基于ADAMS的植保機(jī)操縱穩(wěn)定性分析與研究

高偉周,周敬東,周 天,阮曉松,楊 力

(1.湖北工業(yè)大學(xué),武漢 430068;2.湖北省農(nóng)機(jī)裝備智能化工程技術(shù)研究中心,武漢 430068;3.武漢沐沃霖科技發(fā)展有限公司,武漢 430068)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高,我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。自走式植保機(jī)的問世,提高了我國(guó)南方廣大水田植保作業(yè)效率。針對(duì)植保機(jī)在水田間作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的滑轉(zhuǎn)、通過性變差、行走不穩(wěn)定等問題[1-4],對(duì)植保機(jī)操縱穩(wěn)定性進(jìn)行分析和研究,擬建立一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹脖C(jī)動(dòng)力模型,以提高整機(jī)性能和控制操縱穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)外很多研究人員對(duì)汽車、拖拉機(jī)等車輛在行駛過程中的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究。李華師、宗光濤等通過利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析與評(píng)價(jià),得出了該型號(hào)汽車的轉(zhuǎn)向盤角階躍性能、追隨性能、躲避障礙物性能與穩(wěn)態(tài)性能到達(dá)良好水平[5]。婁秀華等針對(duì)拖拉機(jī)參數(shù)化實(shí)用模型問題,使用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析,繪制了拖拉機(jī)行駛速度、運(yùn)動(dòng)軌跡和轉(zhuǎn)彎半徑的相關(guān)變化曲線,為拖拉機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析奠定了基礎(chǔ)[6]。劉金龍等通過使用MatLab/SIMULINK平臺(tái)建立七自由度車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型來模擬汽車的操控穩(wěn)定性,能夠完成汽車的操控穩(wěn)定性反映的車輛運(yùn)動(dòng)特性的變化[7]。Zhang Z等針對(duì)提高車輛在參數(shù)不確定且車身側(cè)滑角狀態(tài)無法測(cè)量情況下的操縱穩(wěn)定性,提出了一種基于模型的車輛控制器設(shè)計(jì)方法,能有效提高車輛的操縱穩(wěn)定性[8]。董紅亮通過建立包含四輪轉(zhuǎn)向和主動(dòng)懸架的整車統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)模型,提出了一種基于車身姿態(tài)控制的四輪轉(zhuǎn)向和主動(dòng)懸架的協(xié)調(diào)控制策略,并采用方向盤角階躍輸入進(jìn)行仿真,研究了使用不同控制系統(tǒng)時(shí)的車輛極限性能[9]。以上的研究人員針對(duì)車輛模型建模和操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)做出大量的研究,汽車動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用,但對(duì)自走式植保機(jī)整車操縱穩(wěn)定性方面研究較少。

為此,考慮到植保機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)極為相似,利用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)自走式植保機(jī)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析與評(píng)價(jià),能夠基本反映自走式植保機(jī)在不同行駛工況下的操縱穩(wěn)定性能,對(duì)植保機(jī)動(dòng)力學(xué)分析研究及提高操縱穩(wěn)定性能具有一定的指導(dǎo)作用。

1 操縱穩(wěn)定性理論分析

車輛的操縱穩(wěn)定性是指通過操作員在特定的路面與環(huán)境下的多次行駛表現(xiàn)出來的性能,穩(wěn)定性的好壞直接影響著操縱性的好壞,也影響著車輛的工作性能[10]。自走式植保機(jī)是否具備良好的操縱穩(wěn)定性,應(yīng)從穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)響應(yīng)、直線加減速行駛及轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入等方面性能來考慮。

1.1 直線行駛工況狀態(tài)

自走式植保機(jī)在水田作業(yè)過程中,直線行駛是常有的工作狀態(tài),包括車輪加減速和勻速行駛狀態(tài)。為了把握植保機(jī)操縱穩(wěn)定性的基本特性,把植保機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成一個(gè)前后有側(cè)向彈性的輪胎支撐于地面且具有側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)的二自由度車輛模型[10],主要考慮以下幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo):

速度評(píng)價(jià)指標(biāo)[10-11]為

(1)

式中u(t)—汽車縱向速度(m/s);

tn—試驗(yàn)時(shí)間(s)。

縱向加速度指標(biāo)[10-11]為

(2)

式中ax(t)—縱向加速度(m/s2);

動(dòng)力性能總指標(biāo)[10-11]為

(3)

式中ωU、ωAx—加權(quán)值。

響應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[10-11]為

(4)

式中ax(t)—縱向加速度(m/s2);

Trp—油門開度(mm);

1.2 角階躍工況行駛狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

自走式植保機(jī)在轉(zhuǎn)彎的情況下,駕駛員打方向盤給前車輪一個(gè)轉(zhuǎn)彎角度,在前輪角階躍輸入下產(chǎn)生的車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng),采用穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益(轉(zhuǎn)向靈敏度)來評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng),即穩(wěn)態(tài)時(shí)的橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比[10]。

穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益[10-11]為

(5)

式中K—穩(wěn)定性因數(shù);

L—前后兩車輪相距長(zhǎng)度(mm);

u—質(zhì)心速度V于t時(shí)刻在橫向的位移分量(m/s)。

1.3 角階躍工況行駛狀態(tài)的瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)給自走式植保機(jī)前車輪一個(gè)角階躍輸入后,過渡過程中自走式植保機(jī)的橫擺角速度響應(yīng)為ωr(t)。那么,影響瞬態(tài)響應(yīng)的主要因素有[11]:橫擺角速度ωr,波動(dòng)時(shí)的固有頻率ω0,阻尼比ζ,反應(yīng)時(shí)間τ,達(dá)到第一峰值ωr1時(shí)的時(shí)間ε等。

橫擺角速度響應(yīng)ωr(t)[10-11]為

(6)

式中m—自走式植保機(jī)質(zhì)量(kg);

k2—相關(guān)系數(shù);

Φ—偏位角度(o)。

2 建立整車模型

利用ADAMS/Car建立自走式植保機(jī)的整車虛擬樣機(jī)模型,由于Car模塊的建模環(huán)境分為模板建模器和標(biāo)準(zhǔn)模式兩種,該虛擬自走式植保機(jī)樣機(jī)可以拆分為車身系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)總成系統(tǒng)及前后輪胎系統(tǒng)等幾類系統(tǒng)[5,9-12]。在建模型時(shí),根據(jù)山東眾和3WPHS-600A型自走式植保機(jī)的數(shù)據(jù)參數(shù)適當(dāng)?shù)匦薷腁DAMS軟件所具有的子系統(tǒng)模板,完成每個(gè)子系統(tǒng)的建立,最后把子系統(tǒng)裝配成植保機(jī)整車模型,如圖1所示。

圖1 植保機(jī)整車模型Fig.1 Whole vehicle model of plant protection machine

利用ADAMS/Car建立的整車模型依據(jù)3WPHS-600A型植保機(jī)參數(shù)[13-14],如表1所示。

表1 植保機(jī)整車關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of plant protection machine

3 操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)

3.1 直線行駛運(yùn)動(dòng)工況下的仿真分析

直線行駛是自走式植保機(jī)常見運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在ADAMS/Car軟件中創(chuàng)建驅(qū)動(dòng),選取水田路面模型,進(jìn)行多次調(diào)試[15]。自走式植保機(jī)先進(jìn)行加速行駛,縱向速度變化如圖2所示。穩(wěn)速行駛一段時(shí)間后再減速行駛,縱向速度變化如圖3所示。

圖2 加速下的縱向速度變化Fig.2 Longitudinal velocity change under acceleration

圖3 減速下的縱向速度變化Fig.3 Longitudinal speed change at deceleration

由圖2可以看到:自走式植保機(jī)整車在驅(qū)動(dòng)力的作用下,做加速直線行駛,4s后車速度逐漸穩(wěn)定在8m/s,繼續(xù)前行。由圖3可以看到:自走式植保機(jī)在初速度為8m/s時(shí),開始減速,一段時(shí)間后,制動(dòng)力矩逐漸減小,大約在4.5s時(shí),速度減為0,停止行駛。仿真結(jié)果表明:自走式植保機(jī)在直線行駛工況下,速度很快達(dá)到穩(wěn)定值,又可在穩(wěn)速行駛的情況下,整車速度不斷減小直至為零,有較好的加減速穩(wěn)定特性。

3.2 轉(zhuǎn)向盤角階躍工況下的仿真分析

轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗(yàn)是指給正在前進(jìn)的植保機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)向盤角階躍信號(hào)輸入,同時(shí)監(jiān)測(cè)橫擺角速度、側(cè)向加速度、車身側(cè)傾角等值的變化趨勢(shì)[16-19]。在ADAM/Car軟件中,模擬自走式植保機(jī)以穩(wěn)定的速度在路面上行駛前進(jìn),給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)角階躍輸入后,進(jìn)行仿真,在后處理界面可以看到橫擺角速度、側(cè)傾角等參數(shù)的響應(yīng)狀況[20]。

選取不同的車速,仿真時(shí)間為5s,初始轉(zhuǎn)角為0°,最終轉(zhuǎn)角為20°,設(shè)定1s時(shí)角階躍信號(hào)發(fā)生響應(yīng)。仿真后,橫擺角速度響應(yīng)曲線如圖4所示。車身側(cè)傾角響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖4 橫擺角速度響應(yīng)曲線Fig.4 Yaw rate response curve

圖5 車身側(cè)傾角響應(yīng)曲線Fig.5 Body roll angle response curve

由圖4可以看到:車速為10m/s時(shí),植保機(jī)的橫擺角速度到達(dá)穩(wěn)定值所花費(fèi)的時(shí)間少于其它兩類車速,穩(wěn)定時(shí)間約為1.325s,橫擺角速度的超調(diào)量也比較小;隨著速度的不斷增加,橫擺角速度的反應(yīng)時(shí)間在減少,但穩(wěn)態(tài)響應(yīng)所需要的時(shí)間在增加。因此,自走式植保機(jī)的穩(wěn)定性因數(shù)K>0。

由圖5可以看到:車身側(cè)傾角隨著車速的變化而不斷發(fā)生變化,在車速為10m/s時(shí),趨向穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間最少;隨著車速的不斷增加,車身側(cè)傾角度逐漸變大,最后也趨向了穩(wěn)態(tài)狀況。

3.3 蛇形線試驗(yàn)工況下的仿真分析

蛇形試驗(yàn)方法主要用來研究汽車或植保機(jī)等車輛瞬態(tài)閉環(huán)響應(yīng)特性,能檢查車輛在接近側(cè)滑或者側(cè)翻工況下的操縱穩(wěn)定性能的好壞, 也可以用來綜合評(píng)價(jià)車輛行駛穩(wěn)定性[5]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6323.1-94規(guī)定的蛇形試驗(yàn)的基準(zhǔn),標(biāo)樁間距是30 000mm,基準(zhǔn)車速為10m/s[5]。在仿真試驗(yàn)中,按給定的初速度10m/s進(jìn)行仿真試驗(yàn),同時(shí)采集方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度、車輛軌跡等參數(shù)的變化趨勢(shì)[21-22]。車速設(shè)定為10m/s時(shí)的仿真結(jié)果,如圖6所示。

(a)方向盤轉(zhuǎn)角

(b)車輛軌跡

(c)橫擺角速度響應(yīng)

(d)側(cè)向加速度響應(yīng)圖6 車速10m/s時(shí)蛇形線試驗(yàn)仿真曲線Fig.6 Simulation curve of serpentine test at 10m/s

由圖6可以看出(加速度g=9.8m/s2):自走式植保機(jī)在車速為10m/s時(shí)能正常通過提前設(shè)置的軌跡路線,表明具有較好的追隨性能。

3.4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真分析

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)整車的不足和過多的轉(zhuǎn)向特性,固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角分為連續(xù)加速和定轉(zhuǎn)彎半徑的兩類試驗(yàn)方法。為了能得到更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果,依據(jù)ISO4138-82標(biāo)準(zhǔn),使用固定轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行不斷加速的方法進(jìn)行仿真[5]。在仿真試驗(yàn)前,設(shè)置轉(zhuǎn)彎半徑為30m,初始速度為5m/s,最后速度為15m/s,左側(cè)轉(zhuǎn)向方式,仿真時(shí)間為90s。仿真試驗(yàn)過程中,讓自走式植保機(jī)沿著定值轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng),不斷加速,根據(jù)圓周半徑大小隨時(shí)使用方向盤調(diào)整轉(zhuǎn)角,讓自走式植保機(jī)有最大的側(cè)向加速度;仿真過程中不斷觀察并收集自走式植保機(jī)的質(zhì)心軌跡、車輪速度變化、側(cè)向加速度等參數(shù)變化趨勢(shì),根據(jù)收集結(jié)果進(jìn)行分析。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可以看出:自走式植保機(jī)在車速不斷增加的情況下, 能在已設(shè)置好的固定圓周軌跡上行駛,車速增加但仍然保持在回轉(zhuǎn)路徑軌跡上。由圖7(b)可以看出:自走式植保機(jī)在回轉(zhuǎn)半徑的限制下,從初始速度開始提速,在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi),車速度增加到已設(shè)定的最終速度,完成穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)。由圖7(c)可以看出(加速度g=9.8m/s2):自走式植保機(jī)的加速度處于反向增加趨勢(shì),符合車輪左側(cè)方向(逆時(shí)針)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證操縱穩(wěn)定性仿真結(jié)果的正確性,在3WPHS-600A型自走式植保機(jī)上安裝方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、數(shù)據(jù)采集器、光學(xué)測(cè)速儀等零部件,讓植保機(jī)在水田環(huán)境和車輪懸空狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,如圖8所示。

(a)質(zhì)心軌跡曲線

(b)側(cè)向車速變化圖

(c)側(cè)向加速度變化圖圖7 圓周回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真曲線Fig.7 Simulation curve of circular rotation test

圖8 整車試驗(yàn)Fig.8 Vehicle test

仿真車輛軌跡與實(shí)車車輛軌跡變化對(duì)比,如圖9所示。

圖9 車輛軌跡變化對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of vehicle trajectory change

通過實(shí)車試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可看出:兩者在趨勢(shì)變化方面結(jié)果達(dá)到基本吻合。由于整車試驗(yàn)受到路況質(zhì)量、天氣和操作等實(shí)際因素的影響,直線行駛運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向盤角階躍工況等試驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)稍微突變,但與仿真試驗(yàn)的變化趨勢(shì)是一致的。因此,所建立的自走式植保機(jī)多體仿真模型可以較為準(zhǔn)確地分析與評(píng)價(jià)實(shí)車的操縱穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對(duì)自走式植保機(jī)操縱穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià),通過采用ADAMS軟件中的Car模塊建立模型,設(shè)置了不同的車速對(duì)轉(zhuǎn)向盤角階躍、直線加減速行駛、圓周回轉(zhuǎn)等試驗(yàn)進(jìn)行了仿真和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:自走式植保機(jī)的車速為10m/s時(shí),操縱穩(wěn)定性較好。研究結(jié)果為提高植保機(jī)的操縱穩(wěn)定特性和動(dòng)力分配控制系統(tǒng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。