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

(新興際華應急產業有限公司研究院，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合液壓驅動的方式，結構簡單，被廣泛應用。 三點懸掛裝置是把農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。 三點懸掛裝置對農用拖拉機的作用非常大，可以使不同種類的農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機具安裝到拖拉機的尾部，以使其能更好地適用于農田作業。 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中的懸掛式犁。 經過近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合收割機作業，農場面積變得更大了，幾乎所有拖拉機都安裝了三點懸掛裝置[1]。

隨著科學技術的發展，電驅動技術以其排放低、扭矩高、便于無人化作業的特性，逐漸開始在農機作業領域應用[2]。 但是在用電動商用底盤進行農機具拖掛時，沒有類似于拖拉機的后橋結構，不能預置懸掛裝置，給拖掛農機具作業帶來了一定困難。 筆者在對電驅動商用底盤拖掛農機具作業的方面做了嘗試，設計了一種掛載式的三點懸掛裝置，實現了商用型底盤與農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構示意圖

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機具的上鉸接點連接；下拉桿通過銷軸與掛載支架和農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；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

作業過程中主要有兩種狀態，舉升狀態即農機具離開地面并向上偏擺，可實現農機具自由轉運；作業狀態即農機具下落至作業位，可拖掛農機具正常作業。 掛載式三點懸掛裝置內設置舉升液壓缸，用以實現舉升和作業狀態的切換，如圖3 所示。

圖3 舉升狀態和作業狀態

2 結構有限元分析

掛載式三點懸掛裝置采用模塊化設計，區別于依附在拖拉機后橋的懸掛，整個結構依靠掛載支架及商用底盤的車架來承受農機具的載荷，這便對懸掛裝置的結構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構受力有限元仿真，以評估結構的強度和剛度。

2.1 有限元模型的建立

掛載式三點懸掛裝置主體結構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品，材質為鑄鋼，建立有限元分析模型如圖4 所示。

圖4 結構有限元仿真模型

仿真分析時，三點懸掛裝置掛載某型農機具進行作業，農機具主體結構材質為碳鋼，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自由度；③對農機具工藝結構進行適當簡化，自重為500 kg；④重力加速度設置為g＝9.8 m/s2；⑤懸掛裝置主體材質的屈服強度均大于345 MPa，按照Q345 材質進行仿真分析。 材質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

商用底盤拖掛農機具在作業過程中，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，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構強度。 工況分別選擇掛載式三點懸掛裝置的舉升狀態和作業狀態進行仿真。

(1) 舉升狀態

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) 作業狀態

工況四:雙側工作，在舉升液壓缸處施加舉升力，農機具雙側拖板觸地全約束。

工況五:單側工作，在舉升液壓缸處施加舉升力；農機具單側拖板觸地全約束，另一側拖板不約束。

2.3 仿真分析結果

2.3.1 舉升狀態

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

圖5 工況一縱向沖擊分析結果

圖6 工況二橫向沖擊 分析結果

圖7 工況三垂向沖擊分析結果

舉升狀態下，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，安全系數較大，因此能夠滿足強度要求，應力集中區域可通過結構優化改善。

2.3.2 作業狀態

工況四:最大應力207 MPa，安全系數1.666，如圖8 所示。

圖8 工況四雙邊工作分析結果

工況五:最大應力315 MPa，安全系數1.09，如圖9 所示。

圖9 工況五單邊工作分析結果

作業狀態下，在農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，安全系數較大。農機具在實際作業中單側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 局部結構優化

綜上各工況結果如下。

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

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

對三點懸掛裝置結構進行優化。

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

(2) 將舉升臂的單層開放式臂結構改為雙層封閉式結構，如圖10 所示。

優化后再次進行最惡劣工況下的結構受力分析，得到舉升臂的應力結果如圖11 所示。 優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1.71。

圖11 優化后的舉升臂分析結果

3 鉸點位置優化

掛載式三點懸掛裝置舉升液壓缸驅動農機具實現舉升和下降，液壓缸輸出力的大小決定了舉升機構設計的優劣，因此有必要對機構進行優化。

基于虛擬樣機技術，利用機械系統動力學分析軟件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化目標函數，對舉升機構鉸點位置進行優化，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 確定優化目標函數

3.2.1 機構受力分析

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構設計，舉升運動時中心對稱面兩側結構同步運動，在沒有側向沖擊載荷的作用下，可認為兩側受力平均分配，為簡化分析，將整個懸掛裝置簡化為平面連桿機構，如圖13 所示。

圖13 掛載式三點懸掛裝置機構簡圖

EQTSR為掛載農機具，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1；AEQN為由下拉桿、農機具、上拉桿及掛載支架組成的連桿機構2；DIH為舉升臂、舉升液壓缸及掛載支架組成的連桿機構3；整個裝置的驅動力為舉升液壓缸IH，做往復直線運動。 對機構分部進行受力分析，各連桿及銷軸等自重不予考慮。

(1) 提升連桿機構受力分析

提升連桿機構受力分析圖如圖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下降至作業狀態過程中，舉升液壓缸的受力逐漸減小，落位至作業狀態時的軸向受力最小。 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以及農機具重心位置有關，但農機具重心位置取決于農機具自身結構，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

對機構進行優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) 優化設計變量邊界約束

根據懸掛裝置的結構空間限制，建立邊界約束為DV_x/ymin≤DV≤DV_x/ymax，設計變量的優化范圍見表3。

(2) 變幅液壓缸行程約束

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

3.4 優化結果分析

進入ADAMS 軟件優化模塊，執行優化分析，迭代進行到第6 步時，目標函數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化次數

優化前和優化后舉升液壓缸的受力曲線如圖18所示(實線優化前，虛線優化后)。

圖18 優化前和優化后舉升液壓缸受力曲線圖

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

表4 優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件在實際各工況下受力情況，本節對掛載式三點懸掛裝置進行結構應力和加速度測試。

應力測試首先測量結構件的應變，然后由數據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 傳感器及數據采集系統

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，是用于測量結構應變的元器件，其原理是將結構應變的變化轉換為電阻變化，從而產生“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2.00 ～2.20，靈敏系數分散≤±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三個方向產生的加速度，能承受10 倍左右的過載。 傳感器主要性能參數見表5。

圖20 AS-TG 加速度傳感器

表5 AS-TG 傳感器主要性能參數

4.2.3 數據采集系統

采用imc 公司的CRONOS-SL 數據采集系統，如圖21 所示，系統可以實現大容量、高頻率數據采集。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%，確保采樣數據的準確。

圖21 數據采集系統

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、平路行駛作業和曲路行駛作業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 結果分析

為避免偶然因素的影響，每個工況測量3 組數據，每組數據測量3 次取平均值、最大值及最小值進行結果分析。

4.4.1 靜止舉升測量結果分析

靜止舉升測試應力數據見表8。

表8 靜止舉升測試應力 /MPa

由表8 數據得出: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下的強度要求，并且安全系數均較大。

4.4.2 行駛作業測量結果

平路行駛作業測試應力和加速度數據見表9、10。

表9 平路行駛作業測試應力 /MPa

表10 平路行駛作業測試加速度 /g

由結果看出在行駛作業過程中橫向、縱向、垂向產生加速度，測試點的應力值普遍升高，并出現了對稱位置的測試點的應力相差較大，可見加速度對于結構受力有較大影響。

曲路行駛作業測試的應力和加速度數據見表11、12。

表11 曲路行駛作業測試應力 /MPa

結合平路行駛作業和曲路行駛作業的測試結果得出:①平路和曲路行駛作業時橫向、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，出現在縱向；曲路行駛加速度最大值0.9 g 出現在橫向；②平路和曲路行駛作業產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，出現在提升桿，曲路行駛應力最大值123.3 MPa，出現在下拉桿；③行駛作業時產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 曲路行駛作業測試加速度 /g

綜上所述，作業過程產生的加速度改變了結構的受力狀態，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。 但在實際作業時，農機作業一般均是低速行駛，啟制動過程也相對緩慢，產生的加速度值較小，影響有限，可通過優化設計來加強結構強度，提高裝置的可靠性。

5 結 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，得出以下結論。

(1) 基于拖拉機后置式三點懸掛裝置的結構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 軟件進行結構的受力仿真分析，獲得了懸掛裝置在不同工況下的應力值，證明結構強度滿足使用要求。

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

(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，明確了實際作業過程中的結構強度。

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