关于轮式拖拉机减振系统的设计及理论分析

　　引言
　　随着农业机械化的快速发展，大功率轮式拖拉机在农业生产上已广泛应用；但由于拖拉机作业环境的影响，引起的振动问题一直未得到很好的解决。拖拉机振动不仅影响其行驶平顺性、操作稳定性和关键零部件的使用寿命，还会造成作业效率严重下降及驾驶员永久性的职业疾病。所以，如何降低拖拉机的振动已经受到广泛的重视。
　　解决振动问题的关键技术之一是设计出一种对振动有明显抑制作用、能够提高大功率轮式拖拉机使用性能的减振系统。减振系统是在工作过程中拖拉机机体与行走机构相连接的元件，其把机体的质量传给行走机构并缓和地面传给机体的冲击，要保证行驶的平顺性及作业的稳定性。目前，国内大多数对拖拉机的减振系统研究仍处于理论分析阶段，较国外大型轮式拖拉机减振系统的产业化存在一定的差距。由于作业环境的特殊性对行驶平顺性和作业稳定性有限制，所以在设计拖拉机减振系统时要根据实际作业的情况，从控制的角度出发，采用可实现连续控制的结构方案。
　　由于拖拉机行驶工况复杂而引起的振动强度大的特点，结合大功率轮式拖拉机，进行减振系统的控制策略原理分析，搭建14减振系统MATLABSIMULINK仿真模型，设计适合拖拉机作业环境实时控制的液压减振系统。
　　1拖拉机减振系统结构原理分析
　　拖拉机的减振系统由两部分组成，即控制系统和执行系统。
　　1。1拖拉机减振器的控制系统原理
　　在拖拉机车身及车轮上安装传感器，当传感器检测到垂直方向的运动信号后，经电荷放大器处理传递给控制系统，再由控制系统按照控制策略产生相应的控制力，输出控制信号让执行系统进行相应的减振运动。控制策略作为减振系统的重要组成部分，通过控制策略与执行系统地结合，能够根据车辆的运动情况及路面信息做出相应的运动。为了满足拖拉机作业环境的特殊性，将混合控制策略应用于拖拉机减振系统中，并与执行系统相结合。
　　1。2混合控制策略
　　混合控制策略是针对传统控制策略均存在自身无法克服的不足这一缺点，综合了天棚和地棚控制策略的优点提出的一种新型的控制方法。天棚控制策略设想在簧载质量和惯性坐标系（天棚）之间安装一个阻尼器，可以直接、有效地控制簧载质量的垂直加速度，但忽略了对非簧载质量的控制；而混合控制策略是设想簧载质量和非簧载质量分别与惯性系之间安装一个阻尼器，达到同时控制簧载质量和非簧载质量振动的目的。将14轮式拖拉机的减振模型作为研究对象建立2个自由度模型。混合控制策略的最终目的是有效地提高拖拉机的平顺性及轮胎着地性。但工程上采用混合控制策略时无法实现在簧载质量、非簧载质量分别和惯性坐标系间安装阻尼器，所以混合控制策略的理想模型并不存在。
　　2减振执行系统的设计
　　拖拉机作业时产生低频大振幅的振动，针对这种较难控制的振动，设计了对车身及车轮均可连续实时控制的液压式减振执行系统。液压减振系统的优点：可以实现实时连续控制；由于液压力较大，对于振动的控制效果明显；适应于大型农业拖拉机这一类在行驶过程中较难控制振动的车辆。整个减振器工作的过程中，通过伺服阀实现自动控制，其控制过程为：速度传感器、载荷传感器检测到车身（车轮）的垂直振动速度，信号经电荷放大器放大后传递给控制器，控制器按混合控制策略的规律进行处理，产生相应的控制量对伺服阀进行操作；伺服阀输出的流量使液压缸做出相应的运动，液压缸的液压油在活塞上产生作用力。根据拖拉机的运动状态使液压缸产生相应的作用力、方向及速度上的变化，最终改善了驾驶室的舒适性和平稳性。基于14轮式拖拉机模型设计而成的减振系统，可根据该拖拉机模型参数确定液压系统相关技术参数。
　　设计液压系统时，根据实际工况提出液压系统技术要求：系统压力Ps14MPa，行程H100mm，活塞杆最大随动速度vmax0。5ms，液压缸输出的最大作用力F37500N，液压缸缸体内径D80mm，活塞杆直径d40mm，执行器频宽wc76。56Hz。工程设计实践证明，wc4Hz时适合静态系统，wc30Hz时动态特性良好。由此可见，液压缸尺寸选择是合适的。
　　3基于MATLABSIMULIMK系统仿真
　　3。1随机道路的模拟
　　拖拉机的乘坐振动主要是由农业地表高低不平引起的，而这种不平度往往具有随机性，致使拖拉机在农业地表行驶时产生的强迫振动是随机振动。
　　3。2减振系统参数仿真
　　根据某大型轮式拖拉机的相关结构参数，在SIMULINK环境下建立二自由度14拖拉机减振系统模型，分别对混合控制策略及天棚控制策略进行时域仿真。仿真的评价指标是簧载质量垂直加速度Zs、减振器动行程zszus、轮胎动绕度k2zus。zs是评价拖拉机平顺性的主要指标，当Zs响应特性曲线的衰减速度越快，说明控制策略对系统起到减振效果越明显；zszus用于描述相对于静止状态的位移变化程度；k2zus是衡量轮胎接地能力的指标，轮胎动载荷减小时轮胎的波动性随之减小从而增加轮胎的着地性能。
　　3。3仿真结果分析
　　1）随机路面仿真结果表明：在田间作业时，地表的高低不平将引起拖拉机受到振幅在0。05230。0504m区间的随机垂直振动。
　　2）对于簧载质量垂直加速度Zs，混合控制策略和天棚控制策略开始时产生的振动加速分别为2。9252ms2和2。9424ms2；随着时间的增加，Zs逐渐衰减，混合控制策略的簧载质量垂直加速的衰减速度明显比天棚控制策略的衰减速度快；混合控制策略的Zs衰减速率为0。12，相对于天棚控制策略簧载质量加速度减少了10。02，提高了拖拉机的乘车舒适性。
　　3）混合控制系统的轮胎动载荷瞬间响应初始值为4。6103N，而天棚控制策略的的瞬间响应初始值为6。6103N；混合控制策略的动载荷小于天棚控制策略系统且动载荷的波动性较小，提高了拖拉机的轮胎着地能力，增加工作效率。
　　4）从减振器动行程时域仿真曲线可以看出：混合控制策略的动行程的控制效果优于天棚控制策略，混合控制策略的减振系统的动行程初始值为0。082m，仿真响应时间内的最终值为0。0498m，衰减平均速度为0。000644ms；降低了频繁撞击缓冲块的可能性，提高了舒适性及操作稳定性。
　　4结论
　　提出一种新型的混合控制策略，并将其应用于轮式拖拉机当中。详细阐述了混合控制策略原理并基于该控制策略设计了可以缓解拖拉机的垂直振动的运算简便、响应快液压减振系统。在SIMULINK仿真环境下模拟仿真拖拉机作业时随机振动路面，得到了分别应用混合控制策略与传统控制策略的簧载加速度、动行程及轮胎动载荷等轮式拖拉机减振性能指标。时域仿真对比结果表明，混合控制策略对振动抑制作用明显优于天棚的控制策略，可为实现拖拉机的液压式减振系统智能化奠定基础，对拖拉机的减振系统产业化有重要的现实意义。