無人駕駛替代農藥噴霧車機架動靜態特性分析

陳振，吳春篤，張波，曹愛能，賈衛東，李偉

（1.202013 江蘇省 鎮江市 江蘇大學 農業工程學院；2.212013 江蘇省 鎮江市 江蘇高創機電制造有限公司）

0 引言

隨著高新信息技術飛速發展，信息化、智慧化的農業機械已在農場中出現。國家“十四五”規劃指出智慧農業是實現現代化農業的發展方向[1]。基于綠色農業的基本思想，以智慧農業發展需求為導向，使用強氧化性羥基自由基溶液防治農作物病害，可有效減少農業生產中的化學農藥使用，控制農產品的農藥殘留和農業環境污染，開發具有自主導航的無人駕駛替代農藥噴霧車，促進農業可持續發展[2]。再利用由GPS、激光掃描雷達和實時路徑規劃避障單元組成的自主導航無人駕駛系統替代人工操作駕駛，定位、定時、定量進行田間噴霧作業，提高作業效率的同時減少生產投入成本[3-4]。

機架是無人駕駛替代農藥噴霧車的裝配基體，其作用主要是支撐和連接噴霧車的各系統裝置及零部件，承受來自車內外復雜的動、靜態載荷[5]。利用三維建模軟件CATIA 設計和建立機架模型，借助有限元分析軟件Workbench 對機架的強度、剛度、固有頻率和振型進行研究。結果表明，機架的強度、剛度滿足設計和使用要求，固有頻率不與激振頻率產生共振[6]，為噴霧車后期的結構優化提供依據。

1 無人駕駛替代農藥噴霧車總體結構方案

無人駕駛噴霧施藥車總體結構由機架、轉向系統、電機驅動與制動系統、鋰電池組、替代農藥制備系統、噴霧系統和自主導航無人駕駛系統等組成。

利用CATIA 建立無人駕駛替代農藥噴霧車整機模型，導出噴霧車軸側圖，如圖1 所示。噴霧車總車長1 327 mm，寬870 mm，高1 247 mm；機架總長1 327 mm，寬870 mm，高327 mm。

圖1 噴霧車軸側圖Fig.1 Side view of spray axle

機架使用尺寸為27×27 mm，2 mm 厚的304方形管焊接成型，底板使用2 mm 厚鐵板與機架底部橫縱梁焊接在一起，實現機架表面以及內部各部件的安裝，通過螺栓螺母將機架橫梁端部耳座與減速器固定面連接。

轉向系統由4 套相同且獨立的高速閉環步進電機、直角行星減速器和L 型轉向支承座組成。轉向系統結合輪轂電機可對車輪進行360°控制，并通過高速閉環步進電機的轉速控制，實現車輪的自由方向行駛。

電機驅動與制動系統由4 套相同且獨立的48 V無刷外轉子直流輪轂電機、1 個剎車電機和驅動器組成，通過控制電機驅動器可以實現車輪按照所需作業速度行駛與制動。

噴霧系統包括藥箱、水泵和噴霧機旋轉平臺。通過水泵將藥箱中的藥液輸送到噴霧機，噴霧機軸承座架設在二自由度旋轉平臺上，利用云臺舵機實現噴筒橫向90°和縱向180°噴霧。

鋰電池組由48 V 60 A·h 磷酸鐵鋰電池（LFP）組成，具有能量密度適中、壽命長、成本低和安全性高優點。

替代農藥制備裝置包括強電離放電單元（氧氣發生裝置和強電離放電裝置）、氣液混合單元（氣液混合泵和氣液混合罐）、噴霧施藥單元組成[7-8]，制備流程如圖2 所示。

圖2 替代農藥制備流程Fig.2 Alternative pesticide preparation flow chart

GPS、激光雷達和實時路徑規劃避障單元組建成自主導航無人駕駛系統。

2 機架有限元模型建立

將已建立的機架三維模型導入有限元分析軟件Workbench 的Gramtry 中，如圖3 所示。機架使用的304 不銹鋼材料各項力學性能，如表1 所示。

圖3 機架的CATIA 三維模型Fig.3 CATIA 3D model diagram of frame

表1 304 不銹鋼材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of 304 stainless steel material

機架的有限元網格模型應用Solid187 單元劃分，考慮機架主要負載部位，利用Mesh 進行網格劃分，主要承載部位耳座的精細化網格圖見圖4，對主要焊接處進行精細化控制，提高計算效率。機架模型劃分1 662 743 個單元，531 946 個節點，機架有限元網格模型如圖5 所示。

圖4 耳座網格模型精細劃分放大圖Fig.4 Magnified view of fine division of ear seat mesh model

圖5 機架網格劃分Fig.5 Frame meshing

機架的全局單元尺寸取3 mm，再結合單元質量檢驗、雅克比率、翹曲度、單元畸變度來確保網格質量[9]，其值分別為0.762 1，0，0.326。

3 機架動靜態特性分析

3.1 機架靜力學分析

3.1.1 載荷與約束

機架承受主要載荷包括：機架自身重量（通過施加重力加速度實現）[10]、藥箱1 000 N、噴筒裝置載荷300 N、水泵載荷500 N、電池和總控制器裝置載荷500 N、電機驅動器50 N。

減速器固定面相連的8 個耳座、前后懸架與機架銜接端耳座設置Fixed Support 約束，自由度全部約束，等效施加載荷。對機架各橫縱梁和耳座施加約束與載荷，如圖6 所示。

圖6 機架約束與載荷Fig.6 Frame restraint and load

3.1.2 結果分析

機架應力分析求解。如圖7 所示，最大應力值點在耳座與機架焊接處，為66.102 MPa；最小應力值點在機架前橫梁中部，為0.003 9 MPa。材料屈服強度290 MPa 大于最大應力值66.102 MPa，故機架滿足強度要求。

圖7 機架應力圖Fig.7 Frame stress diagram

機架應變分析求解結果如圖8 所示。在施加各項載荷后，最大變形處在機架中間底板，最大變形值為0.659 75 mm。由于機架整體尺寸都比較大，相對機架的最大應變值可忽略不計，故機架滿足剛度要求。

圖8 機架變形圖Fig.8 Frame deformation diagram

3.2 機架動態特性分析

模態分析用于分析結構的振動特性，主要分析結構的固有頻率、阻尼和振型。自由和工作模態分析是模態分析的2 種方法，該研究僅對結構體的自由模態分析，忽略機架所受的外部載荷。有阻尼交迫振動方程的微分方程[11-12]為

式中：[M]——質量矩陣；d——節點位移的未知量；[C]——阻尼矩陣；[K]——剛度矩陣；F（t）——節點載荷的已知量。

在模態分析中，忽略阻尼[C]，F（t）=0，式（1）可簡化為

噴霧車在田間道路行駛時，由于路況復雜、車輪不平衡會使機架產生隨機振動，機架上水泵工作產生的振動會使機架產生周期性的振動[13]，當機架的某階固有頻率與激振頻率接近時，就會產生共振現象，嚴重時會對機架造成損壞[14]。為避免這種情況的發生，對機架進行模態分析就顯得尤為必要。確定機架的固有頻率和振型，驗證其固有頻率能否避開上述振源的激勵頻率。

機架模態分析所用模型網格與上文一致，無需加載載荷，僅對機架模型進行固定點約束即可。通過有限元分析軟件Workbench 求解得出機架結構的前12 階固有頻率與振型，如圖9 所示。

圖9 機架前12 階固有頻率及振型Fig.9 The first 12 natural frequencies and modes of the frame

機架結構的振動頻率和振型如表2 所示。

由表2 信息，繪制出機架前12 階固有頻率和振型樣條曲線，如圖10 所示。

通過對機架前12 階固有頻率和振型（見表2）描述，以及對應的樣條曲線（見圖10）繪制，可以得出：振動方向沿X 軸向上、下的集中在前、中、后底板、前后橫梁，振動方向沿Z 軸向后的集中在中間橫梁，振動方向沿Y 軸向左、右的集中在前后縱梁與橫梁焊接處。機架最大、最小固有頻率分別是247.000，71.977 Hz，最大振幅42.105 mm 對應固有頻率163.46 Hz，最小振幅13.753 mm 對應固有頻率228.52 Hz。

圖10 機架前12 階固有頻率和振型樣條曲線Fig.10 Spline curve of the first 12 natural frequencies and mode shape of the frame

表2 機架前12 階固有頻率和振型Tab.2 The first 12 natural frequencies and modes of the frame

路面不平整引起的隨機振動頻率在1～20 Hz之間，而由于車輪不平衡引起的振動頻率一般低于11 Hz，柱塞泵振動頻率一般為50～60 Hz。根據模態分析結果，機架前12 階固有頻率最小值是71.977 Hz，大于激振頻率上限60 Hz，故機架不與激勵頻率共振。

4 結論

利用有限元分析軟件Workbench 對無人駕駛替代農藥噴霧車機架進行了動靜態特性分析。以solid187 單元對機架網格劃分，對焊接處網格質量高精度控制，計算效率顯著提高。機架靜態分析結果表明，最大應力值66.102 MPa 小于材料屈服強度值290 MPa，最大變形值0.659 75 mm，相對于大尺寸機架可忽略不計，故符合機架設計標準。機架模態分析結果表明，車輪激勵頻率（11 Hz）和柱塞泵工作激勵頻率（50～60 Hz），始終小于機架最小固有頻率（71.977 Hz），因此避免與激振頻率共振，滿足機架設計及使用要求，為噴霧車后期的結構優化提供依據。