輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組動態(tài)縱向穩(wěn)定性探究*

張 希，陳柏宇，王鵬宇

（廣安職業(yè)技術(shù)學院智能制造與汽車工程學院，四川 廣安 638000）

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種常用的農(nóng)機設(shè)備，輪式拖拉機的作業(yè)往往需要與翻轉(zhuǎn)犁、動力耙、除草機等農(nóng)具設(shè)備進行配合，而在此過程中，形態(tài)各異的配套農(nóng)具可能會導致輪式拖拉機的重心、受力狀態(tài)等發(fā)生一定的改變，影響作業(yè)穩(wěn)定性，可能引發(fā)傾覆、側(cè)翻、滑脫等風險，危及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及作業(yè)人員生命安全。因此，為了更好地保障輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組動態(tài)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，使其能夠進一步適應復雜環(huán)境下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求，技術(shù)團隊需要針對輪式拖拉機懸掛農(nóng)具后的機組動態(tài)穩(wěn)定性進行全面分析與測試，為優(yōu)化農(nóng)具設(shè)計生產(chǎn)模式，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平提供保障。

1 輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組動態(tài)穩(wěn)定性分析類型

受到輪式拖拉機作業(yè)模式以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境條件等相關(guān)因素的影響，懸掛農(nóng)具機組運行過程中主要將面對勻速上坡、勻速下坡以及加速上坡三種工況，因此需要針對三種工況下的機組動態(tài)穩(wěn)定性進行分析[1]。

1.1 勻速上坡時的穩(wěn)定性分析

在輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的勻速上坡工況當中，主要涉及的力包括重力、前后輪摩擦力、拖拉機牽引力、路面垂直反力等，具體受力表現(xiàn)如圖1所示。

圖1 勻速上坡時拖拉機機組的受力狀態(tài)分析

為更好地針對輪式拖拉機農(nóng)具機組在勻速上坡時的穩(wěn)定性進行分析，需要結(jié)合受力狀態(tài)針對勻速上坡狀態(tài)下的翻傾角與滑移角進行計算。其中，翻傾角計算公式為：

滑移角計算公式為：

式中，α'max為輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組在勻速上坡工況狀態(tài)下的滑移角，θ為滾動摩擦系數(shù)。

通過對翻傾角與滑移角進行計算與分析后，能夠掌握其穩(wěn)定性影響要素，主要涵蓋了拖拉機機組輪胎與路面之間的摩擦狀態(tài)、拖拉機軸距以及機組重心分布等相關(guān)指標。

1.2 勻速下坡時的穩(wěn)定性分析

相較于勻速上坡狀態(tài)而言，輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組在勻速下坡工況下的受力狀態(tài)更為復雜，其涉及的力矩涵蓋了機組重力、路面支反力、輪胎制動力以及整個機組在下坡工況下所產(chǎn)生的滾動阻力等幾方面。具體受力表現(xiàn)如圖2所示。

圖2 勻速下坡時拖拉機機組的受力狀態(tài)分析

受到機組重力及其生產(chǎn)作業(yè)形態(tài)等因素的影響，導致拖拉機農(nóng)具機組可能在下坡時產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，因此同樣需要結(jié)合機組受力狀態(tài)對其力矩平衡條件以及滑移條件進行綜合分析，具體公式為：

1.3 加速上坡時的穩(wěn)定性分析

加速上坡是輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組運行作業(yè)過程中可能面對的一項特殊工況，需要針對整個機組在加速上坡狀態(tài)下的受力進行分析，其中涉及的力矩主要包括拖拉機機組自身產(chǎn)生的重力、路面反饋的支反力，拖拉機機組發(fā)動機提供的驅(qū)動力、機組輪胎與路面之間的摩擦力以及驅(qū)動機組前進過程中所產(chǎn)生的向后慣性等等，具體受力形態(tài)如圖3所示。

圖3 加速上坡時拖拉機機組的受力狀態(tài)分析

在加速上坡工況機組穩(wěn)定性分析的同時，也需要針對其翻傾角與滑移角的表現(xiàn)情況進行計算，其中，翻傾角的計算公式為：

在分析加速上坡時機組滑移條件的過程中，還應當考慮慣性所造成的影響，具體計算公式為：

這是常態(tài)化的管理手段，素祥法師說：“評比中各方面表現(xiàn)好的，給一定獎金；不好的要改進；改進不了的，評不上先進不說，還可能被取消資格。”

由上式可知，其加速上坡狀態(tài)下滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生與機組狀態(tài)、加速度情況、前后輪軸距及其運行過程中的摩擦系數(shù)相關(guān)。受到輪式拖拉機運行作業(yè)流程以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全需求等相關(guān)因素的影響，在輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的運行過程當中，其驅(qū)動力往往較為穩(wěn)定，較少發(fā)生加速下坡作業(yè)狀態(tài)的情況，因此，在本次研究中未針對機組加速下坡狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行分析[2]。

2 拖拉機機組動態(tài)縱向穩(wěn)定性仿真分析

為了解輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組在作業(yè)過程當中的重心分布情況及其動態(tài)縱向穩(wěn)定性狀態(tài)，需要采用SolidWorks、ADAMS 等軟件進行建模，并完成相應仿真分析，從而給出相應的分析結(jié)果，并為農(nóng)用輪式拖拉機懸掛農(nóng)具作業(yè)的相關(guān)注意事項提供參考。

2.1 模型建立

為了更好地完成不同工況狀態(tài)下拖拉機機組動態(tài)縱向穩(wěn)定性的仿真分析目標，使輪式拖拉機的作業(yè)和運行符合相應的規(guī)范標準，技術(shù)人員可結(jié)合上述差異化工況下的計算流程以及計算公式進行模型的建立，提升仿真分析結(jié)果的準確性與可靠性。在借助軟件進行仿真建模的過程當中，需要遵循以下幾方面原則和要求。

首先是簡化性原則。農(nóng)用輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組在運行過程當中，受到其作業(yè)環(huán)境周邊環(huán)境狀態(tài)、農(nóng)具形態(tài)參數(shù)以及機組各部件構(gòu)成等因素的影響，導致其實際受力狀態(tài)往往較為復雜，一方面會給運算過程帶來極大的壓力，另一方面還容易出現(xiàn)錯漏現(xiàn)象，很難基于模型做出準確的仿真分析[3]。因此，應當遵循簡化性的原則和要求，盡可能減少大量零部件受力狀態(tài)給最終分析計算工作造成的影響，忽略整個機組在運行作業(yè)過程當中的具體結(jié)構(gòu)，將一些運動性質(zhì)相同的零部件作為整體進行分析，使輪式拖拉機機組的模型仿真性能得到顯著優(yōu)化，進一步規(guī)避模型仿真分析過程當中可能面臨的計算問題。

其次是一致性原則。不同工況下輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的運行與受力狀態(tài)應當與原型分析情況相一致，使模型能夠更加直觀地展現(xiàn)出拖拉機機組的實際受力特性，反映其運行和作業(yè)過程當中系統(tǒng)的真實情況，盡可能減少建模過程當中影響仿真分析結(jié)果的隨機性與模糊性情況，使機組穩(wěn)定性分析以及受力仿真研究的開展更加完善，為拖拉機開發(fā)設(shè)計以及輪式拖拉機運行作業(yè)要求的制訂提供相應的技術(shù)支持和保障。

最后是系統(tǒng)性原則。雖然需要針對拖拉機當中的零部件進行簡化，但也應注意到，機組當中一些重要部件在作業(yè)工況下的受力狀態(tài)也需要得到相應的分析。例如，在農(nóng)用輪式拖拉機建模分析工作當中，技術(shù)人員需要分別針對拖拉機的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)以及農(nóng)具系統(tǒng)進行模型的構(gòu)建，并在建模軟件當中進行裝配，使輪式拖拉機機組當中的關(guān)鍵受力部件都能得到更加系統(tǒng)化的分析和研究，有效提升仿真建模分析效果和質(zhì)量。

2.2 仿真分析方法

為了使輪式拖拉機機組的動態(tài)縱向穩(wěn)定性能夠在建模仿真過程當中得到相應分析，技術(shù)團隊需要針對仿真分析方法以及分析過程當中的相關(guān)數(shù)據(jù)指標進行設(shè)定，使其能夠充分反映出不同工況狀態(tài)下拖拉機機組的運行情況。分析團隊應當借助ADAMS 仿真系統(tǒng)構(gòu)建輪式拖拉機不同工況下的仿真分析臺，保障其坡角、拖拉機輪距、懸掛高度、重心分布、載荷等有關(guān)數(shù)值得到相應的配置，從而強化仿真分析結(jié)果的真實性、客觀性與準確性。在針對輪式農(nóng)用拖拉機在不同工況下的運行狀態(tài)以及受力狀態(tài)進行綜合分析的過程當中，技術(shù)團隊以及分析團隊還應當考慮到駕駛員狀態(tài)對于最終分析結(jié)果產(chǎn)生的影響，并結(jié)合實際針對拖拉機機組不同工況作業(yè)當中的仿真分析結(jié)果進行復核，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏洞[4]。

2.3 勻速上坡穩(wěn)定性仿真

通過對勻速上坡工況下輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組在不同角度坡度的作業(yè)姿態(tài)進行仿真分析過后能夠得出結(jié)論，該狀態(tài)下輪式拖拉機機組的極限翻傾角為35°，極限滑移角為20°，其中，機組滑移角角度始終小于翻傾角角度，因此其在勻速上坡狀態(tài)下的作業(yè)安全能夠得到保障。

2.4 勻速下坡穩(wěn)定性仿真

作為輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組運行作業(yè)過程當中的另一項重要工況，機組在勻速下坡狀態(tài)下的穩(wěn)定性同樣需要得到針對性分析和測試，在利用ADAMS軟件進行仿真試驗臺的布置過程當中，將輪式拖拉機的下坡作業(yè)角度分別設(shè)定為12°、17°以及22°三個層次，機組行進速度等相關(guān)參數(shù)設(shè)定與勻速上坡仿真過程相一致，并針對拖拉機機組的作業(yè)狀態(tài)進行觀察和研究。仿真過程中，機組在17°坡道上出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，并最終滑移至路面邊緣。

通過對勻速下坡狀態(tài)下輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的滑移姿態(tài)以及翻傾姿態(tài)進行仿真分析與研究過后能夠得出結(jié)論，拖拉機機組在勻速下坡狀態(tài)當中的極限滑移角為17°，相較于勻速上坡的工況狀態(tài)而言，受到機組重心變化以及行進姿態(tài)變化等因素的影響，導致拖拉機機組在勻速下坡狀態(tài)當中所面臨的滑移風險更大，更易產(chǎn)生相應的安全風險，因此需要拖拉機機組開發(fā)設(shè)計團隊以及駕駛技術(shù)人員嚴格遵循相關(guān)文件標準，積極落實安全作業(yè)要求，減少滑移現(xiàn)象的發(fā)生[5]。

2.5 加速上坡穩(wěn)定性仿真

除了勻速上坡以及勻速下坡等兩種常見作業(yè)工況外，為了使輪式拖拉機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作當中發(fā)揮出更加直觀的作用，強化其爬坡性能，駕駛者往往會在機組上坡過程當中掛入不同擋位，使其適應上坡作業(yè)環(huán)境。而為了做好輪式拖拉機機組加速上坡工況狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析與仿真工作，進一步規(guī)避機組產(chǎn)生的滑移風險以及側(cè)翻風險，技術(shù)團隊還可以結(jié)合拖拉機各擋位速度狀態(tài)進行仿真測試，采用STEP 階梯函數(shù)將不同擋位的速度進行配置與設(shè)定，使其能夠進一步契合拖拉機懸掛農(nóng)具機組在加速上坡工況下的相關(guān)運行狀態(tài)[6]。仿真過程中，機組在28°坡道加速行駛時出現(xiàn)翻傾現(xiàn)象，并處于后仰狀態(tài)。

經(jīng)過姿態(tài)分析與驗證過后能夠發(fā)現(xiàn)，拖拉機的不同擋位加速狀態(tài)對其展現(xiàn)出的極限翻傾角也會造成一定的影響，其中，從一擋換至二擋時的極限翻傾角為28°，從一擋換至三擋時的極限翻傾角為23°，從一擋換至四擋時的極限翻傾角為18°，基于上述數(shù)據(jù)能夠得出結(jié)論，在拖拉機懸掛農(nóng)具機組的加速運行狀態(tài)下，擋位變更幅度越大，機組的瞬時加速度越快，其極限翻傾角越小，可能出現(xiàn)翻傾風險的概率就越高。另外，在加速上坡?lián)跷煌蛔兊臓顟B(tài)下，拖拉機的極限翻傾角可能會小于上坡過程當中產(chǎn)生的極限滑移角，導致其安全性受到極大威脅。因此，在駕駛輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組進行生產(chǎn)作業(yè)的過程當中，駕駛?cè)藛T應當盡可能合理控制加速上坡時的擋位變化，有效減少加速度突變給拖拉機機組作業(yè)狀態(tài)造成的影響，進一步強化其運行作業(yè)穩(wěn)定性。

3 拖拉機機組動態(tài)縱向穩(wěn)定性實車試驗

為了更好地針對課題組所述輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組在不同工況下的動態(tài)縱向穩(wěn)定性仿真結(jié)果進行驗證，還需要結(jié)合不同工況特性展開實車試驗工作，觀察輪式拖拉機在不同工況當中的翻傾與滑移表現(xiàn)，并得出實車極限與仿真分析結(jié)果之間存在的差異，為拖拉機作業(yè)優(yōu)化提供支持和助力。

3.1 試驗準備

在組織開展實車試驗工作之前，技術(shù)團隊以及驗證團隊需要針對性做好試驗準備工作，使試驗過程能夠更好地針對拖拉機機組的極限滑移角以及極限翻傾角進行測試，并得出相應分析結(jié)論。

首先，實車試驗開展工作需要依托特定角度的坡道進行，技術(shù)團隊以及試驗團隊可采取填鋪等方式設(shè)立對應角度的坡道，并針對坡道周邊環(huán)境、路面狀態(tài)等相關(guān)影響因素進行檢查和控制，針對影響機組正常作業(yè)和運行的路面雜物進行及時清理，減少雜物對于實車試驗結(jié)果造成的影響，同時還能規(guī)避試驗過程當中可能存在的安全風險以及安全隱患[7]。

其次，在開展實車試驗的過程當中，還應當盡可能保障駕駛?cè)藛T的安全，針對試驗現(xiàn)場進行全面的安全措施配置，必要時采用機械設(shè)備進行輔助測試，避免機組翻傾或滑移現(xiàn)象給駕駛者造成威脅。

最后，在試驗準備工作的開展過程當中，為了進一步提升試驗結(jié)果的準確性與可靠性，試驗團隊以及技術(shù)人員還應當做好農(nóng)具配置與懸掛工作，分別將農(nóng)具置于拖拉機設(shè)備200 mm、505 mm 以及810 mm 三個位置進行試驗，從而進一步契合試驗過程當中變量控制的要求與原則，進一步提升試驗準確性。

3.2 試驗方案設(shè)計

由上文可知，在輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的運行過程當中，主要涉及勻速上坡、勻速下坡以及加速上坡三項工況類型，因此在實車試驗當中，同樣也應當滿足上述三項工況的要求，技術(shù)人員以及試驗團隊需要做好實車試驗過程當中機組擋位、機組前進速度以及轉(zhuǎn)向控制等相關(guān)指標的設(shè)定工作，并遵循一般性原則基于不同角度進行多次實驗，從而得到最終試驗結(jié)果[8]。

3.3 試驗結(jié)果分析

在針對輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組動態(tài)縱向穩(wěn)定性開展實車試驗的過程當中，選定了15°、18°與20°三個角度作為驗證條件，輪式拖拉機機組在20°及以下的路面行駛作業(yè)時，未出現(xiàn)明顯的滑移、翻傾現(xiàn)象。因此能夠得出結(jié)論，在動態(tài)作業(yè)姿態(tài)下，輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的極限滑移角以及極限翻傾角均大于20°，在日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過程當中能夠保障駕駛?cè)藛T安全，有效降低了滑移或翻傾風險的發(fā)生概率。

3.4 結(jié)論與建議

3.4.1 結(jié)論

通過對動態(tài)作業(yè)姿態(tài)下輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組穩(wěn)定性進行仿真分析以及實車試驗過后能夠發(fā)現(xiàn)，拖拉機機組的實車試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果之間具有一致性，在正常運行狀態(tài)下，拖拉機機組不會出現(xiàn)滑移或翻傾等安全風險。與此同時，基于SolidWorks以及ADAMS軟件進行的仿真分析工作能夠作為設(shè)備機組行進受力的重要參考，有效提升了拖拉機設(shè)計科學性與合理性，同時為拖拉機機組駕駛優(yōu)化提供了一定依據(jù)。

3.4.2 建議

雖然農(nóng)用輪式拖拉機機組在懸掛農(nóng)具的運行與作業(yè)過程當中，其極限翻傾角以及極限滑移角均大于20°，能夠具備一定的安全保障功能，但在這一過程當中，同樣需要技術(shù)人員以及駕駛?cè)藛T進行相應的控制，杜絕不安全駕駛行為的出現(xiàn)，降低滑移現(xiàn)象以及翻傾現(xiàn)象在正常作業(yè)過程當中的出現(xiàn)概率，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益以及農(nóng)機運行效率得到同步提升。

首先，駕駛?cè)藛T以及拖拉機技術(shù)人員應當充分關(guān)注到拖拉機機組的行進姿態(tài)變化情況，經(jīng)過仿真分析以及實車試驗過后能夠得出結(jié)論，在一般狀態(tài)下，輪式拖拉機機組勻速下坡過程當中所產(chǎn)生的極限滑移角一般小于勻速上坡過程當中所產(chǎn)生的滑移角，因此駕駛者應當提升對于下坡過程中機組姿態(tài)的控制力，使下坡過程當中的姿態(tài)穩(wěn)定與行進安全得到充分保障[9]。

其次，駕駛?cè)藛T應當針對輪式拖拉機懸掛農(nóng)具機組的加速度進行合理控制。經(jīng)過模型仿真分析以及實車試驗過后能夠得出結(jié)論，當拖拉機機組行進加速度發(fā)生突變時，機組出現(xiàn)滑移或翻傾等現(xiàn)象的概率增大，可能會給駕駛者帶來一定的安全威脅，因此在驅(qū)動拖拉機機組進行加速上坡的過程當中，駕駛技術(shù)人員還應當關(guān)注到機組擋位的變化情況，盡可能避免跳擋等情況所引發(fā)的加速度突變現(xiàn)象，使拖拉機機組在加速上坡過程當中所表現(xiàn)出的抗滑移能力以及抗翻傾能力得到顯著強化與提升[10]。

最后，駕駛?cè)藛T還應盡可能控制機組行進過程當中的重心狀態(tài)。經(jīng)過仿真分析以及實車試驗過后能夠得出結(jié)論，輪式拖拉機懸掛農(nóng)具進行動態(tài)作業(yè)與行進的過程當中，其機組輪距及其重心分布情況也會對機組的滑移與翻傾狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響。因此，機組駕駛者應盡可能避免輪胎懸空或重心分布不均等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使機組翻傾角與滑移角得以控制在合理范圍內(nèi)。