喷雾机平顺性随机输入行驶试验与分析

乐飞翔，薛新宇，崔龙飞

(1.安徽农业大学 工学院，合肥　230036；2.农业部南京农业机械化研究所，南京　210014)

0　引言

我国大型植保机械整体发展水平较低，特别是大型植保机械普及不广泛[1-5]；而限制大型植保机械发展速度的主要客观原因之一是大型植保机械难以在不平整田间地面上平稳作业[6]。目前，国内的大型植保机械以大型喷杆喷雾机为主(自走、牵引和悬挂)，而大型喷杆喷雾机适宜平整坡度不大的大地块，不适宜有大石块、坡度较陡的地块。路面激励引发的药箱药液晃动不仅会造成药液对药箱结构产生循环往复的冲击载荷，导致结构的疲劳破坏，而且会造成药液重心的变化，可能会改变喷雾机的重心分布，影响大负荷喷杆喷雾机的作业效率[7]。

农业机械在田间作业时，行走速度一般在5～10km/h之间。对于喷雾机械而言，在工作过程中由于药箱中药量的变化，机器质量也在变化，要求悬架有较宽的适应性[8]。减振性能不但影响驾驶人员对机器的操纵及舒适性，更重要的是减轻由于地面不平所引起的机身及喷臂的振动，以保证喷雾质量及延长喷臂寿命。随着农业劳动力的不断转移和农业机械化水平的快速提高，我国对自走式喷雾机的需求日益增强。目前，我国自走式喷雾机的研究开发刚处于起步阶段，而国外的自走式喷雾机已经历了几十年甚至上百年的发展历程，全液压驱动技术、机电液一体化技术、自动导航技术、喷药自动控制技术已经得到相当普遍的应用，并且继续沿大型化、自动化和智能化的方向发展[9]。

1　试验项目

1.1试验车辆

试验车辆为意大利MAZZOTTI MAF5240喷雾机，试验场景如图1所示。

图1　试验场景

主要参数如下：

空载质量/kg：11 150

满载质量/kg：16 390

整车质量/kg：11 100

前轴质量/kg：6 560

后轴质量/kg：4 540

药箱容量/L：5 240

轴距/mm：3 800

轮距/mm：2 270

由于路面的激励通过车轮和悬架传递到车身并由座垫传递到车上乘员，振动的频率和振幅直接影响到乘员的乘座舒适性和驾驶员的工作效率。试验条件为设置药箱不装药液、1/2药液、装满药液，分析在不同工况下座椅传递给人体的振动频率和振动加速度幅值。

1.2动态信号采集系统

试验采用DAHAS测试系统，所需的测试仪器如图2所示。振动加速度传感器装在前轴的车架和车桥上(见图3)，并在相应的座垫表面安装加速度传感器，通过与DAHAS测试硬件连接，打开DAHAS测试软件，设置好各项参数后，即可采集振动动态信号。

本次试验的信号采集器可以通过无线连接将采集到的动态信号数据传送至电脑中并保存，传送的距离约为100m。

2　试验过程

2.1测点信号采集

在北京丰茂植保机械有限公司砂石试验场进行试验，车速平均8km/h，设置药箱不装药液、1/2药液、装满药液3种工况。使用DHDAS动态信号采集分析软件记录传感器数据，根据国际标准记录时间应大于120s，测试过程中前30s为车辆起步阶段，在后续分析过程中除去其加速度数据，如图4～图6所示。

路面不平度和车速形成了对车辆振动系统的输入，此输入经过轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和簧载质量、非簧载质量构成的振动系统的传递，得到振动系统的输出时簧载质量或进一步经座椅传至人体的加速度，此加速度通过人体对振动的反应—舒适

性来评价车辆的平顺性。

2.2加速度预处理

以空载、半载、满载3种工况的试验数据也分析对象，对加速度进行预处理，得出数据图与数据如图7、图8和表1所示。

图2　测试仪器

图3　加速度传感器安装位置

图4　药箱空载工况下测点加速度曲线

图5　半载工况下测点加速度曲线Fig.5　Acceleration curve of measuring point under half loading of medicine cabinet

图6　满载工况下测点加速度曲线

图7　车架测点加速度曲线

图8　座椅测点加速度曲线

加权加速度药箱空载药箱半载药箱满载车架测点0．7601．1321．147座垫测点1．5291．8133．428

2.3频率加权加速度法[10]

根据随机过程理论法则，某一时域信号的均方根值等于其功率谱密度函数在整个频域范围内积分的开方值，因此加权加速度均方根值aw还可以由频域积分的方法求出。具体方法是：对记录的加速度时间历程a(t)进行频谱分析得到功率谱密度函数Ga(f)，按以下公式直接积分计算得到各轴向加权加速度均方根值，即

当同时考虑椅面x、y、z这3个轴向振动时，3个轴向的总加权加速度均方根值按下式计算。3个方向总加权加速度均方根值为

重点考虑垂向方向对人体舒适性影响，忽略其他两方向加速度，假设等于0。有些人体振动测量仪采用加权振动，它与加权加速度均方根值aw的换算按下式进行。总加权振级Law为

Law=20lg(aw/a0)

其中，a0为参考加速度均方根值，a0=10-6m/s2。

加权加速度均方根值和加权振级与人的主观感觉之间的关系如表2所示。

表2　Law和aw与人的主观感觉之间的关系

分别得出空载、半载和满载工况下的车架和座椅测点PSD曲线，如图9和图10所示。

图10　座椅测点PSD曲线—满载

按照国际标准ISO 2631规定的评价方法，计算频率加权加速度均方根值，表3为测点频率加权加速度均方根值，表4为测点频率加权振级。

表3测点频率加权加速度均方根值

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

加权加速度药箱空载药箱半载药箱满载车架测点0．308500．644000．58894座垫测点0．282850．573520．53070

表4　测点频率加权振级

3　结果分析与评价

从表3中的Law和aw与人的主观感觉之间的关系表可知：空载时的加权加速度(<0.315)和加权振级(<110)，给驾驶员的感感觉没有不舒服。药箱半载工况下，在0.5～80Hz范围内，车架测点垂向加权加速度0.644 0m/s2比满载时的要大。

由于车辆的总质量可以分为簧载质量与非簧载质量两部分：由弹性元件承载的部分质量(如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷)属于簧载质量；车轮、转向节、车桥等属于非簧载质量。由表4和表5可知：雾机负载随装载药量不同而变化，空满载时的轴荷相差甚远，随着负载药液的增加喷雾机悬架的簧载质量增大，车辆整体固有频率降低，悬架系统对路面激励的过滤作用减弱，车架、座垫振动加速度都逐渐增大，驾驶员振感增强。根据国际标准中加权加速度与人体主观感觉之间的关系，空载下驾驶有没有不舒服情况，半载、满载工况下驾驶员会略有不舒服。

4　结论

1)试验喷雾机药箱容量为5 240L，作业过程中喷雾机载荷变化比较大。如果在预期的载荷变化范围之内悬架具有一定刚度(即悬架的弹性特性是线性的)，则可能满载时满足偏频要求而空载时偏频过大使平顺性降低，或者是空载时满足偏频要求而满载时动挠度过小，使行驶过程中频繁撞击限位块。本次试验喷雾机采用了油气悬架，具有非线性的弹性特性，使空载和满载固有频率保持一定或在较小范围变化。

2)对喷雾机油气悬架系统进行进一步研究，研究喷雾机在不同路面上以各种速度行驶时，地面传递给人体的振动频率和振动加速度幅值，分析计算车身振动的固有频率和加速度均方根值，对试验车辆的油气悬架做出客观评价。现已进行了在空载与满载工况下驾驶喷雾机在二级以上的公路路面和田间路面，分别以平均6、9、12km/h的车速匀速行驶试验。

参考文献：

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[3]陆琳.植保机械及施药技术落后的原因[J].云南农业,2008(9):20.

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[5]陈艳巧,张晓辉.我国植保机械现状及其发展策略[J].农业装备与车辆工程,2006(2):3-4,7.

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[9]窦玲静,方宪法,杨学军,等.自走式喷雾机转向技术应用与发展动态分析[J].农机化研究,2013,35(3):1-6.