高地隙可調(diào)節(jié)底盤噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

朱洋洋,桑永英,胡敏英,譚文豪,申 楷

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001)

0 引言

近年來,隨著我國農(nóng)業(yè)種植發(fā)展,玉米逐漸成為我國面積種植最大的農(nóng)作物之一。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2017年我國玉米種植面積3 545萬hm2,玉米產(chǎn)量達(dá)21 589萬t[1];但是我國玉米作物植保技術(shù)發(fā)展仍然不夠完善,仍然有很高的提升空間[2]。在國外,玉米植保技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟,約翰迪爾、哈迪和凱斯等公司的技術(shù)水平已經(jīng)走在前列。

國內(nèi)自走式高地隙噴霧機(jī)多為小型機(jī)械為主,新疆和東北地區(qū)部分使用大型自走式噴灑機(jī)械,而華北地區(qū)仍需要使用相對小型植保機(jī)械。國內(nèi)小型自走式高地隙噴霧機(jī)一般都為固定高度,少數(shù)可實(shí)現(xiàn)輪距調(diào)節(jié),因此研發(fā)自走式高地隙底盤可調(diào)節(jié)噴霧機(jī)[3]具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

玉米整個(gè)生長階段都需要植物保護(hù),針對不同地方玉米種植的行距不同,本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)地隙高低可調(diào)和輪距可調(diào)的噴霧機(jī)[4]。

自走式高地隙底盤地隙高低調(diào)節(jié)范圍為1 200～1 600mm,可滿足玉米前中后期植保要求;輪距調(diào)節(jié)范圍1 600～2 000mm可滿足行距在400～600mm范圍之內(nèi)的玉米種植要求[5]。農(nóng)業(yè)植保機(jī)械對于動(dòng)力要求相對較為嚴(yán)格,因此本植保機(jī)械采用四輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中,前后輪共同采用可伸縮立軸豎直動(dòng)力傳遞,轉(zhuǎn)向分為四輪轉(zhuǎn)向和手動(dòng)控制兩輪轉(zhuǎn)向兩種形式,通過電推桿控制噴桿的升降與噴桿臂的折疊,實(shí)現(xiàn)噴藥桿的收放過程。

1.2 整體設(shè)計(jì)

自走式高地隙底盤可調(diào)節(jié)噴霧機(jī)由藥箱、駕駛部位、液壓轉(zhuǎn)向裝置[6]、傳動(dòng)裝置和底盤豎直升降裝置組成,如圖1所示[7]。其中,藥箱置于車架后部,駕駛部位位于底盤中間部位,發(fā)動(dòng)機(jī)位于車架最前端,變速箱位于發(fā)動(dòng)機(jī)后部,噴桿位于車架后端[8]。

1.藥箱 2.駕駛室 3.動(dòng)力組成 4.車架 5.轉(zhuǎn)向桿 6.升降液壓缸 7.輪胎 8.藥架圖1 自走式高地隙底盤可調(diào)節(jié)噴霧機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of self-propelled high clearance chassis adjustable sprayer。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 底盤升降調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)

自走式高地隙噴霧機(jī)采用4個(gè)同步液壓缸豎直升降結(jié)構(gòu),各液壓缸與動(dòng)力傳遞平行布置,如圖2所示。

1.升降立柱 2.升降液壓缸圖2 自走式可調(diào)底盤液壓升降部分結(jié)構(gòu)Fig.2 Self-propelled adjustable chassis hydraulic lifting part structure。

動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)由升降立管及可伸縮傳動(dòng)立軸組成,液壓缸升起時(shí)升降立管與液壓缸同步升起,升降立管與可伸縮立軸一端連接,立管的升降帶動(dòng)可伸縮立軸上下伸縮不影響動(dòng)力的傳遞。其底盤升降結(jié)構(gòu)簡單但整套液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在原有最低車架高度1 200mm基礎(chǔ)上可再升高400mm[9]。

2.2 輪距調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)

輪距調(diào)節(jié)采用兩個(gè)水平放置的液壓缸。自走式高地隙噴藥機(jī)采用可伸縮式車橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。液壓缸在車橋一側(cè)固定,通過液壓缸立柱推動(dòng)另外一側(cè)車橋移動(dòng),來實(shí)現(xiàn)輪距大小范圍的調(diào)節(jié),如圖3所示。

1.升降立柱 2.輪距調(diào)節(jié)伸縮梁1 3.液壓缸 4.伸縮梁2圖3 自走式可調(diào)底盤輪距伸縮調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Self-propelled adjustable chassis wheel base stretching adjustment structure。

輪距調(diào)節(jié)的正常伸縮設(shè)計(jì)時(shí),需考慮伸縮梁1與伸縮梁2之間的具有一定的間隙且伸縮梁必須滿足強(qiáng)度與剛度的需求,材料選取Q235,以保證前后伸縮梁可承載底盤以上所有重力[10]。

2.3 整體動(dòng)力傳遞設(shè)計(jì)

動(dòng)力組成是自走式高地隙噴藥機(jī)的重要組成部分。動(dòng)力通過發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給變速箱和液壓油泵,變速箱再進(jìn)行動(dòng)力傳遞與分配。液壓泵為液壓系統(tǒng)提供能量[11],變速箱則是自走式高地隙噴藥機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分。變速箱經(jīng)過速度轉(zhuǎn)換分別把動(dòng)力傳遞給前后車前的差速器(即行走部分),完成動(dòng)力的傳遞過程,如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞示意圖Fig.4 Power transmission diagram of the engine。

2.4 三維建模

利用SolidWorks軟件建立自走式高地隙可調(diào)節(jié)底盤噴霧機(jī)模型,底盤可調(diào)節(jié)車架由底盤升降調(diào)節(jié)、輪距調(diào)節(jié)組成。建立各部分樣機(jī)模型進(jìn)行裝配與約束在一起完成底盤機(jī)架的總體設(shè)計(jì)三維虛擬樣機(jī),如圖5所示。

圖5 自走式可調(diào)節(jié)底盤車架三維圖Fig.5 Three-dimensional diagram of self-propelled adjustable chassis frame。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 縱向穩(wěn)定性分析

3.1.1 發(fā)生傾覆條件

自走式高地隙噴藥機(jī)行駛在田間或路面的坡道時(shí)易容易發(fā)生傾覆滑移。由于低速行駛,忽略慣性阻力、空氣阻力和滾動(dòng)阻力,利用理論力學(xué)靜力學(xué)方程對縱向側(cè)翻和縱向滑移進(jìn)行分析[12],如圖6所示。

圖6 縱向穩(wěn)定性分析圖Fig.6 Longitudinal stability analysis diagram。

當(dāng)自走式高地隙噴霧機(jī)發(fā)生傾覆時(shí),臨界方程為

F1l2-F2h=0

(1)

Gcosθl2-Gsinθh=0

(2)

(3)

其中,G為重力;Gsinθ與Gcosθ分別為重力分力;θ為G與Gcosθ夾角;F2與F1分別為前后輪摩擦力;Fn2與Fn1分別為前后輪支持力。

由上述公式可以得出:發(fā)生傾覆的極限條件是縱向坡道角度小于發(fā)生傾覆極限條件的角度時(shí)可正常行駛;發(fā)生傾覆角度與l2和h有關(guān),l2表示后軸心到重心的距離,h表示重心距離斜面高度。

1)當(dāng)h一定時(shí),l2越小θ越小越穩(wěn)定;

2)當(dāng)l2一定時(shí),h越小θ越小越穩(wěn)定。

3.1.2 發(fā)生滑移條件

當(dāng)自走式高地隙噴霧機(jī)沿斜坡發(fā)生滑移時(shí),臨界條件極限方程為

Gsinθ-Gkμ=0

(4)

(5)

(6)

式中Gk—前后驅(qū)動(dòng)載荷(N);

μ—路面附著系數(shù)。

由以上公式可得:縱向坡道角度小于發(fā)生斜坡縱向滑移的極限時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象,發(fā)生滑移極限角度與重心高度、重心距離前輪軸的距離及整車的輪距有關(guān)系。

3.2 橫向行駛穩(wěn)定性計(jì)算分析

自走式高地隙噴藥機(jī)田間行駛時(shí)急易發(fā)生單側(cè)傾斜,即左右車身不在同一水平面上,易發(fā)生橫向側(cè)翻與橫向滑移。由于低速行駛將忽略慣性阻力、空氣阻力和滾動(dòng)阻力,利用理論力學(xué)靜力學(xué)方程對橫向側(cè)翻和橫向滑移進(jìn)行分析[13],如圖7所示。

圖7 橫向行駛穩(wěn)定性分析圖Fig.7 Lateral driving stability analysis diagram。

Fn1、Fn2分別為地面對車架的支持力;F1、F2分別為下滑阻力;l3為重心到左側(cè)支腿的距離;h為重心高度;Gsinθ與Gcosθ平行斜面的分力。

3.2.1 發(fā)生橫向側(cè)翻條件

當(dāng)發(fā)生橫向側(cè)翻時(shí),高側(cè)車輪的法向作用力和切向反作用力為零,自走式噴霧機(jī)將沿著低側(cè)車輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)臨界條件時(shí),極限方程為

Gsinθ×h-Gcosθ×l3

(7)

(8)

其中,l3為噴霧機(jī)重心到一側(cè)輪胎的距離(mm);h為重心到地面的距離(mm)。

由公式可知:當(dāng)斜坡的角度小于橫向極限條件時(shí),自走式高地隙噴藥機(jī)可以正常行駛;橫向穩(wěn)定性與機(jī)車的重心位置高低和車的輪距大小有關(guān),輪距越大,重心越低,橫向穩(wěn)定性越好。

3.2.2 橫向滑移條件

當(dāng)發(fā)生橫向滑移時(shí)臨界條件時(shí),極限平衡方程為

Gcosθμ′-Gsinθ=0

(9)

i2=arctanμ′

(10)

式中μ′—路面與橡膠輪胎的動(dòng)摩擦系數(shù)。

由公式知:當(dāng)斜坡傾角小于極限坡度角時(shí),自走式高地隙噴藥機(jī)可穩(wěn)定行駛;極限坡度角的大小與輪胎與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ′有關(guān)。

整個(gè)自走式高地隙噴藥機(jī)中重心始終不變,縱向穩(wěn)定性相比橫向更容易發(fā)生側(cè)翻與滑移,輪距一般小于重心高度,即2l3

4 Adams穩(wěn)定性分析

4.1 自走式高地隙仿真模型的建立及底盤預(yù)處理

在SolidWorks三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化去掉不必要零部件,在模型導(dǎo)入前先進(jìn)性極端處理,即調(diào)整底盤最高輪距最窄狀態(tài),再次對實(shí)體模塊進(jìn)行連接重組,保存為X_T格式,導(dǎo)入在Adams中進(jìn)行接觸配合與仿真運(yùn)動(dòng)[14]。

4.2 參數(shù)設(shè)置

把整個(gè)底盤模型實(shí)體與路面導(dǎo)入Adams View中,對各個(gè)零部件添加對應(yīng)材料、運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)及零部件接觸[15]。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在驅(qū)動(dòng)力的作用下勻角速旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)速度為2.0d×time。為了便于分析研究模擬翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)翻轉(zhuǎn),設(shè)置終止時(shí)間為2s、步數(shù)為100步。

4.3 滿載工況可調(diào)節(jié)自走式底盤機(jī)架仿真分析

滿載工況下,對自走式高地隙可調(diào)節(jié)底盤噴霧機(jī)工作時(shí)橫向側(cè)翻傾角分析。由于簡化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?因此需要在模型上添加對應(yīng)均勻載荷[16],車架平臺(tái)以上滿載負(fù)荷12 000N。載荷需要平均分配到4個(gè)支撐面上,各3 000N。

設(shè)置走式高地隙可調(diào)節(jié)底盤噴霧機(jī)與旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為接觸配合,在對應(yīng)參數(shù)中添加庫倫摩擦力。庫倫摩擦力對應(yīng)參數(shù)計(jì)算有剛度、力指數(shù)、阻尼、穿透深度、庫倫摩擦力等,查閱文獻(xiàn)計(jì)算添加對應(yīng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與自走式可調(diào)節(jié)底盤二維模擬翻轉(zhuǎn)圖如圖8所示。

1.自走式高地隙可調(diào)節(jié)車架 2.翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 3.模擬地面平臺(tái)圖8 側(cè)傾示意圖Fig.8 lateral inclination diagram。

圖8中,∠ABC代表大地與翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的角度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在設(shè)定翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行旋轉(zhuǎn),點(diǎn)A為地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最右側(cè)點(diǎn),B為最左側(cè)點(diǎn),C點(diǎn)選擇為反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下側(cè)最右側(cè)角點(diǎn),D點(diǎn)選擇翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最左側(cè)角點(diǎn),F點(diǎn)選擇翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上側(cè)最右側(cè)點(diǎn),E點(diǎn)則選擇右側(cè)輪胎軸心所在點(diǎn)。當(dāng)自走式高地隙可調(diào)節(jié)底盤1始終與翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2接觸時(shí),∠FDE始終不變;當(dāng)翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與自走式可調(diào)節(jié)車架同時(shí)翻轉(zhuǎn)噴霧機(jī)、右側(cè)輪胎離開地面時(shí),∠CDE將大于初始測量角度,角度測量曲線將發(fā)生變化,構(gòu)建起始角度模型,即∠ABC。

4.4 仿真結(jié)果及分析

對自走式高地隙小車橫向行駛時(shí)傾覆翻轉(zhuǎn)研究分析,通過對底盤機(jī)架滿載荷力負(fù)載來確定模擬側(cè)翻工況下的極限夾角。由自走式可調(diào)節(jié)底盤的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性要求可知:滿載且當(dāng)輪距最窄高度調(diào)節(jié)最高時(shí),自走式噴霧機(jī)行走穩(wěn)定性最差[17]。因此,在自走式可調(diào)節(jié)底盤行駛輪距窄底盤相對較高時(shí),分析其側(cè)翻夾角,如圖9所示。

圖9 自走式高地隙可調(diào)節(jié)底盤噴霧機(jī)翻轉(zhuǎn)角度FDE變化曲線圖Fig.9 Self-propelled height gap adjustable chassis sprayer turning Angle FDE curve。

由圖9可知:當(dāng)時(shí)間為0.98s時(shí),翻轉(zhuǎn)角度開始變化,角度為52.77°,相對于初始角度發(fā)生變化,即自走式高地隙翻轉(zhuǎn)模型最右側(cè)輪胎離開翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測試即將發(fā)生側(cè)傾。

圖10為翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)向左側(cè)側(cè)翻的角度變化圖。由圖10可知:隨著時(shí)間的變化;側(cè)傾角度均勻變化;當(dāng)時(shí)間為0.98s時(shí),側(cè)傾角度為29.40°。噴霧機(jī)與翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)復(fù)合角度變化曲線圖如圖11所示。由圖11可以看出:同樣,當(dāng)時(shí)間0.98s時(shí),翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)生翻轉(zhuǎn)變化。因此,在自走式高地隙可調(diào)節(jié)底盤滿載情況下,側(cè)翻極限偏角為29.40°。

圖10 翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)翻轉(zhuǎn)角∠ABC變化曲線圖Fig.10 Curve of ABC change in the flip Angle of the flip experiment platform。

圖11 噴霧機(jī)與翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)復(fù)合角度變化曲線圖Fig.11 Composite Angle change curve of the sprayer and the flip test platform。

5 結(jié)論

對自走式高地隙底盤可調(diào)節(jié)噴霧機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)底盤升降、輪距調(diào)節(jié)和動(dòng)力布置進(jìn)行設(shè)計(jì)[18],利用三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行整機(jī)虛擬樣機(jī)建模。經(jīng)理論計(jì)算分析后,利用仿真軟件Adams分析驗(yàn)證虛擬樣機(jī)橫向架駛的穩(wěn)定性,為實(shí)車制造提供理論基礎(chǔ)。