基于ADAMS單行自走式缽苗移栽機(jī)穩(wěn)定性分析

姬江濤，李安玲，2，金 鑫，李 燦，杜新武

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2. 安陽工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

0 引言

煙草是我國重要經(jīng)濟(jì)作物，2015年全國煙草移栽面積107.3萬hm2，目前已全面推廣機(jī)械化移栽技術(shù)[1]。我國煙草種植可分為北方煙草種植區(qū)、黃淮煙草種植區(qū)、西南煙草種植區(qū)、東南煙草種植區(qū)和長江中上游煙草種植區(qū)等5大種植區(qū)[2]，不同煙區(qū)由于地理?xiàng)l件的差別，對(duì)移栽機(jī)的要求也不相同。河南省煙草種植多數(shù)在丘陵山區(qū)，由于地形復(fù)雜，機(jī)耕道不完備，傳統(tǒng)大型移栽裝備難以作業(yè)[3-4]；國內(nèi)個(gè)別單位研制的微型移栽機(jī)雖然能夠進(jìn)入煙田，但機(jī)具操作強(qiáng)度大，行走穩(wěn)定性差，影響了作業(yè)效果。

移栽機(jī)底盤是自走式移栽機(jī)核心部件，要完成行走、轉(zhuǎn)向、離合及調(diào)節(jié)高度等工作步驟，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除除滿足相關(guān)農(nóng)藝要求外，還需要對(duì)底盤進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到影響其穩(wěn)定性的因素，這對(duì)移栽機(jī)整機(jī)的可靠性及穩(wěn)定性的研究有很大意義[5-7]。

1 整機(jī)布置方案與主要參數(shù)

對(duì)河南省煙草種植農(nóng)戶開展調(diào)研，確定單行自走式煙草移栽機(jī)設(shè)計(jì)要求如下：

1)良好的操縱性能。移栽作業(yè)時(shí)，能由一位操作者完成駕駛、投苗、栽植效果觀察等全部工作；地形復(fù)雜時(shí)，可由兩位操作者分別完成駕駛和移栽等工作。

2)行駛速度變化多。能夠適應(yīng)道路行駛和移栽作業(yè)的不同速度需求，作業(yè)時(shí)能通過調(diào)整行駛速度和栽植器作業(yè)速度的匹配關(guān)系實(shí)現(xiàn)株距變化，適應(yīng)不同地區(qū)域煙草移栽。

利用SolidWorks軟件虛擬樣機(jī)如圖1所示。底盤由機(jī)架、前輪、后輪和升降機(jī)構(gòu)組成，升降機(jī)構(gòu)和車輪對(duì)稱分布在機(jī)架兩側(cè)，動(dòng)力通過后輪傳動(dòng)軸傳送到后輪支桿，從而帶動(dòng)后輪、前輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

(a) 移栽機(jī)虛擬整機(jī)

(b) 底盤虛擬樣機(jī)圖1 底盤結(jié)構(gòu)示意圖

整機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下：

總體尺寸(長×寬×高)/mm：1 950×1 500×1 580

發(fā)動(dòng)機(jī)功率/kW：2

變速方式：前進(jìn)擋3，倒擋1，空擋1

株距/mm：500、550、600

2 移栽機(jī)穩(wěn)定性分析

煙草移栽機(jī)在田間行駛過程中，在地形和其他外界因素作用下保持正常行駛，不會(huì)發(fā)生傾覆、滑移等現(xiàn)象的能力稱為移栽機(jī)行駛的穩(wěn)定性。

2.1 移栽機(jī)縱向行駛穩(wěn)定性分析[8-9]

當(dāng)移栽機(jī)行駛在傾斜角度較大的田間或道路時(shí)，容易使移栽機(jī)發(fā)生沿坡道縱向滑移或傾覆。由于移栽機(jī)在移植過程中行駛速度較低，所以將空氣阻力和慣性阻力等忽略不計(jì)，且假設(shè)移栽機(jī)的行駛速度是均勻的。

1)移栽機(jī)上坡時(shí)縱向傾覆、滑移條件。當(dāng)移栽機(jī)在縱向發(fā)生傾覆時(shí)，車輪上的作用力為零，移栽機(jī)繞后輪與地面的接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生傾覆，如圖2所示。

圖2 移栽機(jī)等速上坡受力示意圖

其平衡方程為

L2Gcosθ-hGsinθ=0

(1)

其中

(2)

由平衡方程可以得出：當(dāng)田間坡度小于傾覆極限角度θ時(shí)，移栽機(jī)可正常行駛，無傾覆現(xiàn)象。由式(1)可得：移栽機(jī)的重心距離地面的高度h越小，重心距離后輪的距離L2越大，則移栽機(jī)的縱向穩(wěn)定性越好。

移栽機(jī)在縱向坡道上還可能產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，如圖2所示。移栽機(jī)發(fā)生滑移的平衡方程為

Gsinθ-Gkμ=0

(3)

其中，Gk為后輪驅(qū)動(dòng)載荷；μ為行走輪路面附著系數(shù)，則

(4)

由式(3)、式(4)可得

(5)

由平衡方程可以得出：當(dāng)田間坡度小于滑移極限角度θ時(shí)，移栽機(jī)可以在縱向斜坡上正常行駛，無滑移現(xiàn)象。由式(5)可知：發(fā)生縱向滑移的極限角度與移栽機(jī)的重心高度h、前后輪距L和重心與前輪的距離L1有關(guān)。

2)移栽機(jī)下坡時(shí)縱向傾覆、滑移條件。移栽機(jī)在下坡縱向行駛時(shí)如果發(fā)生傾覆，則后輪法向反作用力N2為零，移栽機(jī)繞前輪旋轉(zhuǎn)發(fā)生傾覆，如圖3所示。

圖3 移栽機(jī)等速下坡受力示意圖

其平衡方程為

L1Gcosθ-hGsinθ=0

(6)

其中

(7)

由平衡方程可以得出：當(dāng)田間坡度小于傾覆極限角度θ時(shí)，移栽機(jī)可以在縱向斜坡上正常行駛，無傾覆現(xiàn)象。由式(7)可得，移栽機(jī)的重心距離地面的高度h越小，重心距離前輪的距離L1越大，則移栽機(jī)的縱向穩(wěn)定性越好。

根據(jù)路面的附著條件，對(duì)移栽機(jī)不發(fā)生滑移的極限角度列平衡方程得

Gsinθ-Gkμ=0

(8)

其中，Gk為后輪驅(qū)動(dòng)載荷；μ為行走輪路面附著系數(shù)。則有

(9)

由式(8)、式(9)得

(10)

由平衡方程可以得出：當(dāng)田間坡度小于傾覆極限角度θ時(shí)，移栽機(jī)可以在縱向斜坡上正常行駛，無滑移現(xiàn)象。由式(10)可得：發(fā)生縱向滑移的極限角度與移栽機(jī)的重心高度h、前后輪距L和重心與前輪的距離L1有關(guān)。

2.2 移栽機(jī)橫向穩(wěn)定性的分析[10]

當(dāng)移栽機(jī)在傾斜的田間橫向工作時(shí)，由于左右車身的高度差，容易發(fā)生橫向側(cè)翻或滑移。由于移栽機(jī)在移植過程中行駛速度較低，所以將空氣阻力和慣性阻力等忽略不計(jì)，且假設(shè)移栽機(jī)以等速橫向行駛，利用靜力學(xué)方程對(duì)移栽機(jī)進(jìn)行分析。移栽機(jī)在傾斜田間橫向工作時(shí)受力分析如圖4所示。

圖4 移栽機(jī)橫向行駛受力示意圖

當(dāng)移栽機(jī)在斜坡山橫向行駛發(fā)生側(cè)翻時(shí)，距離水平面較高的側(cè)車輪的法向作用力和切向反作用力為零，移栽機(jī)繞較低側(cè)車輪與地面的接觸點(diǎn)發(fā)生側(cè)翻，根據(jù)受力平衡得

N1×L+G×hsinθ=G×(0.5L-e)×cosθ

即

(11)

要使移栽機(jī)在橫向行駛時(shí)不發(fā)生傾覆，則N1≥0，即

(12)

由平衡方程可以得出：當(dāng)田間坡度小于傾覆極限角度θ時(shí)，移栽機(jī)可以在縱向斜坡上正常行駛，無側(cè)翻現(xiàn)象。由式(12)可得：發(fā)生橫向傾覆的極限角度與移栽機(jī)重心高度h、左右輪距L和重心偏移量e有關(guān)。

移栽機(jī)在橫向坡道上還可能產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，如圖4所示。當(dāng)移栽機(jī)發(fā)生滑移現(xiàn)象時(shí)，其平衡方程為

Gcosθμ1-Gsinθ=0

(13)

θ=atanμ1

(14)

由移栽機(jī)發(fā)生橫向傾覆、滑移的平衡方程可以得出：當(dāng)田間坡度小于滑移極限角度θ時(shí)，移栽機(jī)可以在縱向斜坡上正常行駛，無滑移現(xiàn)象發(fā)生，而滑移極限角度只和移栽機(jī)輪胎與地面的附著系數(shù)有關(guān)。

2.3 整機(jī)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)底盤重心的位置，計(jì)算得出上坡、下坡和橫向行駛的理論傾翻角，如表1所示。

表1 移栽機(jī)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo) (°)

查詢農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：與表1得出的移栽機(jī)穩(wěn)定性指標(biāo)相比，上下坡極限翻傾角、下坡滑移角和橫向極限翻傾角的值小于后輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的極限值,主要是因?yàn)橐圃詸C(jī)的重心位置較高。極限翻傾角和滑移角相比，無論在縱向坡道還是在橫向坡道上，移栽機(jī)都先發(fā)生滑移現(xiàn)象，因此只要移栽機(jī)不發(fā)生滑移，就不會(huì)產(chǎn)生傾翻。

3 仿真結(jié)果分析

分別在空載、滿載兩種情況下的對(duì)底盤的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，通過調(diào)整不同工況下底盤所受的載荷，得到傾翻的極限角度。

3.1 空載狀況下底盤的仿真分析

當(dāng)移栽機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)，底盤質(zhì)心坐標(biāo)為(-0.07，110.169，240)，對(duì)路面一邊的標(biāo)記點(diǎn)Point36-3添加旋轉(zhuǎn)約束，使路面與水平面的夾角從0°以10°/s的速度勻速增大到90°，其角度變化如圖5所示。

圖5 空載狀態(tài)下地面與水平面角度變化曲線

隨著路面傾斜角度的增加，使得移栽機(jī)輪胎與水平面的夾角發(fā)生變化，其角度變化曲線如圖6所示。

圖6 輪胎與水平面夾角示意圖

當(dāng)路面角度變化不大時(shí)，輪胎和地面接觸，底盤作用在地面上，兩者間夾角始終為零，隨著路面傾斜角度的增大，移栽機(jī)發(fā)生橫向傾翻，輪胎與路面之間夾角的變化如圖7所示。

圖7 輪胎與路面夾角示意圖

由圖5～圖7可得：當(dāng)路面的傾斜角度逐漸增大時(shí)，由于移栽機(jī)工作在傾斜的路面上，所以底盤與水平面的夾角隨著路面傾斜角度的增加逐漸增加；圖5與圖6的前半部分曲線重合，以路面傾斜角度增加的速率勻速增加，此時(shí)標(biāo)記點(diǎn)MARKER-2和MARKER-3重合，因此MARKER-4的變化量為0。當(dāng)路面傾斜角度增加到一定程度時(shí)，較高側(cè)輪胎與水平面的夾角迅速增大，增大速率大于路面與水平面之間的夾角的增加速率，表明底盤中標(biāo)記點(diǎn)MARKER-2和MARKER-3分離，此時(shí)移栽機(jī)發(fā)生傾翻，可以得出移栽機(jī)發(fā)生橫向側(cè)翻的極限角度為50°左右。

3.2 滿載狀況下底盤的仿真分析

當(dāng)移栽機(jī)處于滿載工作狀態(tài)時(shí)，其質(zhì)心位置比空載時(shí)質(zhì)心位置高，確定其質(zhì)心坐標(biāo)為(-0.07，198，240)，同空載狀態(tài)相同，對(duì)標(biāo)記點(diǎn)Point36-3添加旋轉(zhuǎn)約束，使路面與水平面的夾角從0°以10°/s的速度勻速增大到90°，其角度變化和空載狀態(tài)下相同，如圖8所示。

圖8 滿載狀態(tài)下3個(gè)角度變化示意圖

由圖8可知：滿載狀態(tài)下路面與水平面的夾角和輪胎與水平面的夾角的變化曲線與空載狀態(tài)下相同，輪胎與水平面間的夾角迅速增加的時(shí)間比空載狀態(tài)下早，同時(shí)輪胎與地面的夾角突變的時(shí)刻也比空載狀態(tài)下早，表明輪胎上的標(biāo)記點(diǎn)MAKER2與路面上的標(biāo)記點(diǎn)MAKER3接觸的時(shí)間短，說明此時(shí)底盤發(fā)生橫向傾覆的極限角度較小。通過圖8得出滿載狀態(tài)下，底盤的橫向側(cè)翻極限角度41°。

移栽機(jī)的苗盤中裝滿缽苗，此時(shí)整機(jī)的重心升高，但底盤兩側(cè)輪胎間的輪距為固定值，所以通過式(13)可得，此時(shí)橫向側(cè)翻的臨界角要小于空載狀態(tài)下移栽機(jī)的橫向側(cè)翻臨界角度。

4 結(jié)論

1)研究了底盤機(jī)架對(duì)移栽機(jī)穩(wěn)定性的影響，分析了移栽機(jī)的橫向穩(wěn)定向和縱向穩(wěn)定性，并計(jì)算了不同路況下的傾翻角。

2)利用ADAMS軟件模擬了移栽機(jī)在空載和滿載狀態(tài)下的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出了不同狀態(tài)下各自的傾翻角度，驗(yàn)證了移栽機(jī)底盤的穩(wěn)定性。

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