羅汞偉

（江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

高地隙自走式噴霧機是新型的農(nóng)業(yè)植保機械，因其作業(yè)時需要在農(nóng)田頻繁轉(zhuǎn)向，而且人們對于噴霧車轉(zhuǎn)向性能要求的不斷提高，而前輪轉(zhuǎn)向的噴霧機轉(zhuǎn)向精度低，轉(zhuǎn)向半徑較大，并且噴霧機反復(fù)前進，倒退，會使得作物受到嚴重碾壓，影響作物收成。國內(nèi)也有一些噴霧機采用的是前輪液壓轉(zhuǎn)向，后輪通過桿件傳動進行轉(zhuǎn)向，但是這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的桿件布置困難，而且傳動的效率較低，精度差，很難滿足ackerman轉(zhuǎn)向原理，使得輪胎產(chǎn)生嚴重的側(cè)滑和偏磨。

國內(nèi)研發(fā)高地隙自走式噴霧機的工作還處于起步階段，其中，全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究也未見報道[3]。由此可見，研發(fā)高地隙自走式噴霧機的全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對提高我國施藥機械和技術(shù)水平并加快國內(nèi)高地隙自走式噴霧機的研發(fā)都具有極其重要的作用。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

樣機的全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)向動力缸，動力缸活塞運動帶動連桿與搖臂運動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。簡化后轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)示意圖

通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)示意圖可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)屬于多連桿機構(gòu)，動力缸內(nèi)的活塞在高壓油的推動下往復(fù)運動，再經(jīng)過傳動機構(gòu)，車輪，使噴霧機進行轉(zhuǎn)向，為了便于進行仿真分析并基于活塞的運動形式，可以將動力缸的活塞等效為一根連桿并定義相應(yīng)的約束，因此轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)化為了連桿機構(gòu)。設(shè)定兩根主銷之間為一根連桿，不設(shè)置其自由度，方便進行運動分析，用 AB（A′B′）桿代表車橋，AC（A′C′，BD，B′D′）桿代表搖臂AG（A′G′，BH，B′H′）桿代表主銷，CE（C′E′，DF，D′F′）桿代表連桿，EF（E′F′）桿代表活塞，如表 1 所示。

表1 梯形數(shù)據(jù)介紹

噴霧機的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)中，當(dāng)活塞桿在轉(zhuǎn)向動力缸內(nèi)運動的距離為s時，對應(yīng)內(nèi)轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度為α，外轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度為β。根據(jù)圖中轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的幾何關(guān)系，能夠得到：

綜合以上的兩個式子，能夠得到實際內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的表達式：β=f（α）

理想狀況下四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)外轉(zhuǎn)角關(guān)系：

要實現(xiàn)實現(xiàn)車輪的純滾動，使內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角盡可能地滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，需要對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)進行優(yōu)化計算，當(dāng)然在實際轉(zhuǎn)向過程中，難免會因為一些不確定因素造成一定的誤差，將外輪轉(zhuǎn)向角理論值與實際轉(zhuǎn)向角之間的偏差作為目標函數(shù)，因此，因此得到目標函數(shù)為：

2 ADAMS模型的建立

在ADAMS中的VEIW模塊中，為了便于仿真時能更清楚地顯示仿真圖像，設(shè)定工作界面的背景色為白色并設(shè)定工作界面的單位如圖2所示，在VEIW模塊的主工具箱中，根據(jù)表2所示實際機構(gòu)的測量數(shù)據(jù)，設(shè)定轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)關(guān)鍵點的坐標，將轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)簡化為多連桿機構(gòu)，由于前后橋完全對稱，可以將四輪轉(zhuǎn)向等效為分析前輪轉(zhuǎn)向，以XY平面為主界面設(shè)定關(guān)鍵點，將前車橋中心點坐標定義為坐標原點（0，0，0），這樣便于在建模過程中設(shè)置相應(yīng)關(guān)鍵點的坐標，并對關(guān)鍵點之間添加相應(yīng)的構(gòu)件，得到如圖3所示的模型。

圖2 工作界面的單位設(shè)置

表2 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的參數(shù)

圖3 簡化后的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)構(gòu)件圖

要使轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)能夠正常運動，需要控制機構(gòu)的自由度，因此要在建立完的構(gòu)件上定義相應(yīng)的約束與運動副。根據(jù)樣機的實際機構(gòu)，車橋在原地轉(zhuǎn)向時是固定不動的，那么在車橋上首先要添加一個固定副；梯形臂繞著車橋旋轉(zhuǎn)，則梯形臂與車橋之間應(yīng)該添加旋轉(zhuǎn)副；轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向輪安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上，那么在主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)之間應(yīng)該添加固定副；梯形臂與主銷也固連在一起，所以在梯形臂與主銷之間添加一個固定副；梯形臂與連桿之間通過球鉸連接，所以它們之間應(yīng)該添加球鉸副；連桿的運動由往復(fù)直線的活塞桿帶動，因此活塞桿與連桿之間需要添加萬向副；油缸中的活塞不斷水平往復(fù)運動，相當(dāng)于橫拉桿在不停地做平移運動，所以在橫拉桿上添加一個滑動副。運動副的添加如表3所示。

基礎(chǔ)部件 約束類型車橋與地面 固定副梯形臂與車橋 固定副主銷與梯形臂 固定副梯形臂與連桿 球絞副梯形臂與車橋 旋轉(zhuǎn)副活塞與連桿 萬向副活塞與車橋 滑動副

為了讓轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)可以按照一定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)系統(tǒng)的運動仿真，需要去除系統(tǒng)過多的自由度，因此必須對運動副添加相應(yīng)的驅(qū)動，以限制系統(tǒng)的自由度。參照定義運動副時，運動副約束方程是在固定的坐標系上建立的。將驅(qū)動添加到運動副后，建立驅(qū)動的約束方程用的仍是之前的固定坐標系。動力缸的活塞桿推動連桿運動，而活塞桿被簡化為橫拉桿進行往復(fù)的直線運動，可以假設(shè)活塞桿為剛體。VIEW模塊中，能定義到運動副上的驅(qū)動有滑動驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動?；瑒痈迸c圓柱副可以添加滑動驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)副與圓柱副可以添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。因此，為了能夠模擬機構(gòu)的運動，可以在滑動副上添加一個滑動驅(qū)動，定義并設(shè)定其參數(shù)，得到如圖4所示的模型。

圖4 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)ADAMS仿真模型

3 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)仿真測試

對前面建立的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)ADAMS仿真模型進行一個10s，100步的仿真，分別來分析不同的梯形搖臂長度，液壓缸安裝位置，梯形底角對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 搖臂長度變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響

圖6 液壓缸安裝位置變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響

圖7 底角變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響

對比搖臂長度變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響曲線、液壓缸安裝位置變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響曲線、底角變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響曲線，可以發(fā)現(xiàn)如果保持初始底角和液壓缸安裝位置不變，搖臂長度從120mm增加到140mm，在搖臂長度為120mm時，實際曲線和理想外轉(zhuǎn)角曲線最為相近；如果保持初始底角和搖臂長度不變，液壓缸安裝位置從70mm增加至80mm時，當(dāng)液壓缸安裝位置為80mm時，實際曲線和理想外轉(zhuǎn)角曲線最為相近；如果保持搖臂長度和液壓缸安裝位置不變，初始角度從70°增加至80°時，當(dāng)轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)底角的初始角度為70°時，實際曲線與理想曲線最為相近。說明此時轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)性能最理想，對比圖5與圖6的曲線，底角始終為75°不變，減小搖臂的長度或者增加動力缸安裝位置距離，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角誤差逐漸減小，但是減小的量并不明顯，由此可見，搖臂長度和動力缸安裝位置的變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響不是很大，而底角的變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角有著較為顯著的影響。

4 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

進入ADAMS/VIEW模塊后，考慮到機構(gòu)的運動以及空間布置等因素，約束條件如表4所示。根據(jù)上文已經(jīng)得到的目標函數(shù)，本次對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計利用的是VIEW模塊中自帶的優(yōu)化功能，將模型參數(shù)設(shè)定為優(yōu)化后的值再次進行仿真分析，在后處理模塊中將理想內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線、優(yōu)化前的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線、優(yōu)化后的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線進行整合，得到如圖8所示的曲線。

表4 約束條件

圖8 優(yōu)化前后內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線對比圖

如圖8所示，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線的實際值與理想值之間的差距明顯的減小，說明對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的優(yōu)化是有效的。而內(nèi)輪轉(zhuǎn)角在0°～18°之間時，實際內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線與理想內(nèi)外輪具有很高的重合度，18°～40°之間時，實際內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角曲線與理想內(nèi)外輪出現(xiàn)了較大的誤差，但介于噴霧機的使用條件并非十分苛刻，因此所誤差也控制在了一個可以接受的范圍內(nèi)。

5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能實驗

利用軟件進行仿真分析，具有準確、簡便、靈活的優(yōu)點，能夠較為真實的反映噴霧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，但實驗是檢驗設(shè)計正確與否的唯一標準，仿真分析決不能代替實驗。本章將通過驗證仿真結(jié)果的準確性，從而得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的設(shè)計參數(shù)。

圖9 組裝完成的高地隙自走式噴霧機

實驗中，噴霧機最小轉(zhuǎn)向半徑為：噴霧機外輪與地面接觸點與轉(zhuǎn)向中心之間的距離。實驗步驟：將樣機駕駛到指定的實驗地點，將轉(zhuǎn)向盤向左（右）打死，轉(zhuǎn)向盤保持不動，樣機會以低速勻速轉(zhuǎn)向。樣機旋轉(zhuǎn)一圈時停止運動，在軌跡圓上的任意一點固定住卷尺的一端，另一端不斷在軌跡圓上運動，取測到的最大距離的一半作為樣機最小轉(zhuǎn)向半徑。為了驗證本次優(yōu)化的正確性，分別將方向盤向左打死，像右打死各進行了3次，如表5所示為測量的數(shù)據(jù)，最終結(jié)果計算取平均值。

表5 優(yōu)化前后最小轉(zhuǎn)向半徑的測量實驗

從表5的實驗測量的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)優(yōu)化前，噴霧機最小轉(zhuǎn)向半徑的平均值為3.58m，而通過優(yōu)化噴霧機轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)后，噴霧機最小轉(zhuǎn)向半徑的平均值為2.68m，較優(yōu)化前減小了約25%。同時，通過實驗也驗證了轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)優(yōu)化后，實際的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角與理想的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角基本一致，當(dāng)車輪偏轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角時，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)優(yōu)化前的噴霧機車輪在實驗場地會出現(xiàn)明顯的側(cè)滑痕跡，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)優(yōu)化后的噴霧機車輪在實驗場地則基本沒有側(cè)滑痕跡，并且明顯縮小了最小轉(zhuǎn)向半徑，由此驗證了文章對噴霧機轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的正確性。因此，通過優(yōu)化設(shè)計提高了噴霧機的轉(zhuǎn)向靈活性，同時也減少了輪胎的磨損與側(cè)滑。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動機構(gòu)，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能有著較大影響。文章通過實際樣車模型利用ADAMS軟件建立了轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的仿真模型，分析了搖臂長度，轉(zhuǎn)向動力缸安裝位置，底角的變化對內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的影響，對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)進行參數(shù)化處理，并且通過建立約束條件與目標函數(shù)，對影響內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的參數(shù)進行優(yōu)化計算，對比分析優(yōu)化前后的仿真曲線與理想曲線。

最后將優(yōu)化后的噴霧機駕駛到開闊的路面，進行轉(zhuǎn)向軌跡實驗，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后噴霧機的轉(zhuǎn)向半徑大大減小，前后輪的重合度也很高，而且前后輪轉(zhuǎn)向誤差的大小與虛擬樣機的仿真結(jié)果吻合，說明了虛擬樣機技術(shù)對實際的生產(chǎn)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，也說明了文章的設(shè)計優(yōu)化是有效的。

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