手扶拖拉机橡胶隔振式减振手把的设计和性能分析

    胥  芳  张立彬  计时鸣  张  宪

    （浙江工业大学机电工程学院杭州，310 014）

摘要在分析手扶拖拉机手把振源特性的基础上，以天然橡胶1154为隔振元件设计了一种新型的橡胶隔振式减振手把，该手把具有结构简单、工作稳定、安装简便、使用可靠的优点。在工农一5型手扶拖拉机上的试验结果表明，该手把有效地降低了振动传递率，在三轴向中振动最剧烈的方向上最大加速度和加权加速度分别减少了54.8%和55. 8%．三轴向联合加速度降低了44.1%，当振动职业病发病率为30%时，振动病发生前允许的受振年限可延长126. 4%，具有显著的减振效果。

关键词：拖拉机；隔振；手把

中图分类号：TB535

    手扶拖拉机是农村大面积使用的耕作机械和动力源，尤其在我国，保有量巨大，驾驶员人数众多。据统计，由于长期操作手扶拖拉机，因手把振动导致驾驶员振动病的发病率相当高。为此，降低手扶拖拉机的振动水平，改善操作人员的工作条件已成为国内外农机行业一致重视的研究课题。意大利的Guarn-teri和Ragni等人曾研究了小型农机手把振动的传递机理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来减小手把振动的方法‘31；在国内，苏清祖等人通过局部修改扶手架的结构参数来改善手把的振动特性‘43；陈新福和胡一民在飞轮上进行偏角平衡‘s]。上述各方法，对减小手扶手把振动有一定的效果，但同时存在改装困难、结构复杂、技术要求高的缺点。本文提出一种橡胶隔振式减振手把，该手把抗振效果良好，并具有简单实用、安装方便的优点。

1  橡胶隔振式减振手把的设计

1.1  关于减振方案

    一般减振方法有以下几种：

    (1)防止共振。该方法通过改变振动系统的固有频率或改变振动系统的扰动频率来减少手把对振动的响应，但需对拖拉机结构做大量修改，不易实施。    (2)减少扰动。该方法通过减小振动激励来降低手把振动，但由于柴油发动机活塞和连杆往复运动产生的不平衡惯性力不可能完全消除，因而实际减振效果受到限制。

    (3)采用隔振措施隔离振动的传递。手扶拖拉机手把振动的振源主要是发动机的激励和路面不平度引起的路面激励，这两种激励都是通过底盘、扶手架等传到手把上的，因此，如果在扶手架上连接适当的减震装置，就能使传递到手把上的振动明显减弱，这种方法具有结构简单，便于安装在现有拖拉机上的优点。本文采用上述方法(3)的机理设计橡胶隔振式

减振手把。

1.2橡胶隔振式减振手把的设计要求

    橡胶隔振式减振手把的基本设计要求是：

    (1)具有良好的减振性能。减振手把应通过橡胶隔振装置消耗和扩散振动能量，减弱结构传递振动的能力；

    (2)具有良好的操向性。减振手把的扶手架应具有足够的刚度，不影响拖拉机的操向性能，尤其是在高速行驶和出现紧急情况时，要求能够承受足够大的弯矩和扭矩；

    (3)结构简单便于安装。减振手把应基本不改变原扶手架的结构，且具有成本低，安装简易方便的特点，便于推广应用；

    (4)安装牢靠，强度好，寿命长，安全可靠。

1.3  隔振材料的选择

    隔振式减振手把应选用阻尼性能良好、性能稳定，制造方便，成本低，与金属的粘接性好，单位面积的承载能力大以及使用寿命长的材料。从车辆工程的各种应用实践来看，橡胶材料能有效地衰减来自发动机的振动激励，利用其阻尼特性，可消除振动的尖峰幅值，使振动较为均匀和减小冲击。因此，选用具有较好综合物理机械性能并能与金属材料牢固粘合的天然橡胶1154作为隔振材料，其邵氏硬度为60。

1.4  橡胶隔振式减振手把的结构和工作原理

    橡胶隔振式减振手把由橡胶隔振装置和扶手架组成，前端扶手架与后端扶手架之间通过橡胶隔振装置连接。橡胶隔振装置的结构如图1所示。强力胶粘剂将天然橡胶1154与内外金属套管胶粘在一起，这种结构不仅保证了扶手架的刚度要求，而且还使得隔振装置的安装非常方便。在使用中，发动机和路面的振动激励都须通过隔振装置后才能传递到驾驶员把握的后端扶手架，橡胶的相变和分子扩散可有效地消耗和扩展振动的能量，使瞬态振动迅速衰减，降低振动的振幅。

    由于扶手架传递振动是逐渐放大，因此，在不影响变速杆的操作和安装方便性的前提下，隔振元件的安装部位应靠近发动机。实验中橡胶隔振式减振手把隔振元件的安装部位见图2。

2  减振试验与结果分析

2.1  手扶拖拉机振源的分析

    手扶拖拉机采用单缸压缩点火水冷柴油发动

2.2试验方法

    鉴于路画不平引起的振动仅站占整个手把振动的20%，在试验研究时以观察减振手把对发动机不平衡惯性力造成的振动的隔振效果为主。为简化试验，作者将工农一5型手扶拖拉机停在平坦的水泥地面上进行试验，驾驶员模拟工作状态握住手把，发动机的转速为3000r/min，因为在此转速下传递到手把的振动最大。根据IS05349-1986(E)规定的手受振坐标系，如图3所示。作者自制了一个传感器支架安装于手把上，以保证三轴向相互垂直相交。采用CA - YD127型加速度传感器测取加速度信号，由YE5938动态数据采集器采集和记录，然后通过RS232-C串行接口传送到微机进行数据分析，并用打印机输出结果。

    为了进行比较，首先测量未加隔振装置时手把的振动加速度。然后，安装上隔振装置，并在相同试验条件下测量手把振动加速度。为减少随机误差，每次均取5次试验的平均值进行频谱分析，分析频带为0～2000Hz。测试点见图2，测试结果的时域波形

和振幅频谱见图4和图5。

    以Xh方向为例，由图4和图5可见，加隔振装Z3  结  论

    (1)从手扶拖拉机手把传递到驾驶员手臂上的振动主要由柴油发动机不平衡惯性力的周期性振动和由于路面不平产生的随机振动引起，前者占总振动能量的80%，振动能量基本集中分布在0—200Hz频带内，最大振幅均发生在Xh方向。

(2)手把振动的振幅随扶手架距发动机的距离的增加而增大，隔振装置应靠近发动机安装。   

(3)橡胶隔振式减振手把采用橡胶元件增大阻尼和隔离振动的传递率，减振效果明显。当发病率C一30%时，振动病发生前允许的受振年限延长了126. 4%。

    (4)橡胶隔振式减振手把结构简单，工作性能稳定，安装简便，使用安全可靠。