自走式植保車(chē)折腰轉(zhuǎn)向底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

劉道奇 劉龍 董慧鋒 秦超彬 孫千濤 錢(qián)凱 李赫

摘要：為解決現(xiàn)有自走式植保機(jī)械難以適應(yīng)復(fù)雜地形作業(yè)的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一款自走式植保車(chē)。針對(duì)不同的田間作業(yè)環(huán)境，車(chē)體結(jié)構(gòu)上輪距和底盤(pán)離地間隙可調(diào)，其中輪距在1.0～1.3 m范圍內(nèi)可調(diào)，底盤(pán)離地間隙為0.5～1.3 m 可調(diào);通過(guò)對(duì)輪式車(chē)輛主要轉(zhuǎn)向方式的對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了中部折腰主動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證作業(yè)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)植保車(chē)底盤(pán)進(jìn)行了有限元分析，得到了底盤(pán)在彎曲和扭轉(zhuǎn)2種工況下的應(yīng)力和位移分布圖。植保作業(yè)車(chē)底盤(pán)最大應(yīng)力為 68.692 MPa，最大位移為 0.528 4 mm，均小于材料的屈服極限。并對(duì)底盤(pán)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到前6階的固有頻率（22.367～81.881 Hz）和振型，同時(shí)計(jì)算出外部激振頻率最大為 9.375 Hz，不會(huì)與底盤(pán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。分析結(jié)果表明，底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工作要求，為自走式植保車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自走式植保車(chē);折腰轉(zhuǎn)向;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析;底盤(pán)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：S49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2021）02-0150-07

收稿日期：2020-05-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（編號(hào)：CARS-04）;國(guó)家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（編號(hào)：CARS-14）。

作者簡(jiǎn)介：劉道奇（1992—），男，河南信陽(yáng)人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。E-mail：15704485800@163.com。

通信作者：李赫，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。E-mail：chungbuk@163.com。黃淮海地區(qū)耕地存在地塊小、分布散的特點(diǎn)[1]，常規(guī)施藥機(jī)械難以適應(yīng)。作物主要種植有小麥、玉米和大豆，本研究主要針對(duì)小麥和大豆的田間管理設(shè)計(jì)一款自主行走植保車(chē)。自走式植保車(chē)底盤(pán)技術(shù)是自走式植保車(chē)研制的核心問(wèn)題。自走式植保車(chē)主要由機(jī)架、 傳動(dòng)系統(tǒng)、行走及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及噴桿懸掛系統(tǒng)等組成。自走式植保車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)在行走、作業(yè)、轉(zhuǎn)彎和過(guò)埂時(shí)，機(jī)器的前傾、后仰、側(cè)翻、側(cè)滑和振動(dòng)等嚴(yán)重關(guān)系到機(jī)具工作的安全性和作業(yè)的穩(wěn)定性，并影響到機(jī)器的作業(yè)效果。 機(jī)架作為植保車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，支承著減速機(jī)、油缸、柱塞泵、駕駛室、藥箱和懸架等，在工作過(guò)程中受到來(lái)自各個(gè)方面載荷的作用，其強(qiáng)度和剛度影響著整機(jī)的工作性能。為此，對(duì)底盤(pán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模及性能仿真分析，為自走式植保車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

1底盤(pán)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

自走式植保車(chē)行走系統(tǒng)研究最基本的問(wèn)題之一是要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的底盤(pán)來(lái)融合系統(tǒng)中的不同功能，實(shí)現(xiàn)植保車(chē)的行動(dòng)目標(biāo)。作業(yè)對(duì)象的農(nóng)藝要求及作業(yè)環(huán)境決定了植保車(chē)底盤(pán)的輪距和軸距，也決定了底盤(pán)的離地間隙。為使設(shè)計(jì)的植保車(chē)能夠符合實(shí)際應(yīng)用，方便調(diào)整底盤(pán)輪距和離地間隙，因此要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的調(diào)整裝置，可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)不同作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行改變。在水肥條件較好的黃淮海平原區(qū)小麥生產(chǎn)中，主要種植行距為15～20 cm，其中河南省、河北省、山東省和陜西省4省小麥品種的平均株高分別是60.58、67.09、68.09、70.22 cm。大豆種植行距有等行距直播和寬窄行種植行距直播，等行距直播有33、40、50、60 cm 等不同行距;寬窄行密植條播寬行為50 cm，窄行分別為20、25、33 cm，也有寬行為40 cm，窄行為20 cm等。2003—2016年，黃淮海地區(qū)大豆品種株高則略有降低，平均在 80 cm 左右[2-8]。綜合上述條件，輪距設(shè)計(jì)為1.0～1.3 m可調(diào)，離地間隙設(shè)計(jì)為0.7～1.3 m可調(diào)。

2關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

植保車(chē)采用四輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪上都配有獨(dú)立電機(jī)。電機(jī)由植保車(chē)電源集中供電，通過(guò)控制器控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。植保車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，折腰轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向調(diào)整齒輪。同時(shí)，由于內(nèi)側(cè)車(chē)輪和外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)彎半徑不同，外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎時(shí)通過(guò)電機(jī)控制外側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速要高于內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)具安全作業(yè)，對(duì)植保車(chē)直接采用電機(jī)制動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。自走式植保車(chē)的整體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，工作參數(shù)如表1。

2.1轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折腰轉(zhuǎn)向通過(guò)鉸接的底盤(pán)單元來(lái)改變車(chē)輛的前進(jìn)方向。折腰轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向的車(chē)輛更加機(jī)動(dòng)，優(yōu)于滑行轉(zhuǎn)向。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎期間，可以保持驅(qū)動(dòng)元件提供的最大推力，從圖2可以看出，設(shè)計(jì)采用中梁式車(chē)架，車(chē)輪與車(chē)架在平面內(nèi)沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高了越野性能;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不需要扭轉(zhuǎn)梁和其他部件，優(yōu)化了前后橋結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)向時(shí)，兩側(cè)車(chē)輪不會(huì)相對(duì)車(chē)橋偏轉(zhuǎn)，隨著折腰角φ的增加，轉(zhuǎn)向半徑明顯減小。通過(guò)理論分析，設(shè)計(jì)采用的軸距為1 200 mm，前車(chē)梁與后車(chē)梁長(zhǎng)度相同[9]。

轉(zhuǎn)彎瞬時(shí)半徑中心（C）描述了植保車(chē)在大地坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)半徑。此參數(shù)可用于控制植保車(chē)進(jìn)行路徑跟蹤。由于設(shè)定路徑的每個(gè)小部分可以通過(guò)其曲率半徑來(lái)描述，因此它可以用作控制前后平臺(tái)之間所需的折腰角度。

在l1=l2的情況下，取前后車(chē)架長(zhǎng)度為l，r1=r2，由圖2易得：

α=π-（π-φ）=φ;（1）

rc（t）=l cotφ（t）2。（2）

所以植保車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的內(nèi)圈半徑rmin為

rmin=l cotφ（t）2-W2。（3）

外圈半徑rmax（即最小轉(zhuǎn)彎半徑）為

rmax=l cotφ（t）2+W2。（4）

當(dāng)最大轉(zhuǎn)向角為50 °，輪距為1 000 mm時(shí)，得出內(nèi)圈轉(zhuǎn)彎半徑為787 mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑為 1 787 mm，適合全地形作業(yè)的轉(zhuǎn)向需求。

由于植保車(chē)采用小型輕量化底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體載重較小，不須要采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用全液壓轉(zhuǎn)向不僅增加額外載重，也影響模塊化設(shè)計(jì)的輕量結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮利用差速轉(zhuǎn)向或電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。由于作業(yè)環(huán)境多為沙土，車(chē)輪滾動(dòng)阻力對(duì)車(chē)輛直線行走和轉(zhuǎn)向時(shí)影響較大。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選用電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。在計(jì)算類(lèi)似的折腰轉(zhuǎn)向車(chē)輛轉(zhuǎn)向阻力距時(shí)，通常忽略車(chē)身轉(zhuǎn)向慣性，主要考慮滾動(dòng)阻力，利用公式（5）[10]進(jìn)行計(jì)算：

Ms=GfW24+L2。（5）

式中：Ms為轉(zhuǎn)向阻力距（N/m）;G為車(chē)體轉(zhuǎn)向載荷（N）;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);W為底盤(pán)輪距（m）;L為底盤(pán)軸距（m）。

由于實(shí)際作業(yè)時(shí)，前車(chē)架部分載重在總車(chē)的30%，主要計(jì)算前車(chē)架的轉(zhuǎn)向阻力距。通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算可得動(dòng)力底盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力距為318.15 N/m。

對(duì)轉(zhuǎn)向部件的電機(jī)，經(jīng)過(guò)查詢，選用一款48 V直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速為72 r/min，最大輸出扭矩達(dá)到 60 N/m。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于折腰轉(zhuǎn)向的齒輪傳動(dòng)系（圖3），減速比為6，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)系的傳遞，可以達(dá)到轉(zhuǎn)向的使用要求。并利用邁迪設(shè)計(jì)軟件對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核（圖4），分別選用12、24、36齒的齒輪，模數(shù)為2，材料選擇37Cr4。

2.2輪距調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同作物及種植模式，擴(kuò)大機(jī)具的適用范圍，自走式植保車(chē)采用前后輪距獨(dú)立調(diào)整方式，實(shí)現(xiàn)輪距可調(diào)。植保車(chē)離地間隙采用四輪獨(dú)立調(diào)整的方式。輪距調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)需要將車(chē)架進(jìn)行分離，因?yàn)橹脖＼?chē)還須要考慮車(chē)架高度調(diào)整的問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的輪距調(diào)整結(jié)構(gòu)還是以機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，未采用液壓或電動(dòng)推桿，提高植保車(chē)的穩(wěn)定性和可靠性。調(diào)節(jié)裝置與支承柱之間使用U型螺絲進(jìn)行固定，可以調(diào)整高度;裝置橫梁與車(chē)架橫梁采用螺孔螺栓固定，可以調(diào)節(jié)輪距（圖5）。

3植保車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)靜態(tài)及模態(tài)分析

3.1靜力學(xué)分析

根據(jù)植保車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的典型工況，如直線勻速行駛，路面高低不平出現(xiàn)單輪瞬間懸空，研究相應(yīng)載荷及邊界約束條件，分析車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度[11-12]。對(duì)自走式植保車(chē)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，建立每個(gè)部件的三維模型，裝配出整車(chē)的三維模型，渲染圖見(jiàn)圖6。

底盤(pán)是行走平臺(tái)的重要結(jié)構(gòu)之一，所設(shè)計(jì)的植保車(chē)底盤(pán)主要是由鋼架焊接而成，前車(chē)架和后車(chē)架鉸接為一體。車(chē)架總長(zhǎng)度為1 900 mm，其中前車(chē)架長(zhǎng)度為900 mm，后車(chē)架長(zhǎng)度為900 mm，中部連接部分為100 mm。整個(gè)結(jié)構(gòu)由80 mm×80 mm×5 mm的方形管、80 mm×8 mm的C字槽、80 mm×6 mm的橫梁和連接件等組成。

將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中，更新模型后從材料庫(kù)中設(shè)置底盤(pán)材料。設(shè)計(jì)所選材料為45號(hào)鋼，材料屬性見(jiàn)表2。對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量（圖7）。整個(gè)模型共劃分實(shí)體節(jié)點(diǎn)92 619個(gè)，實(shí)體單元29 370個(gè)。檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量，檢查底盤(pán)零件之間的接觸（圖8）。

在對(duì)底盤(pán)進(jìn)行有限元分析時(shí)須要設(shè)計(jì)載荷和邊界條件。施加載荷須要考慮底盤(pán)上的主要部件（表3）。電池和藥箱施加集中載荷，噴桿施加均布載荷，底盤(pán)自重施加慣性載荷[13-14]。

在植保車(chē)滿載彎曲工況下，考慮到勻速行駛的狀態(tài)，將2根橫梁的端點(diǎn)施加2個(gè)自由度，動(dòng)載系數(shù)取2.5。將載荷添加到部件所在位置，底盤(pán)自重靠添加重力加速度來(lái)代替。經(jīng)過(guò)解算，得到植保車(chē)彎曲工況下的應(yīng)力和位移分布（圖9）。從圖9可以看出，底盤(pán)最大應(yīng)力為58.409 MPa，最大位移為0.259 54 mm，主要集中在后車(chē)架與鉸接處，滿足剛度要求，在加工時(shí)可適當(dāng)增加焊點(diǎn)。

在植保車(chē)扭轉(zhuǎn)工況下，有前后某側(cè)懸空、對(duì)角兩輪懸空等情況，主要考慮植保車(chē)某一輪在凹凸不平的道路行駛出現(xiàn)懸空的狀況。在這里設(shè)置右前輪無(wú)自由度約束，另外3個(gè)輪平動(dòng)方向無(wú)約束，動(dòng)載系數(shù)取1.3。經(jīng)過(guò)解算，得到植保車(chē)在扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和位移分布（圖10）。從圖10可以看出，由于右前輪處于無(wú)約束的狀態(tài)，所以應(yīng)力集中在左前輪一側(cè)，為68.692 MPa，形變最大位置為右前輪處，為0.528 4 mm。

植保車(chē)作業(yè)時(shí)，主要存在彎曲和扭轉(zhuǎn)這2種工況。在這2種工況下，通過(guò)分析應(yīng)力和位移的分布圖可以看出，應(yīng)力最大為68.692 MPa，位移最大為0.528 4 mm。設(shè)計(jì)所選的材料為45號(hào)鋼，強(qiáng)度極限為355 MPa，底盤(pán)材料和結(jié)構(gòu)完全符合要求[15-17]。

3.2模態(tài)分析

3.2.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)植保車(chē)在作業(yè)過(guò)程中，

由于田地的不平整，會(huì)有一定的動(dòng)載荷作用。當(dāng)所受動(dòng)載荷頻率與底盤(pán)結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí)，可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振，從而產(chǎn)生很高的動(dòng)應(yīng)力，造成強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形，破壞植保車(chē)的性能。

模態(tài)分析能夠確定設(shè)計(jì)中的植保車(chē)的振動(dòng)特性（固有頻率和振型）。模態(tài)提取方法：典型的無(wú)阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問(wèn)題。

Ki=ωi2Mi（6）

式中：K為剛度矩陣;i為第i階模態(tài)的振型向量（特征向量）;ωi為第i階模態(tài)的固有頻率（ωi是特征值）;M為質(zhì)量矩陣。

有多種數(shù)值分析方法可以用來(lái)求解模態(tài)分析基本方程。常用的為Block Lanczos法，這種方法輸入?yún)?shù)少，運(yùn)算速度快，而且求解的特征值和向量精度高。

3.2.2模態(tài)分析植保車(chē)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)模態(tài)主要由設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和選用材料決定，不須要添加載荷和約束。將建立好的模型導(dǎo)入Workbench的Modal模塊中，選擇Block Lanczos方法分析植保車(chē)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)模態(tài)，獲得1階至12階的固有頻率（圖11）。

因?yàn)镸odal得到的前3階的固有頻率接近于0，可以作為剛體模態(tài)處理。剛體模態(tài)在分析中沒(méi)有多大價(jià)值，所以排除前3階的剛體模態(tài)[18-19]。把第4階模態(tài)作為實(shí)際情況下的第1階模態(tài)，實(shí)際情況的前6階分析結(jié)果見(jiàn)表4。第1階至第6階生成的振型見(jiàn)圖12。

路面激振頻率的強(qiáng)度由道路情況決定，大部分的農(nóng)村土路和田地，在路面良好的情況下，頻率低于3 Hz。路面情況較差的情況下，激振頻率與路面不平程度和植保車(chē)行駛速度存在一定的線性關(guān)系，取植保車(chē)最高速度為3 m/s，路面不平波長(zhǎng)為0.32 m，由公式（7）[20]計(jì)算可得，來(lái)自路面的激振頻率最高為9.375 Hz。

fj=μmaxγ。（7）

式中：fj為激振頻率（Hz）;μmax為植保作業(yè)車(chē)最高速度（m/s）;γ為路面不平波長(zhǎng)（m）。

4結(jié)論

采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行植保車(chē)折腰轉(zhuǎn)向底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并分析了植保車(chē)在彎曲和扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，得到了植保車(chē)在不同工況下的等效應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖。在扭轉(zhuǎn)工況下，應(yīng)力最大為68.692 MPa，位移變化最大為0.528 4 mm。應(yīng)力的強(qiáng)度沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限。在Workbench Modal中對(duì)植保車(chē)底盤(pán)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。植保車(chē)固有頻率范圍為22.367～81.881 Hz，植保車(chē)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有安裝發(fā)動(dòng)機(jī)，所以外部激勵(lì)主要來(lái)自路面，最大為9.375 Hz，二者不會(huì)產(chǎn)生共振破壞植保車(chē)結(jié)構(gòu)。通過(guò)靜態(tài)和模態(tài)分析，為樣機(jī)制造提供了參考依據(jù)，并為以后的優(yōu)化改進(jìn)提供了仿真數(shù)據(jù)。

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