手扶拖拉機橡膠隔振式減振手把的設計和性能分析

    胥  芳  張立彬  計時鳴  張  憲

    （浙江工業大學機電工程學院杭州，310 014）

摘要在分析手扶拖拉機手把振源特性的基礎上，以天然橡膠1154為隔振元件設計了一種新型的橡膠隔振式減振手把，該手把具有結構簡單、工作穩定、安裝簡便、使用可靠的優點。在工農一5型手扶拖拉機上的試驗結果表明，該手把有效地降低了振動傳遞率，在三軸向中振動最劇烈的方向上最大加速度和加權加速度分別減少了54.8%和55. 8%．三軸向聯合加速度降低了44.1%，當振動職業病發病率為30%時，振動病發生前允許的受振年限可延長126. 4%，具有顯著的減振效果。

關鍵詞：拖拉機；隔振；手把

中圖分類號：TB535

    手扶拖拉機是農村大面積使用的耕作機械和動力源，尤其在我國，保有量巨大，駕駛員人數眾多。據統計，由于長期操作手扶拖拉機，因手把振動導致駕駛員振動病的發病率相當高。為此，降低手扶拖拉機的振動水平，改善操作人員的工作條件已成為國內外農機行業一致重視的研究課題。意大利的Guarn-teri和Ragni等人曾研究了小型農機手把振動的傳遞機理11-2]，日本的大黑正道和石川文武等人研究了在手把上加配重和咀尼來減小手把振動的方法‘31；在國內，蘇清祖等人通過局部修改扶手架的結構參數來改善手把的振動特性‘43；陳新福和胡一民在飛輪上進行偏角平衡‘s]。上述各方法，對減小手扶手把振動有一定的效果，但同時存在改裝困難、結構復雜、技術要求高的缺點。本文提出一種橡膠隔振式減振手把，該手把抗振效果良好，并具有簡單實用、安裝方便的優點。

1  橡膠隔振式減振手把的設計

1.1  關于減振方案

    一般減振方法有以下幾種：

    (1)防止共振。該方法通過改變振動系統的固有頻率或改變振動系統的擾動頻率來減少手把對振動的響應，但需對拖拉機結構做大量修改，不易實施。    (2)減少擾動。該方法通過減小振動激勵來降低手把振動，但由于柴油發動機活塞和連桿往復運動產生的不平衡慣性力不可能完全消除，因而實際減振效果受到限制。

    (3)采用隔振措施隔離振動的傳遞。手扶拖拉機手把振動的振源主要是發動機的激勵和路面不平度引起的路面激勵，這兩種激勵都是通過底盤、扶手架等傳到手把上的，因此，如果在扶手架上連接適當的減震裝置，就能使傳遞到手把上的振動明顯減弱，這種方法具有結構簡單，便于安裝在現有拖拉機上的優點。本文采用上述方法(3)的機理設計橡膠隔振式

減振手把。

1.2橡膠隔振式減振手把的設計要求

    橡膠隔振式減振手把的基本設計要求是：

    (1)具有良好的減振性能。減振手把應通過橡膠隔振裝置消耗和擴散振動能量，減弱結構傳遞振動的能力；

    (2)具有良好的操向性。減振手把的扶手架應具有足夠的剛度，不影響拖拉機的操向性能，尤其是在高速行駛和出現緊急情況時，要求能夠承受足夠大的彎矩和扭矩；

    (3)結構簡單便于安裝。減振手把應基本不改變原扶手架的結構，且具有成本低，安裝簡易方便的特點，便于推廣應用；

    (4)安裝牢靠，強度好，壽命長，安全可靠。

1.3  隔振材料的選擇

    隔振式減振手把應選用阻尼性能良好、性能穩定，制造方便，成本低，與金屬的粘接性好，單位面積的承載能力大以及使用壽命長的材料。從車輛工程的各種應用實踐來看，橡膠材料能有效地衰減來自發動機的振動激勵，利用其阻尼特性，可消除振動的尖峰幅值，使振動較為均勻和減小沖擊。因此，選用具有較好綜合物理機械性能并能與金屬材料牢固粘合的天然橡膠1154作為隔振材料，其邵氏硬度為60。

1.4  橡膠隔振式減振手把的結構和工作原理

    橡膠隔振式減振手把由橡膠隔振裝置和扶手架組成，前端扶手架與后端扶手架之間通過橡膠隔振裝置連接。橡膠隔振裝置的結構如圖1所示。強力膠粘劑將天然橡膠1154與內外金屬套管膠粘在一起，這種結構不僅保證了扶手架的剛度要求，而且還使得隔振裝置的安裝非常方便。在使用中，發動機和路面的振動激勵都須通過隔振裝置后才能傳遞到駕駛員把握的后端扶手架，橡膠的相變和分子擴散可有效地消耗和擴展振動的能量，使瞬態振動迅速衰減，降低振動的振幅。

    由于扶手架傳遞振動是逐漸放大，因此，在不影響變速桿的操作和安裝方便性的前提下，隔振元件的安裝部位應靠近發動機。實驗中橡膠隔振式減振手把隔振元件的安裝部位見圖2。

2  減振試驗與結果分析

2.1  手扶拖拉機振源的分析

    手扶拖拉機采用單缸壓縮點火水冷柴油發動

2.2試驗方法

    鑒于路畫不平引起的振動僅站占整個手把振動的20%，在試驗研究時以觀察減振手把對發動機不平衡慣性力造成的振動的隔振效果為主。為簡化試驗，作者將工農一5型手扶拖拉機停在平坦的水泥地面上進行試驗，駕駛員模擬工作狀態握住手把，發動機的轉速為3000r/min，因為在此轉速下傳遞到手把的振動最大。根據IS05349-1986(E)規定的手受振坐標系，如圖3所示。作者自制了一個傳感器支架安裝于手把上，以保證三軸向相互垂直相交。采用CA - YD127型加速度傳感器測取加速度信號，由YE5938動態數據采集器采集和記錄，然后通過RS232-C串行接口傳送到微機進行數據分析，并用打印機輸出結果。

    為了進行比較，首先測量未加隔振裝置時手把的振動加速度。然后，安裝上隔振裝置，并在相同試驗條件下測量手把振動加速度。為減少隨機誤差，每次均取5次試驗的平均值進行頻譜分析，分析頻帶為0～2000Hz。測試點見圖2，測試結果的時域波形

和振幅頻譜見圖4和圖5。

    以Xh方向為例，由圖4和圖5可見，加隔振裝Z3  結  論

    (1)從手扶拖拉機手把傳遞到駕駛員手臂上的振動主要由柴油發動機不平衡慣性力的周期性振動和由于路面不平產生的隨機振動引起，前者占總振動能量的80%，振動能量基本集中分布在0—200Hz頻帶內，最大振幅均發生在Xh方向。

(2)手把振動的振幅隨扶手架距發動機的距離的增加而增大，隔振裝置應靠近發動機安裝。   

(3)橡膠隔振式減振手把采用橡膠元件增大阻尼和隔離振動的傳遞率，減振效果明顯。當發病率C一30%時，振動病發生前允許的受振年限延長了126. 4%。

    (4)橡膠隔振式減振手把結構簡單，工作性能穩定，安裝簡便，使用安全可靠。