基于Simulink 的自動化農(nóng)業(yè)機械底盤設(shè)計*

梁 堃

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學院，寧夏 銀川 750021）

在特殊地形農(nóng)業(yè)作業(yè)活動中，不僅要強化農(nóng)機行動的適應性，也要考慮因底盤受力及運動引發(fā)的底盤穩(wěn)定性問題，由此使農(nóng)機底盤更為可靠。特殊地形農(nóng)業(yè)作業(yè)需要轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活、底盤距地面高的四輪底盤。為解決農(nóng)機底盤問題，不僅要考慮轉(zhuǎn)向，也需要關(guān)注離地間隙以及控制適應性[1]。目前，關(guān)于農(nóng)機底盤的研究較多，但設(shè)計出的機械底盤轉(zhuǎn)向仍然采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)彎形式，未能實現(xiàn)地形高適應性以及有效小半徑轉(zhuǎn)彎等要求[2]。因此，結(jié)合特殊地形運動路徑與轉(zhuǎn)向等要求，課題組設(shè)計出一種自動化農(nóng)機機械底盤，其采用前橋擺轉(zhuǎn)驅(qū)動，在農(nóng)業(yè)作業(yè)時可轉(zhuǎn)“U”形彎，掉頭后進入下一小塊田地，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作便捷、轉(zhuǎn)彎半徑較小等優(yōu)勢。通過Simulink 對底盤前橋、后橋與整體進行受力仿真分析，并對機械底盤進行局部優(yōu)化，從而減少作用力對機械底盤的影響，對農(nóng)機部件現(xiàn)代化設(shè)計具有積極意義。

1 底盤整體結(jié)構(gòu)與工作原理

自動化機械底盤由車輪、馬達、電磁閥、發(fā)動機等部件組成，如圖1 所示。兩側(cè)各安裝兩輪，四輪均配置馬達。左前輪馬達與右前輪馬達經(jīng)串聯(lián)并入油路，后輪油路與前輪油路通過并聯(lián)連在一起，前驅(qū)動輪的馬達負責提供機械底盤的前進動力[3]。當機械底盤轉(zhuǎn)向時，前橋驅(qū)動輪停止轉(zhuǎn)動，另一側(cè)繼續(xù)運動，讓前橋圍繞已經(jīng)停止的驅(qū)動輪進行擺轉(zhuǎn)，由此帶動連接后橋的機架轉(zhuǎn)動[4]。為了能讓底盤在特殊地形中穩(wěn)定運動，應保持四輪始終同時接觸地面，對此可在前橋與機架中部將轉(zhuǎn)向軸放于浮動軸中，從而實現(xiàn)既可轉(zhuǎn)向又能浮動的目的。

圖1 自動化機械底盤整體結(jié)構(gòu)

2 底盤轉(zhuǎn)向優(yōu)化

2.1 轉(zhuǎn)向干擾

為了驗證底盤在轉(zhuǎn)“U”形彎時前橋與后橋機架是否存在干擾，引入算法對機械底盤機架進行綜合分析。p表示前橋與機架的轉(zhuǎn)向點，c1、c2、c3、c4為機架外廓點，a表示前輪內(nèi)側(cè)點，b表示前輪外側(cè)點，w1表示機架前端寬度，t表示前輪的輪距，d表示前輪的直徑，l1表示轉(zhuǎn)向點距機架后端長度，w2表示前輪的輪寬，l2表示前橋距車架的長度。

底盤機架結(jié)構(gòu)沖突如圖2 所示，位于c1、c2、c3、c4的端點與前輪外側(cè)點最容易出現(xiàn)干擾，為了在轉(zhuǎn)向過程中前橋能穩(wěn)定通過o，應增大pa，減小pb。分析后可知，當前輪的輪距t與前輪的直徑d保持一定時，為了讓pa增大，pb應盡量減小。所以，在設(shè)計過程中應盡量減小前橋與機架的間隔長度。

圖2 底盤機架結(jié)構(gòu)沖突

2.2 前橋與后橋受力

采用Simulink 對前橋進行受力分析，如圖3 所示。圖3 中①處放置發(fā)動機等核心部件，負重60 kg，形變量最大處位于驅(qū)動橋中部，最大形變量約為0.83 mm；最大受力為20 MPa~30 MPa，常常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向軸兩側(cè)部位。

圖3 前橋受力分析

為減少轉(zhuǎn)向時前輪對后橋的干擾，在設(shè)計時對后橋進行受力分析，如圖4 所示。①區(qū)域駕駛?cè)藛T體重設(shè)為80 kg，②區(qū)域與③區(qū)域放置發(fā)動機、電磁閥、油箱等部件，整體質(zhì)量設(shè)為70 kg，④區(qū)域為水冷設(shè)備位置，質(zhì)量設(shè)為20 kg。圖中分析后可知，后橋在負重后產(chǎn)生的受力最大處應在駕駛?cè)藛T附近，該處形變量與人員體重有直接關(guān)系，此時最大受力約為23 MPa。

圖4 后橋受力分析

2.3 整體受力

機械底盤在負重后產(chǎn)生的最大受力一般集中在前橋及與前橋連接的承壓處，為10 MPa~20 MPa。所以，應使用厚度大于12 mm 的方鋼制作前橋，并對前橋轉(zhuǎn)向管附近的配件進行標準分配[5]。在負重作用下，機械底盤最大形變處位于電磁閥與油缸的連接處，此時最大形變量為0.5 mm~1.2 mm。

2.4 結(jié)構(gòu)調(diào)整

前橋主要承受轉(zhuǎn)向裝置與發(fā)動機的壓力[6]。在受力分析后可知，前橋及與前橋連接的承壓板出現(xiàn)形變。為了使前橋在運動時更為穩(wěn)定，可將水冷與控制系統(tǒng)安裝于連接處后部，以此平衡發(fā)動機的重量。對后期受力與形變分析后可知，在不改變前橋轉(zhuǎn)向時，可通過調(diào)整機械底盤承受力，減少機架形變，延長使用時長，從而讓機械底盤更為耐用。

3 參數(shù)設(shè)計

機械底盤由多個零部件組成，通過參數(shù)設(shè)計對機械底盤零部件進行建模，從而為仿真實驗提供可行性[7]。在參數(shù)設(shè)計時，首先，應分析需要進行建模的零部件結(jié)構(gòu)，同時做好層次區(qū)分；其次，要繪制核心特征，使用宏代碼操作[8]。如果缺少宏文件記錄，那么可調(diào)用相關(guān)API 參數(shù)。零部件文件創(chuàng)建后可調(diào)用草圖命令與特征管理器，以機械底盤零部件為例，具體參數(shù)可表示為：

ActivateDoc“機械底盤”，F(xiàn)alse，longsta-tus//新建底盤零部件

Set Part=swApp.ActiveDoc//新建窗口

Dim myModelView As Object Part.InsertSketch2 ture//繪制草圖

Part. CreateCircle 0,0,dl,0,0//特征管理器

False,0,0,False,False,1,1,0,0,False//拉伸特征

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2//建立基準

Dim myRefPlane As Object

基準創(chuàng)建后，可通過一系列參數(shù)程序?qū)ο嚓P(guān)部位進行調(diào)整，從而開始進行仿真實驗。

4 仿真實驗

在Simulink 平臺上進行模擬實驗，讓發(fā)動機始終以恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動，使機械底盤在直線勻速行駛，并對底盤驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速進行記錄。

4.1 軌跡實驗

確定行駛平穩(wěn)后，每隔固定距離放置藍色標記作為取樣點，記錄機械底盤直線與轉(zhuǎn)彎過程的清晰軌跡，通過測量壓痕的位置距離確定底盤驅(qū)動輪各時間的坐標，得出運動直線度[9]。通過對有無人乘坐的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)機械底盤在平穩(wěn)路面達到設(shè)計要求的直線度，同時不受負重影響。

4.2 液壓實驗

測試機械底盤在各條件下馬達的輸入壓力、流量變化情況。固定油門線，選取運動速度1 km/h、2 km/h、3 km/h，對機械底盤進行運動測試，在Simulink 平臺上實時測量液壓系統(tǒng)的壓力與流量。Simulink 具有數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)進行特性分析，液壓實驗傳感器安裝形式如圖5 所示。右前輪馬達I的輸入壓力由傳感器①進行測量；左前輪馬達Ⅱ的輸入壓力由傳感器②進行測量；左后輪馬達Ⅲ的輸入壓力由傳感器④進行測量；右后輪馬達Ⅳ的輸入壓力由傳感器⑤進行測量。傳感器③的壓力為馬達Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的輸出壓力。

圖5 液壓傳感器安裝形式

流量要大于15 L/min 才可確保實驗數(shù)據(jù)的準確，啟動時馬達壓力快速升至最高峰值[10]。在這之中，左前輪馬達Ⅱ、左后輪馬達Ⅲ、右后輪馬達Ⅳ壓力的最高峰值為6.5 MPa，右前輪馬達I 壓力的最高峰值為6 MPa，待啟動5 s后進入穩(wěn)定狀態(tài)，馬達平穩(wěn)運動壓力檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 馬達平穩(wěn)運動壓力檢測

后橋馬達輸入壓力基本保持在2 MPa 左右，左前輪馬達Ⅱ的輸入壓力在0.43 MPa 波動，右前輪馬達I的輸入壓力在0.45 MPa 波動，馬達壓力變化基本一致，如圖6 所示。壓力實驗表明，底盤運動過程中的壓力變化較為穩(wěn)定，啟動與停止時受力也在控制范圍內(nèi)。由此可知，機械底盤液壓驅(qū)動可滿足運動需求。

圖6 馬達壓力變化趨勢

5 結(jié)語

綜上，根據(jù)轉(zhuǎn)向原理，對機械底盤結(jié)構(gòu)進行干擾檢測，確定其整體結(jié)構(gòu)是否合理。在前橋、后橋及整體進行受力分析后，增加后橋連接，調(diào)整后的機械底盤與之前相比，在負重受力及形變方面均得到有效改善，優(yōu)化了底盤穩(wěn)定性，能夠滿足現(xiàn)實工作強度要求。通過Simulink 平臺實驗，機械底盤在平穩(wěn)路況下無論是否有人乘坐均可保持較高的運動直線度，偏離率較低，能夠滿足直線度要求。機械底盤可進行大幅度轉(zhuǎn)向，能夠轉(zhuǎn)入相鄰位置。在液壓實驗中，左前輪與右前輪輸出一致，左后輪與右后輪輸出一致，表明設(shè)計的機械底盤可有效滿足運動穩(wěn)定要求，對于提升農(nóng)機工作效率具有積極意義。