掛載式三點懸掛裝置的設計與研究*

付宜進，童 輝，劉學榮，韓 寧，趙國富，劉 森，李 博

(新興際華應急產(chǎn)業(yè)有限公司研究院，北京 100070)

0 引 言

拖拉機懸掛裝置一般可分為兩點懸掛和三點懸掛，拖拉機后懸掛通常采用三點懸掛結(jié)合液壓驅(qū)動的方式，結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應用。 三點懸掛裝置是把農(nóng)機具連接在拖拉機上的一套桿件，主要由舉升臂、上拉桿、下拉桿等桿件組成。 三點懸掛裝置對農(nóng)用拖拉機的作用非常大，可以使不同種類的農(nóng)機具快速地連接到拖拉機上。

早在20 世紀初，英國弗格森拖拉機制造商就致力于將農(nóng)機具安裝到拖拉機的尾部，以使其能更好地適用于農(nóng)田作業(yè)。 在1925 年英國的一項早期專利中，哈里弗格森(Harry Ferguson)提出使用弗格森F型拖拉機后橋的蝸桿小齒輪的端面壓力來控制作業(yè)中的懸掛式犁。 經(jīng)過近20 年的努力，1939 年逐步開始在福特9N 拖拉機上首次大量使用三點懸掛裝置，一臺9N 拖拉機幾乎可以承擔數(shù)人的工作量，三點懸掛裝置在很大程度上提高了工作效率。 到了20 世紀60 年代，隨著化學除草應用以及谷物聯(lián)合收割機作業(yè)，農(nóng)場面積變得更大了，幾乎所有拖拉機都安裝了三點懸掛裝置[1]。

隨著科學技術的發(fā)展，電驅(qū)動技術以其排放低、扭矩高、便于無人化作業(yè)的特性，逐漸開始在農(nóng)機作業(yè)領域應用[2]。 但是在用電動商用底盤進行農(nóng)機具拖掛時，沒有類似于拖拉機的后橋結(jié)構(gòu)，不能預置懸掛裝置，給拖掛農(nóng)機具作業(yè)帶來了一定困難。 筆者在對電驅(qū)動商用底盤拖掛農(nóng)機具作業(yè)的方面做了嘗試，設計了一種掛載式的三點懸掛裝置，實現(xiàn)了商用型底盤與農(nóng)機具之間的快速掛接。

1 設計及原理

1.1 工作原理

基于國家標準和文獻中關于拖拉機后置式三點懸掛裝置的設計[3-4]，設計的掛載式三點懸掛裝置如圖1 所示。

圖1 掛載式三點懸掛裝置結(jié)構(gòu)示意圖

掛載式三點懸掛工作原理如下:上拉桿分別與掛載支架和農(nóng)機具的上鉸接點連接；下拉桿通過銷軸與掛載支架和農(nóng)機具的兩個下鉸點連接；舉升臂通過提升桿與下拉桿連接，形成四桿機構(gòu)；舉升液壓缸兩端分別與舉升臂和掛載支架連接，并作為舉升臂的舉升動力源。 整個掛載式三點懸掛裝置再通過上、下掛載支架與底盤后懸支撐梁連接，用螺栓緊固，再與傳動軸連接。 三點懸掛裝置安裝后的狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 掛載式三點懸掛裝置安裝示意圖

1.2 舉升機構(gòu)

作業(yè)過程中主要有兩種狀態(tài)，舉升狀態(tài)即農(nóng)機具離開地面并向上偏擺，可實現(xiàn)農(nóng)機具自由轉(zhuǎn)運；作業(yè)狀態(tài)即農(nóng)機具下落至作業(yè)位，可拖掛農(nóng)機具正常作業(yè)。 掛載式三點懸掛裝置內(nèi)設置舉升液壓缸，用以實現(xiàn)舉升和作業(yè)狀態(tài)的切換，如圖3 所示。

圖3 舉升狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

掛載式三點懸掛裝置采用模塊化設計，區(qū)別于依附在拖拉機后橋的懸掛，整個結(jié)構(gòu)依靠掛載支架及商用底盤的車架來承受農(nóng)機具的載荷，這便對懸掛裝置的結(jié)構(gòu)強度提出了更高的要求。 文中采用有限元法，基于ANSYS 軟件[5]對掛載式三點懸掛裝置進行結(jié)構(gòu)受力有限元仿真，以評估結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

2.1 有限元模型的建立

掛載式三點懸掛裝置主體結(jié)構(gòu)采用低合金高強度鋼材料，掛載支架、舉升臂、下拉桿等均由Q345 鋼板焊接成型，上拉桿、提升桿及限位桿采用拖拉機懸掛拉桿產(chǎn)品，材質(zhì)為鑄鋼，建立有限元分析模型如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元仿真模型

仿真分析時，三點懸掛裝置掛載某型農(nóng)機具進行作業(yè)，農(nóng)機具主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為碳鋼，仿真模型的處理及屬性設置如下:①掛載支架、舉升臂、下拉桿等采用殼單元，上拉桿、提升桿及限位桿等桿件采用梁單元；②各銷軸采用柱鉸進行模擬，釋放沿銷軸軸向的回轉(zhuǎn)自由度；③對農(nóng)機具工藝結(jié)構(gòu)進行適當簡化，自重為500 kg；④重力加速度設置為g＝9.8 m/s2；⑤懸掛裝置主體材質(zhì)的屈服強度均大于345 MPa，按照Q345 材質(zhì)進行仿真分析。 材質(zhì)的彈性模量和屈服強度見表1。

表1 Q345 鋼的彈性模量和屈服強度

2.2 工況及邊界條件

商用底盤拖掛農(nóng)機具在作業(yè)過程中，存在平路行駛、曲路形式、顛簸等典型工況，為模擬裝置在上述工況下的實際受力狀態(tài)，分別在模型的縱向(X向)、橫向(Z向)、垂向(Y向)施加加速度載荷，以便更準確地評估懸掛裝置結(jié)構(gòu)強度。 工況分別選擇掛載式三點懸掛裝置的舉升狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)進行仿真。

(1) 舉升狀態(tài)

工況一:承受縱向沖擊，在X方向施加1 g 加速度。

工況二:承受橫向沖擊，即在Z方向施加1 g 加速度。

工況三:承受垂向沖擊，即在Y方向施加3 g 加速度。

(2) 作業(yè)狀態(tài)

工況四:雙側(cè)工作，在舉升液壓缸處施加舉升力，農(nóng)機具雙側(cè)拖板觸地全約束。

工況五:單側(cè)工作，在舉升液壓缸處施加舉升力；農(nóng)機具單側(cè)拖板觸地全約束，另一側(cè)拖板不約束。

2.3 仿真分析結(jié)果

2.3.1 舉升狀態(tài)

工況一:最大應力109.8 MPa，安全系數(shù)3.142，如圖5 所示。 工況二:最大應力262.9 MPa，安全系數(shù)1.312，如圖6 所示。 工況三:最大應力327.9 MPa，安全系數(shù)1.052，如圖7 所示。

圖5 工況一縱向沖擊分析結(jié)果

圖6 工況二橫向沖擊 分析結(jié)果

圖7 工況三垂向沖擊分析結(jié)果

舉升狀態(tài)下，在受到垂向沖擊時，舉升臂局部應力最大，達到327.9 MPa，屬于局部應力集中，其他位置應力水平較小，安全系數(shù)較大，因此能夠滿足強度要求，應力集中區(qū)域可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善。

2.3.2 作業(yè)狀態(tài)

工況四:最大應力207 MPa，安全系數(shù)1.666，如圖8 所示。

圖8 工況四雙邊工作分析結(jié)果

工況五:最大應力315 MPa，安全系數(shù)1.09，如圖9 所示。

圖9 工況五單邊工作分析結(jié)果

作業(yè)狀態(tài)下，在農(nóng)機具單邊拖板觸地工況時，掛載支架局部應力最大，達到315 MPa，其他位置應力較小，安全系數(shù)較大。農(nóng)機具在實際作業(yè)中單側(cè)托板觸地的工況較少，因此可認為掛載支架能滿足使用強度要求。

2.3.3 局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜上各工況結(jié)果如下。

(1) 加速度載荷的存在，對懸掛裝置的受力影響較大，部分工況出現(xiàn)較大應力集中。

(2) 舉升機構(gòu)的初始尺寸使得舉升驅(qū)動屬于費力杠桿，舉升臂在多工況下出現(xiàn)局部應力集中。

對三點懸掛裝置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

(1) 增加左、右限位桿及支座，對于有較大橫向加速度沖擊時，能有效限制農(nóng)機具沿橫向大幅擺動。

(2) 將舉升臂的單層開放式臂結(jié)構(gòu)改為雙層封閉式結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。

優(yōu)化后再次進行最惡劣工況下的結(jié)構(gòu)受力分析，得到舉升臂的應力結(jié)果如圖11 所示。 優(yōu)化后舉升臂的平均應力水平顯著降低，最大應力為202 MPa，安全系數(shù)1.71。

圖11 優(yōu)化后的舉升臂分析結(jié)果

3 鉸點位置優(yōu)化

掛載式三點懸掛裝置舉升液壓缸驅(qū)動農(nóng)機具實現(xiàn)舉升和下降，液壓缸輸出力的大小決定了舉升機構(gòu)設計的優(yōu)劣，因此有必要對機構(gòu)進行優(yōu)化。

基于虛擬樣機技術，利用機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS 對三點懸掛裝置進行舉升過程的動力學建模[6]，以舉升過程中舉升液壓缸受力的大小為優(yōu)化目標函數(shù)，對舉升機構(gòu)鉸點位置進行優(yōu)化，使舉升液壓缸受力的最大值最小[7-8]。

3.1 虛擬樣機建模

在ADAMS 中建立掛載式三點懸掛裝置的虛擬樣機模型，如圖12所示，添加各連桿間的運動副，見表2。

圖12 虛擬樣機分析模型

表2 模型運動副約束表

3.2 確定優(yōu)化目標函數(shù)

3.2.1 機構(gòu)受力分析

為確定鉸點位置對舉升液壓缸的受力貢獻，對掛載式三點懸掛裝置進行解析受力分析[9-10]。 掛載式三點懸掛裝置采用左右對稱結(jié)構(gòu)設計，舉升運動時中心對稱面兩側(cè)結(jié)構(gòu)同步運動，在沒有側(cè)向沖擊載荷的作用下，可認為兩側(cè)受力平均分配，為簡化分析，將整個懸掛裝置簡化為平面連桿機構(gòu)，如圖13 所示。

圖13 掛載式三點懸掛裝置機構(gòu)簡圖

EQTSR為掛載農(nóng)機具，視為剛性體，自重m＝500 kg；ABCD為下拉桿、提升桿、舉升臂及掛載支架組成的連桿機構(gòu)1；AEQN為由下拉桿、農(nóng)機具、上拉桿及掛載支架組成的連桿機構(gòu)2；DIH為舉升臂、舉升液壓缸及掛載支架組成的連桿機構(gòu)3；整個裝置的驅(qū)動力為舉升液壓缸IH，做往復直線運動。 對機構(gòu)分部進行受力分析，各連桿及銷軸等自重不予考慮。

(1) 提升連桿機構(gòu)受力分析

提升連桿機構(gòu)受力分析圖如圖14 所示。

圖14 提升桿受力分析圖

對A點取力矩平衡，即∑MA＝0。

由式(1)得到二力桿BC的軸向力Fbc:

式中:LA-Nx為Fnx對于A點垂直向距離；LA-Ny為Fny對于A點垂直向距離；LA-G為重心G對于A點垂直向距離；LA-BC為Fbc對于A點垂直向距離。

(2) 舉升臂受力分析

舉升臂受力分析如圖15 所示。

圖15 舉升臂受力分析圖

對D點取力矩平衡，即∑MD＝0。

得到舉升液壓缸給舉升臂的力Fih:

式中:LD-I為Fih對于A點垂直向距離；LD-C為Fbc'對于A點垂直向距離。

Fbc和Fbc'是一對作用力與反作用力，則有Fbc＝Fbc'；又連桿機構(gòu)DIH中IH可看成是二力桿，那么舉升液壓缸給舉升臂的力Fih即為舉升液壓缸需要輸出的舉升力FYYG，即FYYG＝Fih，則:

FYYG即為舉升液壓缸的受力公式。

3.2.2 動力學仿真分析

舉升液壓缸的最大行程為300 mm，為避免作業(yè)舉升過程速度過快造成沖擊，要求舉升液壓缸單程伸出/縮回時間不小于5 s，對動力學模型舉升液壓缸IH的移動副施加速度驅(qū)動方程，按照速度v＝300/5＝60 mm/s，同時施加重力加速度g＝9.8 m/s2。

進入ADAMS 軟件的后處理模塊，得到舉升液壓缸軸向受力曲線，如圖16 所示。 從圖中可以看出，掛載式三點懸掛裝置由舉升狀態(tài)下降至作業(yè)狀態(tài)過程中，舉升液壓缸的受力逐漸減小，落位至作業(yè)狀態(tài)時的軸向受力最小。 舉升液壓缸的軸向受力最大值FYYGmax＝10 371 N，舉升液壓缸完全伸出，軸向受力最小值為FYYGmin＝4 982 N，舉升液壓缸完全縮回。

圖16 舉升液壓缸受力曲線圖

也就是說舉升液壓缸的輸出力不小于10 371 N才能滿足各種工況的舉升要求，初始設計舉升液壓缸選型為:缸筒直徑為?50 mm，活塞桿直徑?22 mm，活塞直徑為?40 mm，系統(tǒng)額定壓力為10 MPa，那么能提供的舉升力FYYG輸出＝10×π×(40/2)×(40/2)＝12 560 N＞10 371 N，液壓缸輸出力滿足使用要求。

3.3 設計變量及約束條件

3.3.1 確定設計變量

由式(5)知，舉升液壓缸受力與鉸點A、B、C、D、I以及農(nóng)機具重心位置有關，但農(nóng)機具重心位置取決于農(nóng)機具自身結(jié)構(gòu)，與懸掛裝置無關，因此舉升液壓缸受力取決于LA-BC、LD-I、LD-C、LA-G、LA-Nx、LA-Ny的長度，即鉸點A、B、C、D、I的位置坐標。 將A點定為原定A(0，0)，通過優(yōu)化鉸點B、C、D、I四個點的橫、縱坐標值，來降低舉升液壓缸的受力，設計變量見表3。

表3 設計變量初始值及范圍

3.3.2 確定約束條件

對機構(gòu)進行優(yōu)化需要限定設計變量約束條件，此處限制的約束條件包括設計變量邊界條件以及舉升液壓缸行程。

(1) 優(yōu)化設計變量邊界約束

根據(jù)懸掛裝置的結(jié)構(gòu)空間限制，建立邊界約束為DV_x/ymin≤DV≤DV_x/ymax，設計變量的優(yōu)化范圍見表3。

(2) 變幅液壓缸行程約束

依據(jù)液壓缸舉升行程及規(guī)格要求，需限制液壓缸在變幅時的長度，有Lmin≤L≤Lmax，Lmin、Lmax根據(jù)液壓缸系列進行選型。

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

進入ADAMS 軟件優(yōu)化模塊，執(zhí)行優(yōu)化分析，迭代進行到第6 步時，目標函數(shù)即舉升液壓缸受力最大值最小，如圖17 所示。

圖17 舉升液壓缸受力最大值隨優(yōu)化次數(shù)

優(yōu)化前和優(yōu)化后舉升液壓缸的受力曲線如圖18所示(實線優(yōu)化前，虛線優(yōu)化后)。

圖18 優(yōu)化前和優(yōu)化后舉升液壓缸受力曲線圖

優(yōu)化前后舉升液壓缸的受力變化趨勢一致，在完全舉升狀態(tài)時受力最大，伴隨懸掛裝置由舉升狀態(tài)至作業(yè)狀態(tài)過程受力逐漸減小，至工作位時受力最小。優(yōu)化前舉升液壓缸受力的最大值為FYYGmax＝10 371 N，優(yōu)化后最大值為FYYGmax'＝4 692 N，最大值降低了54.8%，優(yōu)化效果較好。 優(yōu)化前后設計變量值見表4。

表4 優(yōu)化前后設計變量值對比

4 測試試驗

4.1 測試目的和方法

為評估掛載式三點懸掛裝置各構(gòu)件在實際各工況下受力情況，本節(jié)對掛載式三點懸掛裝置進行結(jié)構(gòu)應力和加速度測試。

應力測試首先測量結(jié)構(gòu)件的應變，然后由數(shù)據(jù)處理軟件計算得出應力值；加速度測試通過加速度傳感器測量三個方向及速度，再由處理軟件輸出加速度值。

4.2 傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.2.1 應變片

應變片也稱電阻應變計，由鎳鉻絲或康銅絲繞成柵狀，并夾在兩層絕緣薄片中，是用于測量結(jié)構(gòu)應變的元器件，其原理是將結(jié)構(gòu)應變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，從而產(chǎn)生“壓變效應”[11]。 應變片選中航電測高精度應變片BE120-5AA，如圖19 所示，基底材料為酚醛-縮醛，敏感柵材料為康銅絲，平均電阻值公差≤±0.1%，典型靈敏系數(shù)2.00 ～2.20，靈敏系數(shù)分散≤±1%，應變極限2.0%，使用溫度-30 ～＋80℃。

圖19 BE120-5AA 應變片

4.2.2 加速度傳感器

加速度傳感器采用KYOWA 公司的AS-TG 系列小型3 軸加速度傳感器，如圖20 所示，可同時測量X、Y、Z三個方向產(chǎn)生的加速度，能承受10 倍左右的過載。 傳感器主要性能參數(shù)見表5。

圖20 AS-TG 加速度傳感器

表5 AS-TG 傳感器主要性能參數(shù)

4.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用imc 公司的CRONOS-SL 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖21 所示，系統(tǒng)可以實現(xiàn)大容量、高頻率數(shù)據(jù)采集。采樣頻率范圍寬，高于測點應變響應頻率，測試精度可達0.1%，確保采樣數(shù)據(jù)的準確。

圖21 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.3 測試點及測試工況

4.3.1 測試點選擇

進行應力測試點選擇時，應遵循以下原則:①代表局部的應力或加速度水平；②便于粘貼應變片或傳感器；③裝置運動過程中傳感器不能損壞。

測試點位置選擇如圖22 所示，測試點位置及代號見表6。

圖22 應力測試點位置

表6 測試點位置及代號

4.3.2 工況選擇

分別選擇底盤拖掛三點懸掛裝置在靜止舉升、平路行駛作業(yè)和曲路行駛作業(yè)3 種工況進行測試，各工況測試描述見表7。

表7 測試工況及測試項

4.3.3 傳感器粘貼

各測試點應變片及傳感器粘貼情況如圖23 ～26所示。

圖23 測試點A1 和A2

圖24 測試點A3 和A4

圖25 測試點A5 和A6

圖26 測試點A7

4.4 結(jié)果分析

為避免偶然因素的影響，每個工況測量3 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測量3 次取平均值、最大值及最小值進行結(jié)果分析。

4.4.1 靜止舉升測量結(jié)果分析

靜止舉升測試應力數(shù)據(jù)見表8。

表8 靜止舉升測試應力 /MPa

由表8 數(shù)據(jù)得出:①左右下拉桿測試點應力較高，最大應力23.4 MPa，提升桿和限位桿應力較小；②提升桿、下拉桿、限位桿左右對稱位置的測試點應力值相當，部件對稱點的應力值相差較大，但整體應力較小。 綜上，關鍵部件能夠滿足測試工況一狀態(tài)下的強度要求，并且安全系數(shù)均較大。

4.4.2 行駛作業(yè)測量結(jié)果

平路行駛作業(yè)測試應力和加速度數(shù)據(jù)見表9、10。

表9 平路行駛作業(yè)測試應力 /MPa

表10 平路行駛作業(yè)測試加速度 /g

由結(jié)果看出在行駛作業(yè)過程中橫向、縱向、垂向產(chǎn)生加速度，測試點的應力值普遍升高，并出現(xiàn)了對稱位置的測試點的應力相差較大，可見加速度對于結(jié)構(gòu)受力有較大影響。

曲路行駛作業(yè)測試的應力和加速度數(shù)據(jù)見表11、12。

表11 曲路行駛作業(yè)測試應力 /MPa

結(jié)合平路行駛作業(yè)和曲路行駛作業(yè)的測試結(jié)果得出:①平路和曲路行駛作業(yè)時橫向、縱向、垂向均受到加速度作用，曲路行駛的加速度值更大且振動更劇烈；平路行駛加速度最大值為0.4 g，出現(xiàn)在縱向；曲路行駛加速度最大值0.9 g 出現(xiàn)在橫向；②平路和曲路行駛作業(yè)產(chǎn)生的加速度使測試點應力值升高，平路行駛應力最大值達到89.8 MPa，出現(xiàn)在提升桿，曲路行駛應力最大值123.3 MPa，出現(xiàn)在下拉桿；③行駛作業(yè)時產(chǎn)生的加速度導致對稱位置部件測試點的應力值相差較大，部分測點甚至相差幾倍。

表12 曲路行駛作業(yè)測試加速度 /g

綜上所述，作業(yè)過程產(chǎn)生的加速度改變了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，個別部件的應力值成倍升高，驗證了仿真時施加加速度載荷的合理性。 但在實際作業(yè)時，農(nóng)機作業(yè)一般均是低速行駛，啟制動過程也相對緩慢，產(chǎn)生的加速度值較小，影響有限，可通過優(yōu)化設計來加強結(jié)構(gòu)強度，提高裝置的可靠性。

5 結(jié) 論

文中介紹了一種掛載式三點懸掛裝置的設計與研究過程，得出以下結(jié)論。

(1) 基于拖拉機后置式三點懸掛裝置的結(jié)構(gòu)設計了掛載式三點懸掛裝置，得到了設計樣機模型。

(2) 通過ANSYS 軟件進行結(jié)構(gòu)的受力仿真分析，獲得了懸掛裝置在不同工況下的應力值，證明結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。

(3) 基于ADAMS 虛擬樣機技術，對懸掛裝置鉸點位置進行優(yōu)化，降低了液壓缸的舉升驅(qū)動力。

(4) 進行應力及加速度測試，了解了掛載式三點懸掛裝置關鍵零部件實際受力情況，明確了實際作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)強度。

通過仿真、優(yōu)化及測試，驗證了掛載式三點懸掛裝置設計的合理性，為商用底盤掛載農(nóng)機具的研制提供了一種可行的方式。