刚度大得多X,Y方向位移为零。,这些点在x,Y方向的位移都很小。所以可以假定在这些支承点处得到如下运动约束方程厂x一l,口。一l,口。=0 x一la口:+12口a“0!y+,:。、+,。:二。t少+l,口,一l一口,二0(5)第4期手扶拖拉机扶手把振动的治理由此得到发动机刚体的约束条件r 胜.,1!z以到得用o:,口:表示y和x,其动能T l 和势能u,为0:二0 x=l:0:)=一la。一(6),o,和气为广义坐标、有约束的3个 自由度运动模型。Tl=1跳(一“:,(,+,+(+“2!一”!2,2+合,1:+合,2:(7)U,=Zk:(22+l鑫sf+l矛0轰)+合m:“:(”,+“”(8)利用拉格朗日方程,式中q:=二o:e:得到运动方程M,奋,+K,叮,二0T(9)M,=巾h:一 mh:I,+,h呈+m(l:一ha)2一“h,h:一mh:hZ12+二hr(10)门!lw e e s e e.J勺曰、尸翻九一公.、了优十mhZ一仇h,4k。04k。l墓+,gh:004k。If+mgh:(1 1)r e e e e w e 万 s e e e 百 w elL一一、JK沪.发动机的几何和物理参数可以测 量或计算得到。对于给定 的k:,代入(10)和(11)式得到质量和刚度矩阵M,和K:,然后利用(9)式求解出这个系统的振动固有频 率。设计的隔振装置的刚度 气应满足的条件是:发 动 机最低工作转速对应的频率与(9)式得到的3个固有频率的最大者之比应大于丫万。本研究中,作者设计的隔振装置的垂直刚度:为150kN/m。由(9)式计算的固 有频率分别为6.2H:,8.oH:和1 0.0H:。因此,可以预计这种隔振装置将对1 5Hz以上的振动 有隔振作用。4隔振治理效果为 了验证本文治理方案和分析、计算方 法的正确性,作者按照设计的参数拼制了手扶拖拉机专用的隔振装置,并在实际使用状态下测试和分析了它 的隔振效果。试验用手扶拖拉机为金狮一1 2型、8.skw拖拉机。拖拉机拖动装有loo okg细砂的拖斗。试验路面为柏油路,测试时行驶速度为12 k。/五。试 验时首先测量 了用原来刚性发动机支座时手扶拖拉机手把在上述试验条件下的振动加速度。然后用研制的隔振装置替代原发动机刚性支座,并将胶带张力调至与使用刚性支座时的张力相同,试验条件不变测量手把振动加速度。测量所用仪器如图3所示。试验时,同时测量 了手把X,Y*和Z三个方向的振动加速度信号。将测得的信号用动态信号分析仪进行频谱分析,得到手把在3个方向振动加速度的均方根值和频谱图。为了农业机械学报1993年减小随机误差,每次频谱分析均取5 0个样本进行 平均。分析频带为。16 0 0H:。下 表列 出了实验测得的手扶拖拉机分别安装原刚性支座和隔振装置时手把振动加速 度 的均方根值。并同时列出 了隔振装置的隔振量和隔振效率。由下表 可以看出,隔振装置在手把振动最大的x*方向的隔振效率达5 1%。治理 后手把X。方向的振动仅为原来的4 9%。在Y。和z*方向上也有 明显的治理效果。治理前后 手把振 动加速度均方根值比较表(单位ms一“)XY舀Z几-一一一一一一一一一一-一一一-.-.一-一一一-一_一_治 理前(刚性支座)ar治理后(隔振装 置)a隔振 量Aa=ar一a隔 振 效 率三巴;:1 9。801 0。70:羔:;姿Z几。80.10。703 71 8 1 94 1%图4为 治理前、后手扶拖拉机手把x。方向振动加速 度的自功率谱图的比较。匕上 二_决兰,甲日、侧划-只州怜长曰一一日以_100800频率/丫 Hz拒比1600图3手把振动测量和分析仪器框图1.B&K 4 3 21加 速度计2.B&K 26 35电荷放大 器3.MR一30 C磁带记录仪4.B&K20 3 4动态信号分析仪图4治理前、后手扶拖拉机手把X方向振动加速度 自功率谱图比较由图4可以看出,治理前、后手把X*方向振动的自功率谱图 的形状相似,但治理后振动量级显著 减小。这说明,安装隔振装置对手扶拖拉机手把 振动有良好 的治理效果。从图4还可以看到,在极 个别的频率 上隔振装置的效果并不明显。这是 由于引起手 把振动的激励 源除发动机外,还有地面的 冲击、拖车的作用力和其它激励源的存在。本文研制的隔振装置从19 9 2年7月开始在两 台手扶拖拉机上试用,工作性能稳定,深受驾驶员的欢迎。驾驶员反映:过去开手扶拖拉机时手被振得发麻,安装隔振装置后手不麻了。它 的另一个效果是解决了手扶拖拉机“脱档”问题。试用的一台拖拉机过去经常脱档,安装隔振装置 后未发生过此故障。5结论本文所 推导的有约束的3自由度发动机隔振的力学模型有广泛 的通用性。它不仅可以用于手扶拖拉机发动机,也适用于其它机械的隔振 设计。在发动机与手扶拖拉机的机架之间安装合理的隔振装置替代原发动机的刚性支座,减小第4期羊扶拖拉机 扶手把振动的治理李9了发动机激励力对手把的作用,这是治理手扶拖拉机手把振动的有效方法。实测数据证明:这种治理方法将手把振动最剧烈 方 向上 的振动加速度减小5 1%,取得了 良好的减振效果。该隔振装置结构简单,安装方便。它适用于 国内所有型号 的新、旧8.skw手扶拖拉机,也可以用于以同类型柴油机为动力的其它机械的 隔振。参考文献12345678朱吉桥,姜君洪.中日两国手扶拖拉机 的发展与思考.手扶拖拉机学术交流会论文,1 98 8.苏清祖,张悦理,须琼和,张准.手扶拖 拉机 扶手架的减振设计.农业机械 学报,19 89,2 0(4):914焦群英,戴 诗亮,姬春亮.手扶拖拉 机动态特性的试验研 究.农业机械学报,1 98 9,2 0“):3t wsJ1aoQunying,DaiShiliangModalAnalysisofaWalkingTraetorandDriv e rsys-teo.ISAE,198 9.北京Jia oQu n了ing,DaiS 五iliangAMet五odtoModellheDynamieCouPlingofHu瓜anBod yandw。一 kingTra。tor.7*hIMAe,J。n.,205。,La,veg。s,u.5.A.焦群英,汪倩华,陈奎孚,赵大兴.手 扶拖拉机手把振动研究。北京农 业 工 程 大 学 学报,199 3,13(2):19e e25150534 9一19 86(E).Mee五ani。al Vibrati。n一Guideline sfo rtheMe a surementandtheAs se s smentofHumanExPo su retoHand一tr ansmittedVibr ation,1986.郑兆 昌主编.机械振 动学.北京:机械工业出版社,1 98。:6 0 一 7 0V IBR ATI ONCO NTROLOFWALKINGTR ACTOR产SH AND LESUS!NG!SOLATOR SJiaoQunjingWangQianht:aC henKuifuSunJiaqiOuyangC h住(BefjingAgrieulfuralEng fnee ringUnv ersity)AbstraetUsingis olato r s15theFir st刃血aIngoaltored往eet hevibr ationlevelofhandlesofwalkingtra eto r softhisPaPe rofall,thedesigningeonside rationofis olator swereequ ationofll 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