田間三輪高架作業車轉向系統的參數化分析及優化

朱晨輝++王忠利++種東風

摘要：通過對三輪田間高架作業車轉向系統運動學和動力學的建模分析，得出三輪田間高架作業車轉向的特點，了解作業車后輪距變化以及搭載不同農機具時產生的質心變化對車輛轉向的影響。同時，運用機械系統動力學軟件ADAMS對前輪機械轉向機構進行仿真優化，以液壓桿受力為優化目標，優化了液壓缸的安裝位置。研究結果為三輪田間高架作業車轉向系統的設計及分析提供了理論依據。

關鍵詞：三輪；作業車；轉向系統；參數化分析；優化

中圖分類號： S219.032.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0376-04

隨著高稈作物作業機具現代化進程的加快，如何提升高稈作物作業機具的作業水平、減輕駕駛員的勞動強度、有效發揮高稈作物作業機具在促進玉米、煙草、甘蔗等作物生產現代化中的作用，是當前國內外高稈作物機具研究領域一個新的課題。國外針對高稈作物的作業車輛技術研究較多，例如意大利SPAPPERI公司生產的JS-820型自走式噴霧機、JS-120型煙葉打頂機；荷蘭DAMCON公司生產的Multitrike330、Multitrike355、Multitrike370型號的果樹田間管理機；法國TECNOMA公司生產的TRH65、AXH110、TXH1400型號的苗圃管理車等，均采用了三輪車架結構和液壓驅動技術。在中國，玉米、煙草等高稈作物的田間管理作業車輛研究較晚，目前國內已有個別地區研制出針對高稈作物的液壓自走式田間作業車[1]、高稈作物噴霧機等。

液壓技術在高稈作物作業車輛上的應用，使得全液壓轉向在農業機械作業車輛上的應用成為一種發展趨勢。液壓轉向的應用減輕了駕駛員的勞動強度，提高了高稈作物作業機具的生產效率。本研究分析了1種行距可變的三輪全液壓驅動田間高架作業車輛的轉向部分，并對其轉向部分進行了參數化分析及ADAMS仿真優化，分析了作業車后輪距變化以及搭載不同農機具時產生的質心變化對車輛轉向的影響，驗證了作業車結構設計的合理性，研究結果可為三輪高架作業車轉向系統的設計及分析提供理論依據。

1作業車整體結構與工作原理

該作業車是針對玉米、煙草等高稈作物植保、中耕、煙葉打頂、滴灌管路鋪設等作業環節而設計的1種全液壓驅動田間高架作業車，田間高架作業車主要有三輪車“M”形高架結構、中置動力系統、后輪輪距調整系統、液壓系統、駕駛室等部分組成，其中三輪車“M”形高架結構、后輪輪距調整系統和液壓系統是主要的核心部件。整車的結構如圖1所示。

作業車機架由三輪車“M”形高架結構組成，提高了行間通過性，減小了作物的損傷[2]。發動機等動力系統中置，便于液壓泵和管路的連接，重心較低且始終處于整車中間位置，可以使三輪型式的車輛轉彎半徑相對變小，同時也增大了行駛的穩定性[3-4] 。作業車采用三輪全液壓驅動，3個液壓馬達同時提供扭矩，動力性能好。轉向系統采用全液壓轉向，轉向時無噪聲且滯后時間短。后輪輪距調整系統通過同步分流

馬達作用實現作業車田間作業狀態和道路行駛狀態的切換，進而變換后輪輪距。同時，通過輪距調整，作業車也可適用于苗圃的田間管理作業，實現作業車一機多用的功能。

2作業車轉向系統模型建立

2.1作業車整體轉向動力學模型分析

為分析三輪田間高架作業車的轉向操縱特性，了解作業車后輪距變化以及搭載不同農機具時產生的質心變化對車輛轉向的影響，將三輪田間高架作業車的轉向系統簡化為線性二自由度平面運動，建立了三輪田間高架作業車平面轉向運動模型，如圖2所示。模型以作業車后輪軸線中點O為原點，建立XOY坐標系，2個自由度分別為整車沿X軸的側移和繞轉動中心O的轉動，且作業車的前進速度恒定。在模型中，以前輪的轉角作為輸入；忽略作業車在行駛過程中的車架振動作用，認為作業車整體只做平行于地面的平面運動。

質心位置是車輛設計的重要參數，其位置不同會影響車輛的動力性、制動性和安全性，所以設計過程中要嚴格控制。由計算可知，高架作業車處于停止狀態時，質心位置位于發動機上方水平機架上；處于田間作業狀態時，由于作業車后輪輪距變寬，坐標系原點的位置會縱向向前偏移；當加300 kg藥液時，質心縱向向后偏移；當懸掛機具時，質心縱向向后偏移。藥箱加水和后置懸掛機具均會使質心位置產生一定量的偏移，但質心始終位于作業車前部2/3軸距內[5-6] 。

為得出質心變化對作業車轉向性能的影響，根據牛頓力學原理，建立多功能煙田作業車2個自由度轉向動力學方程，并對動力學方程進行處理，得到作業車轉向運動微分方程：

m（Vx-Vyω）=-Cfδ-Cr-CfVyVx+（L-L1）Cr+L1CfVy；（1）

Iω=L1Cfδ-（L-L1）Cr+L1CfVyVx+（L-L1）2Cr+L12CfVyω。（2）

式中：m為多功能煙田作業車車體質量，kg；Vx為作業車車身側向速度，m/s；Vy為作業車車身前進速度，m/s；ω為作業車車體橫擺角速度，rad/s；Cf為前輪輪胎側偏剛度，N/rad；Cr為后輪輪胎側偏剛度，N/rad；I為作業車轉動慣量；δ為作業車前輪轉向角度，rad；L為作業車前后輪輪距，m；L1為作業車質

心距前輪的距離，m。

作業車最小轉彎半徑是指前輪轉向平面的軸線與后輪偏轉軸線的交點到質心的距離。為得到質心的變化對轉彎半徑的影響，根據圖2可知，前輪轉向平面與車輛縱向平面的夾角為&，F為轉向的離心力（N），V為車速（m/s），R為轉彎半徑（m）。則轉向離心力F為：

F=Wg×V2R。（3）

式中：V為車速，m/s；W為作業車重力，N；g為重力加速度，m/s2。

因為轉向時后輪偏向運動速度Ur很小，故o′點到xoy坐標系x軸上的距離可以忽略，轉向求解時可近似采用o″來進行計算。相應公式：

sinθ=L-L1R；（4）

cosθ=R2-（L-L1）2R；（5）

tan&=LR2-（L-L1）2。（6）

式中：θ如圖2所示，為∠eo″o，rad；&為作業車前輪轉向角度，rad。

由上式可得最小轉彎半徑：

R=L2cot2&+（L-L1）2。（7）

從上述公式可知，前輪轉向平面與縱向平面的夾角&越大，最小轉彎半徑越小，車輛轉向性能越好。經過計算，&為30°時最小轉彎半徑為3.5 m。

同時：

hB/2=WF。（8）

式中：h為質心到后輪軸線中心點O的高度距，m；B為后輪輪距，m。

由上式可知，當最小轉彎半徑為R時，作業車轉向速度：

V=BgR2h。（9）

由上述公式可知，輪距的變化以及搭載不同農機具造成的質心位置的變化對三輪作業車轉向產生影響，得到了L、L1以及B的變化與作業車轉動慣量以及最小轉彎半徑和轉向速度的對應關系式，為全液壓驅動的田間高架作業車的轉向系統建立了動力學參數化模型。

2.2作業車轉向傳動機構力學模型

為了實現三輪高架作業車轉向傳動機構的力學仿真分析，建立了作業車轉向傳動機構的靜態力學模型，如圖3所示。

作業車前輪轉向傳動機構中，轉臂長度為R，作業車前輪位于中位時，轉向液壓缸的長度為L，轉向液壓缸推桿與轉向臂的夾角為90°；當作業車前輪轉向時，轉向液壓缸的長度變化為L1，此時前輪轉動的角度為α。前輪轉向角與轉向液壓缸的長度變化L1的關系為：

a=cos-12R2+L2-（L-L1）22RR2+L2-tan-1LR。（10）

在轉向過程中，轉向阻力矩不變的情況下，受力情況如圖3所示，可知：

M=FR。（11）

對于轉向阻力距計算[7]，有：

TL=0.05Gs·11+e/B·B200·Us0.7·K。（12）

式中：B為600-16人字形輪胎寬度，B=254 mm；Us為輪胎與地面摩擦系數，Us=0.6；e為轉動輪擺向半徑，e=177 mm；Gs為轉向輪載荷，該車加滿藥質量約3 t，前輪載質量約為總質量的33%；K為超載系數，K=1.2。

由公式可以得出前輪轉向角α與轉向液壓缸長度變化L1的關系，由公式計算出轉向阻力矩M約等于1.15×105 N。

3轉向機構的仿真與優化設計

為了研究田間作業車轉向機構，運用機械系統動力學軟件ADAMS進行仿真模擬[8]。為便于分析，可省略螺栓等緊固件[9-11]，模型如圖4所示。然后在前輪加上恒定的阻力矩TL，并在轉向油缸添加傳感器函數，使得轉向角度不超過30°。最后定義油缸鉸支架上鉸點F（圖3中的F點）的X、Y坐標為設計變量[12]，各設計變量的取值如表1所示。針對作業車的2個轉動方向分別進行仿真分析。

從圖5、圖6可以看出，左右轉向在30°的范圍內，右轉向所用時間較左轉向少，而向左轉向時受力較右轉時小；右向優化前右轉時最大推力為795.1 N，優化后為780.1 N；左轉向優化前液壓桿最大拉力為700.3 N，優化后為688.2 N。左轉優化時最優化點的受力在3 s前是負優化的。

而從優化設計中可以得出，左邊、右邊受力減小時的優化方向是向對的，右轉推力的減小使得左轉拉力的增大，而左轉拉力的減小卻使得右轉推力的增大。綜合對比后，為了使轉向時液壓缸的受力大小均勻、平穩、減小震動，同時考慮液壓缸的初始安裝尺寸為420 mm，液壓缸的行程為165 mm。優化取值見表2，圓整后選取優化點坐標點取值X=-110 mm，Y=-550 mm， 此時右轉時液壓缸受力最大值為780.1 N， 相比優化前減小了1.83%。優化后左右轉向液壓缸推力及車輪轉向角變化見圖7、圖8。可以看出，優化后左轉液壓缸最大受力值為712.1 N，受力值合理，同時左右轉向時車輪角速度均變化平穩。優化后左、右轉向均得到了良好的結果。

4結論

通過對作業車整體轉向動力學模型的分析，建立了全液壓驅動的田間高架作業車的轉向系統的動力學參數化模型，分析了作業車后輪距變化以及搭載不同農機具時產生的質心變化對車輛轉向的影響，為三輪田間高架作業車整體構架的設計及研究提供了理論基礎。

通過作業車轉向傳動機構力學模型的分析，得到了前輪阻力矩的大小以及前輪轉向角與轉向液壓缸的長度變化L1的關系，建立了三輪作業車前輪液壓缸轉向機構的力學模型。

利用機械系統動力學軟件ADAMS建立了前輪轉向機構虛擬樣機模型，實現了作業車轉向機構動態優化仿真設計。研究結果有助于提高自走式全液壓驅動高稈作物作業機械的工作性能和動力單元匹配性能，可為三輪田間高架農業機械全液壓轉向裝置的設計和研究提供參考。

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