农机装备人-机-路面耦合系统动力学模型与舒适性多维评价机制的研究

Research on comfort of vibration and manipulation of agricultural machinery equipment is an important issue that involves a lot of subjects. Taking the vital agricultural machinery equipments, like wheeled tractor and grain combine harvester, as the research subject, the dynamical model of human body-machine-road coupled system will be first built based on virtual prototyping technology. On the basis of the dynamical model, the critical issues, such as the vibration characteristics of seat and human body and vibration comfort of agricultural machinery equipments, will be investigated through simulation. Additionally, the impact of seat dynamic parameters on vibration characteristics of human body will be discussed. The discussion results can provide reference for optimization design of the seating system. Afterwards, the digital matrix used for describing manipulation process of agricultural machinery equipment and the multi-dimension comfort evaluation model of control device will be established on the basis of motion element analysis，thus enabling multi-dimension comfort evaluation of control device. The design factors which have negative effects on comfort of the control device will be tracked by a negative factor tracing function. The tracking results can provide feedback information for comfort design of the control device. According to the results of simulation analysis and multi-dimension evaluation, combined with the human factors engineering theory, the seating system and control devices of agricultural machinery equipment will be optimized to improve the vibration and manipulation comfort of equipment and make them meet the humanized demands much more. The research can not only provide scientific reference for comfort analysis and humanity design of agricultural machinery equipment but also make some foundations for increasing the capabilities of development and manufacturing.

农机装备振动与操纵舒适性研究是涉及多学科的重要课题。课题拟以轮式拖拉机与谷物联合收割机两种重要农机装备为研究对象，首先采用虚拟样机技术建立其面向振动舒适性研究的人-机-路面耦合系统动力学模型，并以此为基础对座椅振动特性、人体振动特性以及农机装备振动舒适性等进行仿真分析，探讨座椅动力学参数对人体振动特性的影响，为座椅系统优化设计提供参考依据；之后基于动作元分析构建农机装备操纵过程数字化描述矩阵与操纵装置舒适性多维评价模型，实现操纵装置舒适性多维评价，并利用负面因素追踪函数对影响操纵装置舒适性的设计因素进行追踪，为操纵装置舒适性设计提供信息反馈；最后以仿真分析与多维评价结果为基础，结合人因工程理论，对农机装备座椅与操纵装置等进行舒适性优化设计，使其更加符合产品的人性化需求。课题研究不仅为农机装备舒适性分析与人性化设计提供了科学的参考依据，同时还为提升其设计开发和制造工艺水平奠定了一定的基础。

本研究主要是以农机装备为研究对象，将多种先进理论与方法相结合，对其振动与操纵舒适性问题进行定量分析和综合评价。主要研究内容与结果如下：.（1）以拖拉机和收获机为研究对象，采用虚拟样机技术分别建立拖拉机-座椅系统的虚拟样机模型和收获机人-机-路面系统的刚柔耦合多体动力学模型，基于此，并结合振动测试，对机具的振动舒适性进行系统的研究，探究路面激励与行驶速度等因素对振动舒适性的影响，结果表明，不同工况下，驾驶员全身振动联合加权加速度均方根值基本都大于1.0m/s2，人体主观感受基本为不舒适及以上，行驶速度与路面硬度及不平度对机具的振动舒适性均具有显著影响，随着行驶速度与路面不平度及硬度的增加，其振动舒适性也随之降低。此外，为了提高收获机的振动舒适性，分别采用尺寸优化与拓扑优化技术对其车身框架进行了结构优化，结果表明，基于模态分析对车身框架进行结构优化，不仅可以提升其低阶固有频率，避开外部激振频率，同时还可大幅降低车身质量。.（2）以拖拉机的换挡操纵过程为研究对象，采集离合器踏板力-行程数据，综合考虑操纵舒适性的各种影响因素，建立两种不同的操纵舒适性定量分析与综合评价模型，即基于离差最大化的操纵舒适性组合评价模型和基于动作元分析的操纵舒适性熵权物元分析模型，并以此为基础，开发一套操纵舒适性定量分析与综合评价的软件系统，以此对换挡操纵过程进行数字化描述，对操纵舒适性进行定量分析和综合评价，其评价结果与人体主观评价及多指标综合评价结果基本一致，说明所构建的综合评价模型与指标体系是科学合理的。.（3）以农机装备振动与操纵舒适性仿真分析和评定结果基础，结合人因工程与优化设计理论，对驾驶室内的方向盘、脚踏板、操纵杆以及作业空间等进行了舒适性设计和空间布局优化，并搭建一套由座椅、方向盘、操纵装置等组成的、具有多工位可调节的农机装备驾驶室操纵舒适性试验平台。