輪式丘陵山地拖拉機(jī)扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張開興 張 斕 李政平 殷月鵬 劉賢喜,3 趙秀艷

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2.山東五征集團(tuán)有限公司，日照 276800；3.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室，泰安 271018；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271018)

0 引言

“十三五”以來，我國丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高，作為最主要的農(nóng)業(yè)動力機(jī)械，丘陵山地拖拉機(jī)的需求量持續(xù)增加[1-5]。但是，丘陵山區(qū)坡地居多且不平，拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)滑移傾翻的危險(xiǎn)，駕駛?cè)藛T安全無法保證，生產(chǎn)效率低下，會造成直接的經(jīng)濟(jì)損失[6-8]。因此，設(shè)計(jì)具有姿態(tài)調(diào)整功能的丘陵山地拖拉機(jī)對于丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展具有非常重要的意義。

國外對于丘陵山地拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)整的研究開始較早，瑞士Aebi公司生產(chǎn)的TT270型和奧地利Reform公司生產(chǎn)的Mountry100型山地拖拉機(jī)具有較好的穩(wěn)定性[9]；LEONARD等[10]設(shè)計(jì)了一種車輛自動調(diào)平系統(tǒng)，通過測量車身傾斜角來進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；AHMADI[11]設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)動態(tài)調(diào)平模型，研究了在位置擾動下，速度、坡度及地輪摩擦因數(shù)對拖拉機(jī)橫向穩(wěn)定性的影響；國內(nèi)對于丘陵山地拖拉機(jī)的研究起步較晚，齊文超等[12]設(shè)計(jì)了一種基于雙閉環(huán)PID控制算法的丘陵山地拖拉機(jī)姿態(tài)主動調(diào)整系統(tǒng)，研制了一種姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，使拖拉機(jī)在坡地作業(yè)時(shí)能夠縮短車身調(diào)平時(shí)間；彭賀等[13]基于液壓缸驅(qū)動的輪式拖拉機(jī)車身四點(diǎn)調(diào)平機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)丘陵山地輪式拖拉機(jī)車身調(diào)平且傳遞動力的新型車身調(diào)平系統(tǒng)；孫景彬等[14]提出基于平行四桿機(jī)構(gòu)的車身橫向調(diào)平方案和基于雙車架機(jī)構(gòu)的縱向調(diào)平方案，設(shè)計(jì)了一種遙控全向調(diào)平山地履帶拖拉機(jī)，整機(jī)能夠在0°～15°的橫向坡地和0°～10°的縱向坡地實(shí)現(xiàn)車身的調(diào)平。

目前對姿態(tài)調(diào)整式丘陵山地拖拉機(jī)的研究大部分處于理論分析和樣機(jī)研發(fā)階段[15-16]，主要實(shí)現(xiàn)的是車身調(diào)平功能，拖拉機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)差高調(diào)平，但是由于拖拉機(jī)車身屬于剛性連接，當(dāng)一側(cè)輪胎通過障礙物時(shí)，其余輪胎會出現(xiàn)不能著地的情況，因此此類拖拉機(jī)不能很好地適應(yīng)丘陵山地的作業(yè)環(huán)境?；诖?，本文設(shè)計(jì)一種輪式丘陵山地拖拉機(jī)扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置，根據(jù)丘陵山地拖拉機(jī)的實(shí)際行走狀態(tài)調(diào)節(jié)前后車身產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)以提高其穩(wěn)定性，為姿態(tài)調(diào)整式丘陵山地拖拉機(jī)的研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

1.1 姿態(tài)調(diào)整要求

結(jié)合丘陵山地特殊的地形地貌，在保證安全性的前提下，要求設(shè)計(jì)的姿態(tài)調(diào)整裝置需要滿足以下使用要求：①在拖拉機(jī)車身姿態(tài)調(diào)整過程中，車身需根據(jù)作業(yè)地面的變化實(shí)現(xiàn)快速姿態(tài)調(diào)整，盡量縮短車身姿態(tài)調(diào)整過程中耗費(fèi)的時(shí)間。②輪式拖拉機(jī)作業(yè)過程中，需要克服由于作業(yè)坡地高低不平、障礙物多導(dǎo)致拖拉機(jī)輪胎受力不均的問題，有效避免輪式拖拉機(jī)構(gòu)件的磨損和變形。③在姿態(tài)調(diào)整過程中，盡量避免車輪懸空的情況，并減少對地面破壞，提高作業(yè)效率。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

如圖1所示，輪式丘陵山地拖拉機(jī)主要由電子控制單元ECU、智能方向盤、發(fā)動機(jī)、前驅(qū)裝置、后驅(qū)裝置、扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置等構(gòu)成。

在丘陵山地作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)前部的環(huán)境感知模塊對農(nóng)田邊緣、障礙物和地面起伏情況進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測信號實(shí)時(shí)傳送給ECU，ECU控制扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置工作，調(diào)節(jié)前、后驅(qū)動裝置擺動，通過姿態(tài)調(diào)整使拖拉機(jī)適應(yīng)丘陵山地作業(yè)環(huán)境，提高拖拉機(jī)的穩(wěn)定性。整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

1.3 拖拉機(jī)穩(wěn)定性

丘陵山地不易通行且工作環(huán)境復(fù)雜，為確保拖拉機(jī)能夠順利完成作業(yè)，需研究其通過穩(wěn)定性，為扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1.3.1縱向坡地

拖拉機(jī)的縱向穩(wěn)定性是指拖拉機(jī)在縱向坡地作業(yè)時(shí)不發(fā)生傾翻或滑移的能力[17]。拖拉機(jī)在縱向坡地作業(yè)時(shí)的受力情況如圖2所示。拖拉機(jī)沿著坡地的方向縱向低速行駛，不考慮速度的變化，將其認(rèn)定為勻速行駛，忽略空氣阻力的影響。

圖2 拖拉機(jī)縱向坡地受力圖Fig.2 Longitudinal slope force diagrams of tractor

圖2中，L為拖拉機(jī)的輪距；Fe為上坡受到的牽引力；Ff為車輪受到的滾動阻力；Fd為下坡時(shí)的制動力。對車輪與地面接觸點(diǎn)A進(jìn)行受力分析，點(diǎn)A力矩平衡，可得到

F1X+GHsinα-Glcosα=0

(1)

(2)

式中F1——地面對輪胎的反作用力，N

G——拖拉機(jī)整機(jī)重力，N

l——拖拉機(jī)質(zhì)心到點(diǎn)A的橫向距離，mm

H——拖拉機(jī)質(zhì)心到地面的垂直距離，mm

α——縱向斜坡角，(°)

X——反作用力到地面接觸點(diǎn)的距離，mm

分析式(2)，隨著斜坡角α的增大，F(xiàn)1逐漸向點(diǎn)A移動，當(dāng)F1移動到點(diǎn)A即作用于輪胎時(shí)，拖拉機(jī)會失去穩(wěn)定性，發(fā)生滑移側(cè)翻。因此，當(dāng)拖拉機(jī)在縱向坡作業(yè)時(shí)，防止發(fā)生側(cè)翻的條件為

(3)

(4)

1.3.2橫向坡地

拖拉機(jī)的橫向穩(wěn)定性是指丘陵山地拖拉機(jī)靜止在橫向坡地時(shí)不發(fā)生滑移失控和側(cè)翻的能力[17]，地面傾角是導(dǎo)致拖拉機(jī)側(cè)翻最主要因素。拖拉機(jī)靜止在橫向坡地時(shí)的受力情況如圖3所示。

圖3 拖拉機(jī)橫向坡地受力圖Fig.3 Transverse slope force diagram of tractor

圖3中，N1、N2分別為左右輪胎受到的地面支撐力；N3、N4分別為左右輪胎受到的靜摩擦力。對拖拉機(jī)左側(cè)輪胎與地面的接觸點(diǎn)C取力矩平衡方程，可得

GHsinβ+N2L-Glcosβ=0

(5)

式中β——橫向斜坡角，(°)

當(dāng)斜坡角β=0°時(shí)，拖拉機(jī)與地面水平，則N3=N4=0，將β=0°代入式(5)中，可得

(6)

拖拉機(jī)在地面支撐力的作用下保持穩(wěn)定，不會發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。

當(dāng)斜坡傾角β>0°時(shí)，拖拉機(jī)與水平面間存在角度，將β>0°代入式(5)中，可得

(7)

當(dāng)N2=0時(shí)，拖拉機(jī)右輪失去支撐力的作用，會發(fā)生側(cè)翻，此時(shí)維持拖拉機(jī)穩(wěn)定的最大地面傾角為

(8)

扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置的形狀和大小會影響拖拉機(jī)整機(jī)質(zhì)心的位置，當(dāng)H增大、l減小時(shí)，拖拉機(jī)作業(yè)的最大橫、縱向爬坡角都會減小，H與l過大或過小都不利于拖拉機(jī)坡地作業(yè)。本文所設(shè)計(jì)扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置會使拖拉機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而影響拖拉機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性。

2 姿態(tài)調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)拖拉機(jī)在丘陵山地作業(yè)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整要求，設(shè)計(jì)了一種扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置，并對其進(jìn)行工作原理分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丘陵山地拖拉機(jī)采用前后分段扭腰式柔性連接傳動系統(tǒng)布置方案，扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置布置于車身中部，可實(shí)現(xiàn)車身姿態(tài)扭擺，最大擺幅角為15°，提高整機(jī)穩(wěn)定性、通過性。扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置如圖4所示，包括過橋殼體、前橋殼體、擺動軸、扭腰調(diào)整油缸等，其實(shí)物圖如圖4d所示。

圖4 扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagrams of twisting and swinging attitude adjustment device1.前橋殼體 2.滾架 3.前驅(qū)動橋軸孔 4.搖擺軸孔 5.過橋殼體 6.擺動軸 7.連接銷軸 8.避讓凹口 9.扭腰調(diào)整拖動機(jī)構(gòu) 10.扭腰調(diào)整油缸 11.缸桿套裝孔 12.銷軸套 13.缸桿套裝部件 14.安裝座 15.前橋驅(qū)動軸 16.扭腰調(diào)整拖動槽

扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置用于調(diào)整前橋殼體與過橋殼體之間的扭動，該裝置包括與過橋殼體連接的滾架和兩個相對設(shè)置的安裝座，扭腰調(diào)整油缸連接在過橋殼體與滾架之間，通過左、右擺電磁換向閥與三位四通扭腰電磁總控閥并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動；扭腰調(diào)整油缸的缸桿分別固定安裝在兩個安裝座之間，缸套兼做扭腰調(diào)整拖動機(jī)構(gòu)并與滾架連接；避讓凹口與扭腰調(diào)整拖動槽(缸桿套裝孔與扭腰調(diào)整拖動機(jī)構(gòu)平行設(shè)置的U型槽)安裝有連接銷軸，其外周活動套裝有銷軸套，銷軸套兩端分別固定連接在避讓凹口的兩側(cè)壁上，并設(shè)于扭腰調(diào)整拖動槽內(nèi)且外壁與扭腰調(diào)整拖動機(jī)構(gòu)固定連接，最大轉(zhuǎn)動角為15°。

2.2 姿態(tài)調(diào)整裝置工作原理

當(dāng)拖拉機(jī)在丘陵山地作業(yè)時(shí)，環(huán)境感知模塊將監(jiān)測到的路面障礙傳遞給電子控制單元ECU，ECU連接扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置，通過控制扭腰調(diào)整油缸與滾架的配合使用，前橋殼體隨著油缸運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)扭腰姿態(tài)調(diào)整。不同狀態(tài)下扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置位置變化如圖5所示。

圖5 不同狀態(tài)下扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置位置Fig.5 Position of twisting and swinging attitude adjustment device under different conditions

如圖5a所示，在非扭腰狀態(tài)下，扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，扭腰調(diào)整油缸處于中位；如圖5b所示，當(dāng)前輪通過障礙物時(shí)，滾架在扭腰調(diào)整油缸的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而帶動前驅(qū)裝置發(fā)生轉(zhuǎn)動；如圖5c所示，當(dāng)后輪通過障礙物時(shí)，過橋殼體帶動后驅(qū)動裝置繞擺動軸發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動。前、后驅(qū)動裝置在不同狀態(tài)下繞擺動軸轉(zhuǎn)動都可以增加前后輪與地面的接觸面積，提高拖拉機(jī)的穩(wěn)定性。

拖拉機(jī)后驅(qū)裝置扭腰擺動狀態(tài)如圖6所示。拖拉機(jī)在平地行駛時(shí)前橋殼體與過橋殼體處于同一水平，二者剛性連接；當(dāng)拖拉機(jī)后輪的一側(cè)通過障礙時(shí)，在扭腰調(diào)整油缸的作用下，過橋殼體相對前橋殼體繞擺動軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得后驅(qū)裝置相對于前驅(qū)裝置轉(zhuǎn)動一定角度，最大轉(zhuǎn)動角為15°。

圖6 后驅(qū)裝置扭腰擺動狀態(tài)Fig.6 Swinging of rear drive device

3 輪式拖拉機(jī)多工況動力學(xué)仿真

為了探究姿態(tài)調(diào)整裝置對丘陵山地拖拉機(jī)穩(wěn)定性的影響，建立了輪式丘陵山地拖拉機(jī)約束模型，如圖7所示，并進(jìn)行了扭腰姿態(tài)裝置工作仿真試驗(yàn)及拖拉機(jī)在越障路面、橫縱向坡路等多工況下動力學(xué)仿真試驗(yàn)。賦予模型部件相應(yīng)材料與密度，添加輪胎驅(qū)動力與接觸力，在扭腰裝置處添加旋轉(zhuǎn)副和扭簧(Torsion spring)，對仿真結(jié)果不產(chǎn)生影響的部件均用固定副相連。

圖7 輪式丘陵山地拖拉機(jī)約束模型Fig.7 Constraint model of wheeled hilly tractor

3.1 扭腰裝置工作過程仿真

將扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置單獨(dú)仿真，模擬轉(zhuǎn)動時(shí)的工作狀態(tài)，仿真過程如圖8所示。

圖8 扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置仿真過程Fig.8 Simulation of twisting and swinging attitude adjustment device

圖9 扭腰裝置仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of twisting device

仿真結(jié)果如圖9所示，液壓油缸向右移動帶動扭腰裝置右扭腰，到達(dá)極限位置時(shí)轉(zhuǎn)動的最大角度為15.2°，符合設(shè)計(jì)要求。在液壓缸工作行程最大時(shí)，扭腰裝置轉(zhuǎn)動角度也是最大，隨著油缸向左運(yùn)動，扭腰裝置逐漸回到初始位置。

3.2 坡度穩(wěn)定性仿真

3.2.1坡地模型建立

丘陵山地多為坡地，拖拉機(jī)在坡地穩(wěn)定地行駛與作業(yè)是保證拖拉機(jī)安全性的一個重要前提[18-19]。建立一個面積較大的平臺來模擬坡地，在地面的不同位置添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動來模擬地面角度的變化，在仿真過程中形成不同角度的縱向坡與橫向坡路面，整體模型如圖10所示。

圖10 坡地路面仿真Fig.10 Simulation of slope road

3.2.2縱向坡度與橫向坡度穩(wěn)定性仿真

在進(jìn)行坡度穩(wěn)定性仿真時(shí)，拖拉機(jī)剛開始出現(xiàn)滑移或傾翻的瞬間為拖拉機(jī)失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，此時(shí)坡地角即為該拖拉機(jī)的坡地最大穩(wěn)定角[20]，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 坡度與模型重心位置關(guān)系曲線Fig.11 Relationship lines between slope and model center of gravity

由圖11a可知，隨著縱向坡度的增大，Y軸方向的位移呈線性增加；當(dāng)?shù)孛嫫露瘸^23.2°時(shí)，拖拉機(jī)重心下降，此時(shí)拖拉機(jī)出現(xiàn)了滑移，這表明拖拉機(jī)在縱向坡地保持穩(wěn)定的最大穩(wěn)定角為23.2°。

由圖11b可知，隨著橫向坡度的增加，拖拉機(jī)在X軸方向的位移無變化，拖拉機(jī)正常直線行駛，當(dāng)坡度超過16.8°時(shí)，拖拉機(jī)在橫向上產(chǎn)生位移，出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，這表明拖拉機(jī)在橫向坡地保持穩(wěn)定的最大穩(wěn)定角為16.8°。

通過仿真丘陵山地拖拉機(jī)在不同坡度的運(yùn)動情況可知，拖拉機(jī)縱向坡行駛保持穩(wěn)定的最大傾角為23.2°，橫向坡行駛保持穩(wěn)定的最大傾角為16.8°，滿足使用要求。

3.3 車輛行駛動力學(xué)仿真

3.3.1水平越障仿真

水平越障仿真是指模擬拖拉機(jī)在行駛時(shí)通過不同障礙時(shí)的運(yùn)動情況，圖12為水平障礙路面。

圖12 水平越障路面Fig.12 Road of horizontal obstacle

(1)非扭腰狀態(tài)

將拖拉機(jī)的扭腰裝置關(guān)閉，車身變?yōu)閯傂赃B接，前后無法發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，圖13為拖拉機(jī)行駛過程中4個輪胎的受力情況，由于無法發(fā)生轉(zhuǎn)動，車輛在行駛過程中當(dāng)1個輪胎通過障礙時(shí)，另外3個輪胎總會存在離地的情況，輪胎不受力致使拖拉機(jī)抓地力不足，行駛作業(yè)不穩(wěn)定，可能引起拖拉機(jī)傾翻，存在安全隱患。

圖13 輪胎受力變化曲線Fig.13 Curves of tire force

(2)扭腰狀態(tài)

將拖拉機(jī)的扭腰裝置打開，拖拉機(jī)車身變?yōu)槿嵝赃B接，前后車身可以相對轉(zhuǎn)動，扭腰裝置轉(zhuǎn)動角的仿真結(jié)果如圖14所示。從車輛前進(jìn)方向看，當(dāng)拖拉機(jī)在越障路面作業(yè)，車輪經(jīng)過不同的障礙，扭腰裝置會轉(zhuǎn)動不同角度來適應(yīng)路面的起伏變化，始終保持車輪與地面接觸，避免出現(xiàn)輪胎懸空的情況，保證了拖拉機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性。

圖14 扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動角變化曲線Fig.14 Rotation angle change curves of twisting and swinging attitude adjustment device

3.3.2縱向坡行駛穩(wěn)定性仿真

建立一個20°的縱向坡度路面，使得路面與拖拉機(jī)模型處于合適的位置，如圖15所示。

圖15 縱向上坡路面Fig.15 Longitudinal uphill road

對拖拉機(jī)上坡行駛穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖16所示。

圖16 縱向上坡穩(wěn)定性仿真結(jié)果Fig.16 Simulation results of longitudinal uphill stability

在20°的縱向斜坡行駛，拖拉機(jī)4個輪胎受到的摩擦力較為均勻，保證了拖拉機(jī)能夠穩(wěn)定直線行駛；從車輛前進(jìn)方向看，在橫向上拖拉機(jī)重心無位移變化，在垂向和縱向上，車輛重心位移隨時(shí)間變化為直線上升且保持此趨勢不變，表明拖拉機(jī)在20°縱向坡上未出現(xiàn)側(cè)翻或滑移，能夠穩(wěn)定正常作業(yè)。

對拖拉機(jī)下坡行駛進(jìn)行仿真分析，下坡路面模型如圖17所示。

圖17 縱向下坡路面Fig.17 Longitudinal downhill road

仿真結(jié)果如圖18所示，拖拉機(jī)在20°的縱向斜坡下坡過程中，由于重力勢能轉(zhuǎn)換為車輛的動能，拖拉機(jī)速度有所提升，但維持在一定范圍之內(nèi)，車輛重心位移在垂向和縱向上隨時(shí)間直線下降且保持此趨勢不變，表明拖拉機(jī)能夠平穩(wěn)地下坡。

圖18 縱向下坡穩(wěn)定性仿真結(jié)果Fig.18 Simulation results of longitudinal downhill stability

3.3.3橫向坡行駛穩(wěn)定性仿真分析

建立一個坡度為15°的橫向坡路面，路面與車輛模型如圖19所示。對拖拉機(jī)行駛穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖20所示。

圖19 橫向坡路面Fig.19 Transverse slope road

圖20 橫向坡穩(wěn)定性仿真結(jié)果Fig.20 Simulation results of lateral slope stability

拖拉機(jī)在15°的橫向斜坡行駛過程中受到的摩擦力較為均勻；從車輛前進(jìn)方向看，在橫向與垂向上拖拉機(jī)重心無位移變化，在縱向上，車輛重心位移隨時(shí)間變化直線下降并保持此趨勢不變，表明拖拉機(jī)未在15°橫向坡上出現(xiàn)側(cè)翻或滑移，能夠穩(wěn)定直線作業(yè)。

3.3.4轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)定性仿真分析

圖21為拖拉機(jī)在行駛過程中轉(zhuǎn)向工況下的運(yùn)動軌跡。

圖21 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向行駛路線Fig.21 Steering route of tractor

本次仿真拖拉機(jī)兩前輪之間存在轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。仿真結(jié)果如圖22所示，拖拉機(jī)在左轉(zhuǎn)過程中，右前輪的轉(zhuǎn)速明顯高于左前輪，受到的振動比較明顯，其他3個輪胎的受力較為均勻。拖拉機(jī)向左轉(zhuǎn)，質(zhì)心向左偏移，速度平穩(wěn)，這表明拖拉機(jī)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

圖22 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性仿真結(jié)果Fig.22 Simulation results of steering stability

4 田間試驗(yàn)

2020年6月與12月分別在山東五征集團(tuán)有限公司和中國一拖孟津崔溝試驗(yàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。整機(jī)試驗(yàn)性能按照Q/1121LWZ056—2020《丘陵山地扭腰輪式拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件》、GB/T 3871.1—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程 第1部分：通用要求》進(jìn)行。

4.1 扭腰裝置擺動試驗(yàn)

為檢驗(yàn)扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置的實(shí)際轉(zhuǎn)動角，進(jìn)行了扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置的擺動試驗(yàn)，如圖23所示。

圖23 扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置擺動試驗(yàn)Fig.23 Swing test of twisting and swinging attitude adjustment device

將扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置整體置于臺架上，并將前橋殼體安全固定，推動油缸使扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置處于左右兩端極限位置，用記號筆標(biāo)記，進(jìn)行角度測量和記錄，左右各重復(fù)10次試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，扭腰裝置平均轉(zhuǎn)動角為15.03°，結(jié)果符合要求。

表3 扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動角Tab.3 Rotation angle of twisting and twisting attitude adjustment device (°)

4.2 田間適應(yīng)性試驗(yàn)

對拖拉機(jī)行駛速度、轉(zhuǎn)彎半徑、最大爬坡角等指標(biāo)進(jìn)行檢測，如圖24所示。對各項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)5次試驗(yàn)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理取平均值，結(jié)果如表4所示。

圖24 指標(biāo)測量試驗(yàn)Fig.24 Index measurement test

由試驗(yàn)結(jié)果可知，扭腰輪式丘陵山地拖拉機(jī)最大縱向爬坡角為25.6°，最大橫向爬坡角為16.2°，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

耕地作業(yè)試驗(yàn)于2020年12月在孟津崔溝試驗(yàn)場進(jìn)行。在坡度為15°的地面上分別進(jìn)行50 h旋耕作業(yè)(1GQN-40型旋耕機(jī))和50 h犁耕作業(yè)(1LF-235型犁耕機(jī))，如圖25所示，耕地作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of field experiment

圖25 耕地作業(yè)試驗(yàn)Fig.25 Farming operations

試驗(yàn)結(jié)果表明，旋耕作業(yè)平均生產(chǎn)率為0.65 hm2/h，犁耕作業(yè)平均生產(chǎn)率為0.36 hm2/h，二者均滿足丘陵山地作業(yè)需求。

表5 耕地作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of farming operations

5 結(jié)論

(1)結(jié)合丘陵山地對拖拉機(jī)的姿態(tài)調(diào)整要求，設(shè)計(jì)了一種扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置，該裝置由滾架、前橋殼體、過橋殼體、液壓油缸等組成，能夠調(diào)節(jié)拖拉機(jī)前后車身的相對轉(zhuǎn)動，提高作業(yè)穩(wěn)定性。

(2)對扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真及扭腰輪式拖拉機(jī)多工況動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明，扭腰姿態(tài)調(diào)整裝置最大轉(zhuǎn)動角為15.2°；拖拉機(jī)縱向坡行駛保持穩(wěn)定的最大傾角為23.2°，橫向坡行駛保持穩(wěn)定的最大傾角為16.8°；拖拉機(jī)在通過不同障礙時(shí)能夠進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，保持車輛穩(wěn)定行駛。

(3)扭腰輪式拖拉機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，拖拉機(jī)的行駛速度為0～40 km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑為3 774 mm，最大縱向爬坡角度為25.6°，最大橫向爬坡角度為16.2°，旋耕作業(yè)平均生產(chǎn)率為0.65 hm2/h，犁耕作業(yè)平均生產(chǎn)率為0.36 hm2/h，該拖拉機(jī)能夠滿足丘陵山地正常作業(yè)需求。