王麒淦，馮靜安*，宋寶，喻俊志，王衛(wèi)兵

(1 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子832003;2 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;3 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所,北京 100190)

在玉米、高粱等高桿作物田間施藥過程中,自走式高地隙噴霧機(jī)因其工作效率高而被廣泛使用,但是由于其工作環(huán)境復(fù)雜,整車重心較高,工作過程中容易受到非滿載藥箱藥液晃動(dòng)、噴桿晃動(dòng)的影響而影響施藥的效果,嚴(yán)重時(shí)可能危害駕駛員的人身安全,因此,對(duì)高地隙噴霧機(jī)輪距和軸距的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其工作過程中整機(jī)的側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性具有重要的實(shí)際意義。

不同地區(qū)種植作物類型、生產(chǎn)條件以及生產(chǎn)方式的不同,使得適用于各地的高地隙噴霧機(jī)輪距和軸距尺寸存在明顯的差異。如果忽略了輪距和軸距尺寸的正確組合則會(huì)對(duì)高地隙噴霧機(jī)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響甚大,同時(shí),在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中對(duì)高地隙噴霧機(jī)不同輪距和軸距尺寸進(jìn)行選擇和確定時(shí)可能會(huì)浪費(fèi)大量的財(cái)力和物力,不恰當(dāng)?shù)妮喚嗪洼S距尺寸組合的高地隙噴霧機(jī)在試驗(yàn)過程中還可能對(duì)試車人員的人身安全造成影響,而利用虛擬樣機(jī)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)不同輪距和軸距尺寸選定的方便和快捷。

高地隙噴霧機(jī)屬于特種作業(yè)車輛,有關(guān)研究主要是針對(duì)其局部結(jié)構(gòu)或是整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,例如針對(duì)高地隙噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)[1-3]、懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)[4-5]、高地隙底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[6-7]以及對(duì)懸架穩(wěn)定性控制方法的研究[8-9],也有學(xué)者對(duì)高地隙噴霧機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[10-11]。上述研究能提高高地隙噴霧機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定性,但在研究與分析過程中未考慮其砂石土坑的隨機(jī)路面實(shí)際工況,也沒有系統(tǒng)考慮在此過程中高地隙噴霧機(jī)藥箱不同載藥量、不同作業(yè)車速對(duì)其作業(yè)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響,因此,本文采用虛擬技術(shù)模擬高地隙噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)田間隨機(jī)不平路面、不同作業(yè)車速、不同藥箱載藥量的工況,并對(duì)其輪距和軸距尺寸進(jìn)行優(yōu)化選擇,以期為高地隙噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。

1 高地隙噴霧機(jī)虛擬樣機(jī)模型建立

1.1 建立三維模型

利用Solidworks建立整機(jī)三維模型,該整機(jī)主要由高地隙底盤、駕駛室、藥箱、噴桿、傳動(dòng)裝置等組成,其中,高地隙底盤離地間隙為2 150 mm,噴桿長(zhǎng)度為18 000 mm,藥箱容量為4 000 L。

本文中設(shè)計(jì)高地隙噴霧機(jī)輪距和軸距尺寸共有9種組合方式,為了研究輪距和軸距尺寸對(duì)高地隙噴霧機(jī)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響,9種模型除了輪距和軸距尺寸不同,其他參數(shù)不變,其輪距和軸距組合方式如表1所示。

表1 輪距和軸距組合方式

1.2 ADAMS仿真模型的建立

1.2.1 輪胎路面模型的建立

ADAMS中自帶有二維和三維平路面以及二維不平路面等路面模型,但其路面模型過于簡(jiǎn)單,仿真受限,因此,建立適用于高地隙噴霧機(jī)田間砂石作業(yè)工況下的隨機(jī)路面是高地隙噴霧機(jī)虛擬仿真的重要部分。

本文采用諧波疊加法生成隨機(jī)路面模型,首先,依據(jù)諧波疊加法原理和路面功率譜密度Gq(n)的擬合表達(dá)公式,并基于路面不平度分類標(biāo)準(zhǔn),在MATLAB軟件中編制能夠滿足高地隙噴霧機(jī)作業(yè)工況要求的E等級(jí)隨機(jī)路面文件[12];然后,在MATLAB軟件中生成對(duì)應(yīng)的能適用于ADAMS仿真的隨機(jī)路面.rdf文件[13-15]。

為滿足仿真需求,最終生成長(zhǎng)度x為100 m,寬度y為20 m,路面高程z為50 mm的E等級(jí)路面文件,經(jīng)過多次測(cè)試驗(yàn)證能夠滿足高地隙噴霧機(jī)虛擬樣機(jī)路面條件的仿真要求,在MATLAB軟件中生成的E等級(jí)隨機(jī)路面模型如圖1所示。

圖1 E等級(jí)隨機(jī)路面

輪胎是高地隙噴霧機(jī)與地面接觸的唯一部分,具有支撐車輛和傳遞縱向、側(cè)向力的作用,同時(shí)輪胎模型具有高度的非線性和各向異性,因此,輪胎模型對(duì)高地隙噴霧機(jī)作業(yè)車的側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性具有重要影響,本文采用適用于3D路面模型,同時(shí)又適合做穩(wěn)定性分析的Fiala解析模型,修改其輪胎屬性文件的參數(shù),其中,輪胎質(zhì)量為60 kg,車輪半徑為600 mm,輪胎垂向剛度為310 N·s/m,輪胎垂向阻尼為3.1 N·s/m,輪胎靜摩擦系數(shù)為0.8,輪胎動(dòng)摩擦系數(shù)為0.9。

1.2.2 模型的導(dǎo)入

將在Solidworks中建立的9種輪距和軸距組合的整機(jī)模型保存為Parasolid.格式,分別導(dǎo)入ADAMS/view中,在保證高地隙噴霧機(jī)虛擬樣機(jī)仿真要求的基礎(chǔ)上,為了方便添加約束和避免計(jì)算錯(cuò)誤,在ADAMS中對(duì)次要的部件進(jìn)行布爾和運(yùn)算以減少約束；然后修改導(dǎo)入的模型部件的材料屬性等信息,并進(jìn)行相關(guān)的約束；最后規(guī)定高地隙噴霧機(jī)駕駛員右側(cè)為坐標(biāo)系y軸,x軸負(fù)方向?yàn)榍斑M(jìn)方向,z軸垂直向上為正。

在ADAMS/View中,路面文件是和輪胎文件一起導(dǎo)入的,導(dǎo)入時(shí)選擇上文中建立的E等級(jí)隨機(jī)路面,導(dǎo)入輪胎和E級(jí)隨機(jī)路面的整車虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 ADAMS高地隙噴霧機(jī)虛擬樣機(jī)仿真模型

2 虛擬仿真試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

高地隙噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)在田間路面的激勵(lì)下,噴桿以及藥箱藥液晃動(dòng),使得其側(cè)向加速度變大以及駕駛室座椅處的垂向加速度增大,相應(yīng)的其側(cè)傾穩(wěn)定性降低、乘坐舒適性下降。本文中以高地隙噴霧機(jī)質(zhì)心的側(cè)向加速度ay和其駕駛室座椅處的垂向加速度AZ作為其作業(yè)時(shí)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性試驗(yàn)指標(biāo),并綜合考慮這二項(xiàng)指標(biāo),對(duì)其輪距和軸距組合進(jìn)行仿真分析，因其能很好地反應(yīng)高地隙噴霧機(jī)的側(cè)傾失穩(wěn)和駕駛員乘坐舒適性的狀況,故具有很好的適用性。

2.2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

高地隙噴霧機(jī)在田間作業(yè)時(shí)為保證不出現(xiàn)重噴和漏噴現(xiàn)象,要求其車速盡量保持直線恒速穩(wěn)定行駛,而且研究高地隙噴霧機(jī)田間直線作業(yè)時(shí)不同車速、不同載藥量工況下對(duì)其側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性的影響也是必要的。

鑒于上述特殊要求,設(shè)計(jì)高地隙噴霧機(jī)作業(yè)車速分別為1.5、2.0、2.5 m/s,藥箱充液比分別為0.3、0.5、0.8,定義藥箱充液比為藥液高度與藥箱直徑之比;由于ADAMS無法模擬液體晃動(dòng),故仿真時(shí)不考慮液體晃動(dòng)對(duì)高地隙噴霧機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性的影響,用等質(zhì)量的剛體代替藥箱液體,使不同輪距和軸距組合的噴霧機(jī)在E等級(jí)隨機(jī)路面上作業(yè),檢測(cè)高地隙噴霧機(jī)穩(wěn)定作業(yè)時(shí)其質(zhì)心最大的側(cè)向加速度ay以及其駕駛室座椅處最大的垂向加速度AZ作為高地隙噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)的側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)表1的9種輪距和軸距組合方式順序依次進(jìn)行仿真分析,仿真試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2至4所示。

表2 組合方式1至3試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

表3 組合方式4至6試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

表4 組合方式7至9試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為便于觀察和對(duì)比分析,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)以高地隙噴霧機(jī)9種輪距和軸距組合方式對(duì)應(yīng)的編號(hào)為橫坐標(biāo),其各自對(duì)應(yīng)的側(cè)向加速ay和垂向加速度AZ作為縱坐標(biāo),繪制出不同作業(yè)車速、不同藥箱充液比條件下的組合對(duì)比圖，其中每張圖均是在相同的作業(yè)車速、相同的藥箱充液比條件下對(duì)不同輪距和軸距組合方式的試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,繪制出9種輪距和軸距組合方式的仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，如圖3所示。

圖3 9種模型不同速度、不同充液比時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果

本文以高地隙噴霧機(jī)穩(wěn)定作業(yè)時(shí)其質(zhì)心最大的側(cè)向加速ay和其駕駛室座椅處最大的垂向加速度AZ作為其作業(yè)時(shí)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性評(píng)價(jià)指標(biāo),若這二項(xiàng)指標(biāo)的值都越小則代表高地隙噴霧機(jī)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性越好。從圖3可以看出:同一輪距和軸距組合方式的高地隙噴霧機(jī)在不同作業(yè)速度、不同充液比時(shí)其評(píng)價(jià)指標(biāo)并不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu),并且不同輪距和軸距組合方式的高地隙噴霧機(jī)在相同的作業(yè)車速、相同的充液比時(shí)其兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)也不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

本文提出高地隙噴霧機(jī)作業(yè)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)A,因高地隙噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)質(zhì)心側(cè)向加速ay對(duì)其作業(yè)安全和側(cè)傾穩(wěn)定性影響最大,故以側(cè)向加速ay為主影響因素,其權(quán)重系數(shù)為0.6,以駕駛室座椅處垂向加速度AZ為次影響因素,其權(quán)重系數(shù)為0.4,則高地隙噴霧機(jī)作業(yè)側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛平順性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo):

A=0.6ay+0.4AZ。

(1)

計(jì)算9種輪距和軸距組合方式的高地隙噴霧機(jī)在不同作業(yè)車速、不同充液比時(shí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)A的值，并分別進(jìn)行累加計(jì)算出高地隙噴霧機(jī)9種輪距和軸距組合方式的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)A總的加權(quán)值,并以其最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選,結(jié)果(表5)表明:高地隙噴霧機(jī)輪距和軸距組合方式8的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)A總加權(quán)值最小,即其為最優(yōu)。

表5 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)A總加權(quán)值

3.2 最優(yōu)組合分析

(1)經(jīng)過仿真分析確定高地隙噴霧機(jī)輪距和軸距的最優(yōu)組合方式編號(hào)為8。對(duì)高地隙噴霧機(jī)輪距和軸距組合方式8的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)高地隙噴霧機(jī)在相同的作業(yè)速度時(shí)隨著充液比的增加其質(zhì)心側(cè)向加速度ay呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谙嗤妮^低車速時(shí)載藥量增加使得整車重量增加,使其表現(xiàn)的更“穩(wěn)重”,并且增加的載荷分布于整車車架中心位置附近,使高地隙噴霧機(jī)側(cè)傾穩(wěn)定性相對(duì)提高。

(2)在相同充液比時(shí),隨著作業(yè)車速的增加其質(zhì)心側(cè)向加速度ay亦呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。其原因是高地隙噴霧機(jī)作業(yè)車速為低速,且在不平路面激勵(lì)、噴桿晃動(dòng)耦合作用下,隨作業(yè)車速增加其橫擺角速度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì),并且橫擺角速度減小的趨勢(shì)大于車速增加的趨勢(shì)所致。

(3)高地隙噴霧機(jī)作業(yè)車速為1.5 m/s時(shí),其質(zhì)心側(cè)向加速度ay相對(duì)于其他各車速均處于峰值;在作業(yè)車速為2 m/s充液比為0.8時(shí)高地隙噴霧機(jī)駕駛室座椅處垂向加速度AZ超過1.3 m/s2且為最大值,此現(xiàn)象可為駕車人員安全作業(yè)提供相關(guān)參考。

4 結(jié)論

(1)本文研究在ADAMS中建立了高地隙噴霧機(jī)虛擬樣機(jī)仿真模型,通過仿真分析確定高地隙噴霧機(jī)最優(yōu)組合為輪距2 800 mm、軸距4 100 mm。

(2)為防止噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)側(cè)傾失穩(wěn),高地隙噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)速度應(yīng)避免一直處于1.5 m/s;為保證駕駛員作業(yè)時(shí)的乘坐舒適性,高地隙噴霧機(jī)藥箱充液比處于0.8附近時(shí),車速應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間處于2 m/s。