基于Simulink 的自動化農業機械底盤設計*

梁 堃

（寧夏工商職業技術學院，寧夏 銀川 750021）

在特殊地形農業作業活動中，不僅要強化農機行動的適應性，也要考慮因底盤受力及運動引發的底盤穩定性問題，由此使農機底盤更為可靠。特殊地形農業作業需要轉彎半徑小、轉向靈活、底盤距地面高的四輪底盤。為解決農機底盤問題，不僅要考慮轉向，也需要關注離地間隙以及控制適應性[1]。目前，關于農機底盤的研究較多，但設計出的機械底盤轉向仍然采用傳統轉彎形式，未能實現地形高適應性以及有效小半徑轉彎等要求[2]。因此，結合特殊地形運動路徑與轉向等要求，課題組設計出一種自動化農機機械底盤，其采用前橋擺轉驅動，在農業作業時可轉“U”形彎，掉頭后進入下一小塊田地，具有結構穩定、操作便捷、轉彎半徑較小等優勢。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化，從而減少作用力對機械底盤的影響，對農機部件現代化設計具有積極意義。

1 底盤整體結構與工作原理

自動化機械底盤由車輪、馬達、電磁閥、發動機等部件組成，如圖1 所示。兩側各安裝兩輪，四輪均配置馬達。左前輪馬達與右前輪馬達經串聯并入油路，后輪油路與前輪油路通過并聯連在一起，前驅動輪的馬達負責提供機械底盤的前進動力[3]。當機械底盤轉向時，前橋驅動輪停止轉動，另一側繼續運動，讓前橋圍繞已經停止的驅動輪進行擺轉，由此帶動連接后橋的機架轉動[4]。為了能讓底盤在特殊地形中穩定運動，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向軸放于浮動軸中，從而實現既可轉向又能浮動的目的。

圖1 自動化機械底盤整體結構

2 底盤轉向優化

2.1 轉向干擾

為了驗證底盤在轉“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向點，c1、c2、c3、c4為機架外廓點，a表示前輪內側點，b表示前輪外側點，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。

底盤機架結構沖突如圖2 所示，位于c1、c2、c3、c4的端點與前輪外側點最容易出現干擾，為了在轉向過程中前橋能穩定通過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 底盤機架結構沖突

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處放置發動機等核心部件，負重60 kg，形變量最大處位于驅動橋中部，最大形變量約為0.83 mm；最大受力為20 MPa~30 MPa，常常出現在轉向軸兩側部位。

圖3 前橋受力分析

為減少轉向時前輪對后橋的干擾，在設計時對后橋進行受力分析，如圖4 所示。①區域駕駛人員體重設為80 kg，②區域與③區域放置發動機、電磁閥、油箱等部件，整體質量設為70 kg，④區域為水冷設備位置，質量設為20 kg。圖中分析后可知，后橋在負重后產生的受力最大處應在駕駛人員附近，該處形變量與人員體重有直接關系，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 結構調整

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

3 參數設計

機械底盤由多個零部件組成，通過參數設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]。在參數設計時，首先，應分析需要進行建模的零部件結構，同時做好層次區分；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，那么可調用相關API 參數。零部件文件創建后可調用草圖命令與特征管理器，以機械底盤零部件為例，具體參數可表示為：

ActivateDoc“機械底盤”，False，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

基準創建后，可通過一系列參數程序對相關部位進行調整，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，讓發動機始終以恒定轉速驅動，使機械底盤在直線勻速行駛，并對底盤驅動輪轉速進行記錄。

4.1 軌跡實驗

確定行駛平穩后，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彎過程的清晰軌跡，通過測量壓痕的位置距離確定底盤驅動輪各時間的坐標，得出運動直線度[9]。通過對有無人乘坐的結果分析，發現機械底盤在平穩路面達到設計要求的直線度，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的壓力與流量。Simulink 具有數據分析功能，能夠對收集到的數據進行特性分析，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 才可確保實驗數據的準確，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后進入穩定狀態，馬達平穩運動壓力檢測結果如表1 所示。

表1 馬達平穩運動壓力檢測

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定，啟動與停止時受力也在控制范圍內。由此可知，機械底盤液壓驅動可滿足運動需求。

圖6 馬達壓力變化趨勢

5 結語

綜上，根據轉向原理，對機械底盤結構進行干擾檢測，確定其整體結構是否合理。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，優化了底盤穩定性，能夠滿足現實工作強度要求。通過Simulink 平臺實驗，機械底盤在平穩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向，能夠轉入相鄰位置。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，表明設計的機械底盤可有效滿足運動穩定要求，對于提升農機工作效率具有積極意義。