拖拉机和农业机械转动惯量的计算

拖拉机和农业机械转动惯量的计算

概述

要确定拖拉机的转动惯量不是那么容易的。虽然人们目前已经掌握了一些间接测量转动惯量的方法，但拖拉机悬挂法这个方法仍然是十分必要的。拖拉机悬挂的是一个长镜头，之所以这样做是原因绝大部分作家想依靠他们精确的计算而不是依靠模糊的测量来直接得到转动惯量的量值。拖拉机的转动惯量可以通过“几何质量”拖拉机模型来评估。拖拉机主要元素，如轮毂，机舱，齿轮减速器，半轴，可以由一些形状简单的几何体构成，例如圆柱，圆环，圆锥，长方体，环形曲面，板块，由板块构建的长方体箱，这些几何体的尺寸和重量必须和拖拉机各个部件相同。这个几何体的主要转动惯量是很容易计算的，斯坦纳的原理提供了计算拖拉机这个整体的主要转动惯量的方法，这些转动惯量被应用于拖拉机数学模型，用来构建特征频率的计算方法。拖拉机振动实验被用来进行模型的验证，如果通过实验测量到的频率和通过计算模型得到的频率相似相似，那么这就意味着建议拖拉机的转动惯量的测定方法是准确的。这种简便方法允许了在计算拖拉机自由振动频率中存在的大的误差。

目前有几种确定关于机器转动惯量的方法。然而，这些方法要求在各个岗位拖拉机需要适当的停止使用，这是难以

接受的。由于这个原因，许多作者依靠自己的直觉的估算值，而不是每个时刻的测量值，并将其应用到他们的计算。本文提出了一种分解拖拉机的各个部件，用结构简单的几何体代替这些部件，然后计算这些简单几何体的转动惯量的方法。这些简单几何体的尺寸和重量必须与它所替代的拖拉机部件的尺寸和重量相同。简单几何体的转动惯量是很容易计算的。整个拖拉机的转动惯量计算通过使用施泰纳原理来确定。计算拖拉机的转动惯量和拖拉机的数学模型所使用的其他相关参数，以便建立并计算其振动频率。然后对测量的拖拉机振动的频率与计算的拖拉机振动的频率进行比较，如果这些频率非常接近的话，那么这可以证明这种转动惯量计算方法的正确性。这就是确定拖拉机转动惯量的简单方法，这种方法避免较大的误差。

1．简介

在农场，拖拉机就是农民的基本工具，因此这也是他经常的工作场所。在操作拖拉机运行时，拖拉机操作者经常接触到粉尘，噪声，冷热交替的天气（温度），降水（雨）和机械振动。拖拉机驾驶室可以避免粉尘，噪声和降水。空调驾驶室可以消除温度的影响，并提供了驾驶室的弹簧悬挂，消除了部分振动。这些影响司机的振动可能来源于发动机和附着在拖拉机和拖拉机车轮的机械（与障碍碰撞）。由发动机和附着在拖拉机上的机器产生的振动对发动机和其他机

械设备来说是微不足道的，但这些振动却有可能会损害人体的器官，因为拖拉机振动频率和人体器官的固有频率相同，高振幅和低频振动对人体器官的损害尤其严重。拖拉机振动频率是一个拖拉机特征频率的组合，其值取决于激励。如果我们建立了拖拉机的数学模型，我们就可以知道拖拉机的特振频率。

2、拖拉机模型

拖拉机的动态模型可以用很多方法创建。没有必要证明，有限元法对我们的研究目的是太过准确了，这是因为轮胎和驾驶员的座椅弹簧悬挂系统的的刚度拖拉机和其他部件的刚度有很大的区别。因此这些单元用的集中质量法来分析。在以前（Mitschke，1989; Göhlich，1991; Graef，1976年）有很多车辆的型号，包括拖拉机模型。但有时候，这种模型忽略了典型卡车与缺少后桥悬挂和前桥摆动程度不足的拖拉机的不同。可接受的最简单的拖拉机模型可以创建在拖拉机的侧平面（图1）和正面上（图2）。在拖拉机模型（形状）的横向平面的振动模式是垂直和俯仰。在拖拉机模型正面的振动模式是垂直和滚动。

拖拉机的侧平面模型的数学公式如下所示：

图1。拖拉机横向平面模型：M - 系统的质量，Jb - 俯仰力矩对系统的惯性，K1 - 前轮胎的刚度总和，K2的 - 后轮轮胎的刚度总和，“a” - 轴距（后轴前桥），l - 前轴重心

拖拉机的正面模型的数学公式如下所示：

图2。拖拉机正面模型：m - 系统的质量，Jc - 滚转力矩对系统的惯性,K1,2 -一个前面轮胎和一个后面轮胎的刚度总和，r-轮距

要从上面的公式计算出频率，必须要知道公式右侧所有参数的值。

质量和几何参数“a”（轴距，后轴前轴）和“r”（轮距）可以通过使用出厂规格或度量衡得到。“l”距离（前轴重心）可利用轴负载的工厂规格算出。对前轮和后轮的垂直刚度测量也不难。轮胎的刚度可以通过测量当改变车轮负载时地面反作用力和由此产生绕度的大小的变化来计算。

3、转动惯量的确定

通过质心分割法，拖拉机相对于前后轴和左右轴的转动惯量可以用不同的方式确定。这种方法是基于单摆原理的，这要求把拖拉机在半空中悬挂几次，显然这在实践操作中难以实现。通过测量拖拉机的正面和侧面的振动频率可以更容易地得到转动惯量。用这种方法确定的转动惯量不能用于计算以前测量的频率，在这种情况下该模型将无法得到验证。大多数的工程师没有经过测量仅仅依靠他们的计算就直观地认定转动惯量的值，他们接受3000,4000 kg*m2，精度仅仅为1000kg*m2，这是错误的。

图3。拖拉机“几何质量“模型

拖拉机和其他农业机械的转动惯量可以通过拖拉机或机械“几何质量”模型估算出来。拖拉机的主要部件，例如一台拖拉机车架，轮毂，发动机舱，齿轮减速器，驱动轴，可以用形状简单的几何体代表，如圆柱，圆环，圆锥，矩形，环形，板块构造箱子。一些机械元件也可以由这些几何体代替。这些几何体的尺寸和重量必须和拖拉机元件一样。这些组件的主要转动惯量很容易计算出来。斯塔纳原理给出了计算整个拖拉机转动惯量的方法。

例如，我们找到了在波兰很受欢迎的URSUS 1002型号的拖拉机的参数。这种拖拉机的几何体组成如图3所示。

这个简单几何体集合的质量和尺寸可以通过从工程技术规范获得（表1）和测量U1002拖拉机的参数（表2）来确定其值。

表1 从工厂的技术规范中选择U1002拖拉机的参数。

表2，选择U1002拖拉机的测量参数

通过拖拉机“几何质量”模型，拖拉机可看作有以下几部分构成： ► 拖拉机车架 - 长方体：0.6 x0.6x2.785 [米]，2983Kg ► 驾驶室 – 板块构造的箱子：板块厚0.02米，长1.7米，宽1.3米，高1.5米，325Kg 。

► 前轮 – 圆柱体：宽0.1米，直径0.88米，48Kg ► 后轮 – 圆柱体：宽0.2米，直径1.50米，227Kg ► 减速齿轮 – 圆柱体：宽0.2米，直径0.34米，50Kg ， ► 驱动轴 – 圆柱体：宽0.3米，直径0.20米，26Kg 这些部件的转动惯量是很容易算出来的

斯坦纳原理规定了计算整个拖拉机转动惯量的方法

4．讨论