田間三輪高架作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)化分析及優(yōu)化

朱晨輝++王忠利++種東風(fēng)

摘要：通過(guò)對(duì)三輪田間高架作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的建模分析，得出三輪田間高架作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，了解作業(yè)車(chē)后輪距變化以及搭載不同農(nóng)機(jī)具時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)心變化對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的影響。同時(shí)，運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)前輪機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，以液壓桿受力為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了液壓缸的安裝位置。研究結(jié)果為三輪田間高架作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三輪；作業(yè)車(chē)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；參數(shù)化分析；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： S219.032.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0376-04

隨著高稈作物作業(yè)機(jī)具現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，如何提升高稈作物作業(yè)機(jī)具的作業(yè)水平、減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度、有效發(fā)揮高稈作物作業(yè)機(jī)具在促進(jìn)玉米、煙草、甘蔗等作物生產(chǎn)現(xiàn)代化中的作用，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高稈作物機(jī)具研究領(lǐng)域一個(gè)新的課題。國(guó)外針對(duì)高稈作物的作業(yè)車(chē)輛技術(shù)研究較多，例如意大利SPAPPERI公司生產(chǎn)的JS-820型自走式噴霧機(jī)、JS-120型煙葉打頂機(jī)；荷蘭DAMCON公司生產(chǎn)的Multitrike330、Multitrike355、Multitrike370型號(hào)的果樹(shù)田間管理機(jī)；法國(guó)TECNOMA公司生產(chǎn)的TRH65、AXH110、TXH1400型號(hào)的苗圃管理車(chē)等，均采用了三輪車(chē)架結(jié)構(gòu)和液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在中國(guó)，玉米、煙草等高稈作物的田間管理作業(yè)車(chē)輛研究較晚，目前國(guó)內(nèi)已有個(gè)別地區(qū)研制出針對(duì)高稈作物的液壓自走式田間作業(yè)車(chē)[1]、高稈作物噴霧機(jī)等。

液壓技術(shù)在高稈作物作業(yè)車(chē)輛上的應(yīng)用，使得全液壓轉(zhuǎn)向在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)車(chē)輛上的應(yīng)用成為一種發(fā)展趨勢(shì)。液壓轉(zhuǎn)向的應(yīng)用減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了高稈作物作業(yè)機(jī)具的生產(chǎn)效率。本研究分析了1種行距可變的三輪全液壓驅(qū)動(dòng)田間高架作業(yè)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向部分，并對(duì)其轉(zhuǎn)向部分進(jìn)行了參數(shù)化分析及ADAMS仿真優(yōu)化，分析了作業(yè)車(chē)后輪距變化以及搭載不同農(nóng)機(jī)具時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)心變化對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的影響，驗(yàn)證了作業(yè)車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，研究結(jié)果可為三輪高架作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析提供理論依據(jù)。

1作業(yè)車(chē)整體結(jié)構(gòu)與工作原理

該作業(yè)車(chē)是針對(duì)玉米、煙草等高稈作物植保、中耕、煙葉打頂、滴灌管路鋪設(shè)等作業(yè)環(huán)節(jié)而設(shè)計(jì)的1種全液壓驅(qū)動(dòng)田間高架作業(yè)車(chē)，田間高架作業(yè)車(chē)主要有三輪車(chē)“M”形高架結(jié)構(gòu)、中置動(dòng)力系統(tǒng)、后輪輪距調(diào)整系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、駕駛室等部分組成，其中三輪車(chē)“M”形高架結(jié)構(gòu)、后輪輪距調(diào)整系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是主要的核心部件。整車(chē)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作業(yè)車(chē)機(jī)架由三輪車(chē)“M”形高架結(jié)構(gòu)組成，提高了行間通過(guò)性，減小了作物的損傷[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)中置，便于液壓泵和管路的連接，重心較低且始終處于整車(chē)中間位置，可以使三輪型式的車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)變小，同時(shí)也增大了行駛的穩(wěn)定性[3-4] 。作業(yè)車(chē)采用三輪全液壓驅(qū)動(dòng)，3個(gè)液壓馬達(dá)同時(shí)提供扭矩，動(dòng)力性能好。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用全液壓轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)無(wú)噪聲且滯后時(shí)間短。后輪輪距調(diào)整系統(tǒng)通過(guò)同步分流

馬達(dá)作用實(shí)現(xiàn)作業(yè)車(chē)田間作業(yè)狀態(tài)和道路行駛狀態(tài)的切換，進(jìn)而變換后輪輪距。同時(shí)，通過(guò)輪距調(diào)整，作業(yè)車(chē)也可適用于苗圃的田間管理作業(yè)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)車(chē)一機(jī)多用的功能。

2作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型建立

2.1作業(yè)車(chē)整體轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型分析

為分析三輪田間高架作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向操縱特性，了解作業(yè)車(chē)后輪距變化以及搭載不同農(nóng)機(jī)具時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)心變化對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的影響，將三輪田間高架作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性二自由度平面運(yùn)動(dòng)，建立了三輪田間高架作業(yè)車(chē)平面轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型，如圖2所示。模型以作業(yè)車(chē)后輪軸線中點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立XOY坐標(biāo)系，2個(gè)自由度分別為整車(chē)沿X軸的側(cè)移和繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的轉(zhuǎn)動(dòng)，且作業(yè)車(chē)的前進(jìn)速度恒定。在模型中，以前輪的轉(zhuǎn)角作為輸入；忽略作業(yè)車(chē)在行駛過(guò)程中的車(chē)架振動(dòng)作用，認(rèn)為作業(yè)車(chē)整體只做平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)。

質(zhì)心位置是車(chē)輛設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其位置不同會(huì)影響車(chē)輛的動(dòng)力性、制動(dòng)性和安全性，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中要嚴(yán)格控制。由計(jì)算可知，高架作業(yè)車(chē)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，質(zhì)心位置位于發(fā)動(dòng)機(jī)上方水平機(jī)架上；處于田間作業(yè)狀態(tài)時(shí)，由于作業(yè)車(chē)后輪輪距變寬，坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置會(huì)縱向向前偏移；當(dāng)加300 kg藥液時(shí)，質(zhì)心縱向向后偏移；當(dāng)懸掛機(jī)具時(shí)，質(zhì)心縱向向后偏移。藥箱加水和后置懸掛機(jī)具均會(huì)使質(zhì)心位置產(chǎn)生一定量的偏移，但質(zhì)心始終位于作業(yè)車(chē)前部2/3軸距內(nèi)[5-6] 。

為得出質(zhì)心變化對(duì)作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向性能的影響，根據(jù)牛頓力學(xué)原理，建立多功能煙田作業(yè)車(chē)2個(gè)自由度轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行處理，得到作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)微分方程：

m（Vx-Vyω）=-Cfδ-Cr-CfVyVx+（L-L1）Cr+L1CfVy；（1）

Iω=L1Cfδ-（L-L1）Cr+L1CfVyVx+（L-L1）2Cr+L12CfVyω。（2）

式中：m為多功能煙田作業(yè)車(chē)車(chē)體質(zhì)量，kg；Vx為作業(yè)車(chē)車(chē)身側(cè)向速度，m/s；Vy為作業(yè)車(chē)車(chē)身前進(jìn)速度，m/s；ω為作業(yè)車(chē)車(chē)體橫擺角速度，rad/s；Cf為前輪輪胎側(cè)偏剛度，N/rad；Cr為后輪輪胎側(cè)偏剛度，N/rad；I為作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；δ為作業(yè)車(chē)前輪轉(zhuǎn)向角度，rad；L為作業(yè)車(chē)前后輪輪距，m；L1為作業(yè)車(chē)質(zhì)

心距前輪的距離，m。

作業(yè)車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑是指前輪轉(zhuǎn)向平面的軸線與后輪偏轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)到質(zhì)心的距離。為得到質(zhì)心的變化對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑的影響，根據(jù)圖2可知，前輪轉(zhuǎn)向平面與車(chē)輛縱向平面的夾角為&，F(xiàn)為轉(zhuǎn)向的離心力（N），V為車(chē)速（m/s），R為轉(zhuǎn)彎半徑（m）。則轉(zhuǎn)向離心力F為：

F=Wg×V2R。（3）

式中：V為車(chē)速，m/s；W為作業(yè)車(chē)重力，N；g為重力加速度，m/s2。

因?yàn)檗D(zhuǎn)向時(shí)后輪偏向運(yùn)動(dòng)速度Ur很小，故o′點(diǎn)到xoy坐標(biāo)系x軸上的距離可以忽略，轉(zhuǎn)向求解時(shí)可近似采用o″來(lái)進(jìn)行計(jì)算。相應(yīng)公式：

sinθ=L-L1R；（4）

cosθ=R2-（L-L1）2R；（5）

tan&=LR2-（L-L1）2。（6）

式中：θ如圖2所示，為∠eo″o，rad；&為作業(yè)車(chē)前輪轉(zhuǎn)向角度，rad。

由上式可得最小轉(zhuǎn)彎半徑：

R=L2cot2&+（L-L1）2。（7）

從上述公式可知，前輪轉(zhuǎn)向平面與縱向平面的夾角&越大，最小轉(zhuǎn)彎半徑越小，車(chē)輛轉(zhuǎn)向性能越好。經(jīng)過(guò)計(jì)算，&為30°時(shí)最小轉(zhuǎn)彎半徑為3.5 m。

同時(shí)：

hB/2=WF。（8）

式中：h為質(zhì)心到后輪軸線中心點(diǎn)O的高度距，m；B為后輪輪距，m。

由上式可知，當(dāng)最小轉(zhuǎn)彎半徑為R時(shí)，作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向速度：

V=BgR2h。（9）

由上述公式可知，輪距的變化以及搭載不同農(nóng)機(jī)具造成的質(zhì)心位置的變化對(duì)三輪作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向產(chǎn)生影響，得到了L、L1以及B的變化與作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及最小轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)向速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，為全液壓驅(qū)動(dòng)的田間高架作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立了動(dòng)力學(xué)參數(shù)化模型。

2.2作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)三輪高架作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)仿真分析，建立了作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)模型，如圖3所示。

作業(yè)車(chē)前輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度為R，作業(yè)車(chē)前輪位于中位時(shí)，轉(zhuǎn)向液壓缸的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，轉(zhuǎn)向液壓缸推桿與轉(zhuǎn)向臂的夾角為90°；當(dāng)作業(yè)車(chē)前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向液壓缸的長(zhǎng)度變化為L(zhǎng)1，此時(shí)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為α。前輪轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向液壓缸的長(zhǎng)度變化L1的關(guān)系為：

a=cos-12R2+L2-（L-L1）22RR2+L2-tan-1LR。（10）

在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，轉(zhuǎn)向阻力矩不變的情況下，受力情況如圖3所示，可知：

M=FR。（11）

對(duì)于轉(zhuǎn)向阻力距計(jì)算[7]，有：

TL=0.05Gs·11+e/B·B200·Us0.7·K。（12）

式中：B為600-16人字形輪胎寬度，B=254 mm；Us為輪胎與地面摩擦系數(shù)，Us=0.6；e為轉(zhuǎn)動(dòng)輪擺向半徑，e=177 mm；Gs為轉(zhuǎn)向輪載荷，該車(chē)加滿藥質(zhì)量約3 t，前輪載質(zhì)量約為總質(zhì)量的33%；K為超載系數(shù)，K=1.2。

由公式可以得出前輪轉(zhuǎn)向角α與轉(zhuǎn)向液壓缸長(zhǎng)度變化L1的關(guān)系，由公式計(jì)算出轉(zhuǎn)向阻力矩M約等于1.15×105 N。

3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了研究田間作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS進(jìn)行仿真模擬[8]。為便于分析，可省略螺栓等緊固件[9-11]，模型如圖4所示。然后在前輪加上恒定的阻力矩TL，并在轉(zhuǎn)向油缸添加傳感器函數(shù)，使得轉(zhuǎn)向角度不超過(guò)30°。最后定義油缸鉸支架上鉸點(diǎn)F（圖3中的F點(diǎn)）的X、Y坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量[12]，各設(shè)計(jì)變量的取值如表1所示。針對(duì)作業(yè)車(chē)的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向分別進(jìn)行仿真分析。

從圖5、圖6可以看出，左右轉(zhuǎn)向在30°的范圍內(nèi)，右轉(zhuǎn)向所用時(shí)間較左轉(zhuǎn)向少，而向左轉(zhuǎn)向時(shí)受力較右轉(zhuǎn)時(shí)??；右向優(yōu)化前右轉(zhuǎn)時(shí)最大推力為795.1 N，優(yōu)化后為780.1 N；左轉(zhuǎn)向優(yōu)化前液壓桿最大拉力為700.3 N，優(yōu)化后為688.2 N。左轉(zhuǎn)優(yōu)化時(shí)最優(yōu)化點(diǎn)的受力在3 s前是負(fù)優(yōu)化的。

而從優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以得出，左邊、右邊受力減小時(shí)的優(yōu)化方向是向?qū)Φ?，右轉(zhuǎn)推力的減小使得左轉(zhuǎn)拉力的增大，而左轉(zhuǎn)拉力的減小卻使得右轉(zhuǎn)推力的增大。綜合對(duì)比后，為了使轉(zhuǎn)向時(shí)液壓缸的受力大小均勻、平穩(wěn)、減小震動(dòng)，同時(shí)考慮液壓缸的初始安裝尺寸為420 mm，液壓缸的行程為165 mm。優(yōu)化取值見(jiàn)表2，圓整后選取優(yōu)化點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)取值X=-110 mm，Y=-550 mm， 此時(shí)右轉(zhuǎn)時(shí)液壓缸受力最大值為780.1 N， 相比優(yōu)化前減小了1.83%。優(yōu)化后左右轉(zhuǎn)向液壓缸推力及車(chē)輪轉(zhuǎn)向角變化見(jiàn)圖7、圖8?？梢钥闯?，優(yōu)化后左轉(zhuǎn)液壓缸最大受力值為712.1 N，受力值合理，同時(shí)左右轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪角速度均變化平穩(wěn)。優(yōu)化后左、右轉(zhuǎn)向均得到了良好的結(jié)果。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)作業(yè)車(chē)整體轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型的分析，建立了全液壓驅(qū)動(dòng)的田間高架作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)化模型，分析了作業(yè)車(chē)后輪距變化以及搭載不同農(nóng)機(jī)具時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)心變化對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的影響，為三輪田間高架作業(yè)車(chē)整體構(gòu)架的設(shè)計(jì)及研究提供了理論基礎(chǔ)。

通過(guò)作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)模型的分析，得到了前輪阻力矩的大小以及前輪轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向液壓缸的長(zhǎng)度變化L1的關(guān)系，建立了三輪作業(yè)車(chē)前輪液壓缸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型。

利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立了前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。研究結(jié)果有助于提高自走式全液壓驅(qū)動(dòng)高稈作物作業(yè)機(jī)械的工作性能和動(dòng)力單元匹配性能，可為三輪田間高架農(nóng)業(yè)機(jī)械全液壓轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

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