高地隙噴霧機輪距與軸距尺寸組合的優(yōu)化

王麒淦，馮靜安*，宋寶，喻俊志，王衛(wèi)兵

(1 石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子832003;2 華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;3 中國科學(xué)院自動化研究所,北京 100190)

在玉米、高粱等高桿作物田間施藥過程中,自走式高地隙噴霧機因其工作效率高而被廣泛使用,但是由于其工作環(huán)境復(fù)雜,整車重心較高,工作過程中容易受到非滿載藥箱藥液晃動、噴桿晃動的影響而影響施藥的效果,嚴重時可能危害駕駛員的人身安全,因此,對高地隙噴霧機輪距和軸距的尺寸進行優(yōu)化設(shè)計以提高其工作過程中整機的側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性具有重要的實際意義。

不同地區(qū)種植作物類型、生產(chǎn)條件以及生產(chǎn)方式的不同,使得適用于各地的高地隙噴霧機輪距和軸距尺寸存在明顯的差異。如果忽略了輪距和軸距尺寸的正確組合則會對高地隙噴霧機側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響甚大,同時,在實際生產(chǎn)制造過程中對高地隙噴霧機不同輪距和軸距尺寸進行選擇和確定時可能會浪費大量的財力和物力,不恰當?shù)妮喚嗪洼S距尺寸組合的高地隙噴霧機在試驗過程中還可能對試車人員的人身安全造成影響,而利用虛擬樣機技術(shù)能實現(xiàn)不同輪距和軸距尺寸選定的方便和快捷。

高地隙噴霧機屬于特種作業(yè)車輛,有關(guān)研究主要是針對其局部結(jié)構(gòu)或是整體結(jié)構(gòu)進行研究,例如針對高地隙噴霧機噴桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進[1-3]、懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計[4-5]、高地隙底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[6-7]以及對懸架穩(wěn)定性控制方法的研究[8-9],也有學(xué)者對高地隙噴霧機整體結(jié)構(gòu)進行了研究[10-11]。上述研究能提高高地隙噴霧機整機的穩(wěn)定性,但在研究與分析過程中未考慮其砂石土坑的隨機路面實際工況,也沒有系統(tǒng)考慮在此過程中高地隙噴霧機藥箱不同載藥量、不同作業(yè)車速對其作業(yè)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響,因此,本文采用虛擬技術(shù)模擬高地隙噴霧機作業(yè)時田間隨機不平路面、不同作業(yè)車速、不同藥箱載藥量的工況,并對其輪距和軸距尺寸進行優(yōu)化選擇,以期為高地隙噴霧機的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計提供相關(guān)參考。

1 高地隙噴霧機虛擬樣機模型建立

1.1 建立三維模型

利用Solidworks建立整機三維模型,該整機主要由高地隙底盤、駕駛室、藥箱、噴桿、傳動裝置等組成,其中,高地隙底盤離地間隙為2 150 mm,噴桿長度為18 000 mm,藥箱容量為4 000 L。

本文中設(shè)計高地隙噴霧機輪距和軸距尺寸共有9種組合方式,為了研究輪距和軸距尺寸對高地隙噴霧機側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響,9種模型除了輪距和軸距尺寸不同,其他參數(shù)不變,其輪距和軸距組合方式如表1所示。

表1 輪距和軸距組合方式

1.2 ADAMS仿真模型的建立

1.2.1 輪胎路面模型的建立

ADAMS中自帶有二維和三維平路面以及二維不平路面等路面模型,但其路面模型過于簡單,仿真受限,因此,建立適用于高地隙噴霧機田間砂石作業(yè)工況下的隨機路面是高地隙噴霧機虛擬仿真的重要部分。

本文采用諧波疊加法生成隨機路面模型,首先,依據(jù)諧波疊加法原理和路面功率譜密度Gq(n)的擬合表達公式,并基于路面不平度分類標準,在MATLAB軟件中編制能夠滿足高地隙噴霧機作業(yè)工況要求的E等級隨機路面文件[12];然后,在MATLAB軟件中生成對應(yīng)的能適用于ADAMS仿真的隨機路面.rdf文件[13-15]。

為滿足仿真需求,最終生成長度x為100 m,寬度y為20 m,路面高程z為50 mm的E等級路面文件,經(jīng)過多次測試驗證能夠滿足高地隙噴霧機虛擬樣機路面條件的仿真要求,在MATLAB軟件中生成的E等級隨機路面模型如圖1所示。

圖1 E等級隨機路面

輪胎是高地隙噴霧機與地面接觸的唯一部分,具有支撐車輛和傳遞縱向、側(cè)向力的作用,同時輪胎模型具有高度的非線性和各向異性,因此,輪胎模型對高地隙噴霧機作業(yè)車的側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性具有重要影響,本文采用適用于3D路面模型,同時又適合做穩(wěn)定性分析的Fiala解析模型,修改其輪胎屬性文件的參數(shù),其中,輪胎質(zhì)量為60 kg,車輪半徑為600 mm,輪胎垂向剛度為310 N·s/m,輪胎垂向阻尼為3.1 N·s/m,輪胎靜摩擦系數(shù)為0.8,輪胎動摩擦系數(shù)為0.9。

1.2.2 模型的導(dǎo)入

將在Solidworks中建立的9種輪距和軸距組合的整機模型保存為Parasolid.格式,分別導(dǎo)入ADAMS/view中,在保證高地隙噴霧機虛擬樣機仿真要求的基礎(chǔ)上,為了方便添加約束和避免計算錯誤,在ADAMS中對次要的部件進行布爾和運算以減少約束；然后修改導(dǎo)入的模型部件的材料屬性等信息,并進行相關(guān)的約束；最后規(guī)定高地隙噴霧機駕駛員右側(cè)為坐標系y軸,x軸負方向為前進方向,z軸垂直向上為正。

在ADAMS/View中,路面文件是和輪胎文件一起導(dǎo)入的,導(dǎo)入時選擇上文中建立的E等級隨機路面,導(dǎo)入輪胎和E級隨機路面的整車虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 ADAMS高地隙噴霧機虛擬樣機仿真模型

2 虛擬仿真試驗方案與結(jié)果

2.1 試驗指標

高地隙噴霧機作業(yè)時在田間路面的激勵下,噴桿以及藥箱藥液晃動,使得其側(cè)向加速度變大以及駕駛室座椅處的垂向加速度增大,相應(yīng)的其側(cè)傾穩(wěn)定性降低、乘坐舒適性下降。本文中以高地隙噴霧機質(zhì)心的側(cè)向加速度ay和其駕駛室座椅處的垂向加速度AZ作為其作業(yè)時側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性試驗指標,并綜合考慮這二項指標,對其輪距和軸距組合進行仿真分析，因其能很好地反應(yīng)高地隙噴霧機的側(cè)傾失穩(wěn)和駕駛員乘坐舒適性的狀況,故具有很好的適用性。

2.2 試驗方案和試驗結(jié)果

高地隙噴霧機在田間作業(yè)時為保證不出現(xiàn)重噴和漏噴現(xiàn)象,要求其車速盡量保持直線恒速穩(wěn)定行駛,而且研究高地隙噴霧機田間直線作業(yè)時不同車速、不同載藥量工況下對其側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響也是必要的。

鑒于上述特殊要求,設(shè)計高地隙噴霧機作業(yè)車速分別為1.5、2.0、2.5 m/s,藥箱充液比分別為0.3、0.5、0.8,定義藥箱充液比為藥液高度與藥箱直徑之比;由于ADAMS無法模擬液體晃動,故仿真時不考慮液體晃動對高地隙噴霧機作業(yè)穩(wěn)定性的影響,用等質(zhì)量的剛體代替藥箱液體,使不同輪距和軸距組合的噴霧機在E等級隨機路面上作業(yè),檢測高地隙噴霧機穩(wěn)定作業(yè)時其質(zhì)心最大的側(cè)向加速度ay以及其駕駛室座椅處最大的垂向加速度AZ作為高地隙噴霧機作業(yè)時的側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性評價指標。

根據(jù)表1的9種輪距和軸距組合方式順序依次進行仿真分析,仿真試驗方案和試驗結(jié)果如表2至4所示。

表2 組合方式1至3試驗方案和試驗結(jié)果

表3 組合方式4至6試驗方案和試驗結(jié)果

表4 組合方式7至9試驗方案和試驗結(jié)果

3 仿真試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果與分析

為便于觀察和對比分析,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)以高地隙噴霧機9種輪距和軸距組合方式對應(yīng)的編號為橫坐標,其各自對應(yīng)的側(cè)向加速ay和垂向加速度AZ作為縱坐標,繪制出不同作業(yè)車速、不同藥箱充液比條件下的組合對比圖，其中每張圖均是在相同的作業(yè)車速、相同的藥箱充液比條件下對不同輪距和軸距組合方式的試驗指標進行對比,繪制出9種輪距和軸距組合方式的仿真試驗結(jié)果對比圖，如圖3所示。

圖3 9種模型不同速度、不同充液比時仿真試驗結(jié)果

本文以高地隙噴霧機穩(wěn)定作業(yè)時其質(zhì)心最大的側(cè)向加速ay和其駕駛室座椅處最大的垂向加速度AZ作為其作業(yè)時側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性評價指標,若這二項指標的值都越小則代表高地隙噴霧機側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性越好。從圖3可以看出:同一輪距和軸距組合方式的高地隙噴霧機在不同作業(yè)速度、不同充液比時其評價指標并不能同時達到最優(yōu),并且不同輪距和軸距組合方式的高地隙噴霧機在相同的作業(yè)車速、相同的充液比時其兩項評價指標也不能同時達到最優(yōu)。

本文提出高地隙噴霧機作業(yè)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性綜合評價指標A,因高地隙噴霧機作業(yè)時質(zhì)心側(cè)向加速ay對其作業(yè)安全和側(cè)傾穩(wěn)定性影響最大,故以側(cè)向加速ay為主影響因素,其權(quán)重系數(shù)為0.6,以駕駛室座椅處垂向加速度AZ為次影響因素,其權(quán)重系數(shù)為0.4,則高地隙噴霧機作業(yè)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性綜合評價指標:

A=0.6ay+0.4AZ。

(1)

計算9種輪距和軸距組合方式的高地隙噴霧機在不同作業(yè)車速、不同充液比時綜合評價指標A的值，并分別進行累加計算出高地隙噴霧機9種輪距和軸距組合方式的綜合評價指標A總的加權(quán)值,并以其最小為優(yōu)化目標進行優(yōu)選,結(jié)果(表5)表明:高地隙噴霧機輪距和軸距組合方式8的綜合評價指標A總加權(quán)值最小,即其為最優(yōu)。

表5 綜合評價指標A總加權(quán)值

3.2 最優(yōu)組合分析

(1)經(jīng)過仿真分析確定高地隙噴霧機輪距和軸距的最優(yōu)組合方式編號為8。對高地隙噴霧機輪距和軸距組合方式8的仿真數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)高地隙噴霧機在相同的作業(yè)速度時隨著充液比的增加其質(zhì)心側(cè)向加速度ay呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這是因為在相同的較低車速時載藥量增加使得整車重量增加,使其表現(xiàn)的更“穩(wěn)重”,并且增加的載荷分布于整車車架中心位置附近,使高地隙噴霧機側(cè)傾穩(wěn)定性相對提高。

(2)在相同充液比時,隨著作業(yè)車速的增加其質(zhì)心側(cè)向加速度ay亦呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。其原因是高地隙噴霧機作業(yè)車速為低速,且在不平路面激勵、噴桿晃動耦合作用下,隨作業(yè)車速增加其橫擺角速度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢,并且橫擺角速度減小的趨勢大于車速增加的趨勢所致。

(3)高地隙噴霧機作業(yè)車速為1.5 m/s時,其質(zhì)心側(cè)向加速度ay相對于其他各車速均處于峰值;在作業(yè)車速為2 m/s充液比為0.8時高地隙噴霧機駕駛室座椅處垂向加速度AZ超過1.3 m/s2且為最大值,此現(xiàn)象可為駕車人員安全作業(yè)提供相關(guān)參考。

4 結(jié)論

(1)本文研究在ADAMS中建立了高地隙噴霧機虛擬樣機仿真模型,通過仿真分析確定高地隙噴霧機最優(yōu)組合為輪距2 800 mm、軸距4 100 mm。

(2)為防止噴霧機作業(yè)時側(cè)傾失穩(wěn),高地隙噴霧機作業(yè)時速度應(yīng)避免一直處于1.5 m/s;為保證駕駛員作業(yè)時的乘坐舒適性,高地隙噴霧機藥箱充液比處于0.8附近時,車速應(yīng)避免長時間處于2 m/s。