呂瑩，李華，馮金龍，李志偉

基于ANSYS Workbench的自走式農(nóng)機底盤的優(yōu)化設(shè)計

呂瑩1，李華1，馮金龍1，李志偉2

(1.嶺南師范學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

針對丘陵山區(qū)地塊面積小、農(nóng)機底盤作業(yè)轉(zhuǎn)向難的問題，設(shè)計了轉(zhuǎn)向靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小的擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤。底盤由轉(zhuǎn)向裝置、浮動裝置、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機，前橋、后橋、控制系統(tǒng)、PTO輸出等組成，采用水冷系統(tǒng)以及CVT無級變速的汽油發(fā)動機與液壓系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)底盤的動力匹配；通過ANSYS Workbench構(gòu)建擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤前橋、后橋、整體機構(gòu)的力學(xué)模型，分析各機構(gòu)不同狀態(tài)下的變形參數(shù)的變化趨勢，并對底盤機構(gòu)易于損壞的部位進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)附近的配件對前橋的變形影響較大，采用5 mm厚度方鋼的前橋結(jié)構(gòu)變形量為0.85 mm，優(yōu)化后的前橋所安裝的配件采用模塊化分配，使用10 mm以上方鋼加工制作，保證前橋變形量穩(wěn)定控制在0.3~1.0 mm；優(yōu)化后的底盤后橋最大等效應(yīng)力為14 MPa，變形量為0.25 mm，分別較優(yōu)化前降低了33.33%和28.57%，機架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到改善。通過壓力測試儀器對實物平臺的測試，底盤在行駛過程中的壓力變化曲線平穩(wěn)，啟動和停止階段所受的壓力在可控制的范圍內(nèi)；底盤的行駛直線度、偏駛率均低于1%，且不受底盤載重的影響。

農(nóng)機底盤；擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式；前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)；力學(xué)分析；優(yōu)化

丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展不僅要提高農(nóng)業(yè)機械的行走通過性和適應(yīng)性[1-5]，而且應(yīng)考慮提高由于地形、底盤受力以及機械本體運動方式等引起的底盤作業(yè)的穩(wěn)定性，從而提高底盤作業(yè)安全的可靠性。為滿足丘陵山地小地塊農(nóng)田的作業(yè)要求[6-8]，需要研制具較小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向靈活、離地間隙大的輕型四輪底盤，通過單維度仿形、變地隙和輪距使底盤具有較高通過性和地形適應(yīng)性。

關(guān)于解決小地塊轉(zhuǎn)向的底盤研究，不能單獨考慮轉(zhuǎn)向的問題，需要將其離地間隙、控制方式以及多適應(yīng)性的作業(yè)需求作綜合考慮。馬旭[9]研究的拖拉機底盤優(yōu)點在于可變輪距和地隙以及實現(xiàn)底盤同轍轉(zhuǎn)向，但底盤采用偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向方式，使其難以在小地塊作小半徑轉(zhuǎn)彎。熊吉林等[10]的倍速轉(zhuǎn)向機構(gòu)只能在四輪驅(qū)動型拖拉機上使用，能實現(xiàn)前輪的線速度大于后輪的線速度，轉(zhuǎn)向半徑較小，但倍速機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，國內(nèi)拖拉機很少采用。張立香等[11]、丁剛[12]以現(xiàn)有農(nóng)機底盤為研究對象，以提高核心部件可靠性為研究目標(biāo)，采用不同的優(yōu)化軟件對底盤驅(qū)動橋參數(shù)模型進(jìn)行優(yōu)化，提升底盤核心構(gòu)件的可靠性。吳永栓等[13]設(shè)計了電動多功能作業(yè)平臺，以電機驅(qū)動為驅(qū)動源，在結(jié)合農(nóng)藝的前提下，對旋耕作業(yè)時能耗損失進(jìn)行分析；朱勇等[14]研究的柔性底盤采用全液壓控制，具有高地隙的特點，單軸鉸接柔性減震，作業(yè)效率較高。以上研究的底盤的轉(zhuǎn)向方式仍然是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎方式，難以實現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑、易于操作、適應(yīng)性好的作業(yè)要求。

筆者結(jié)合小地塊耕種行走路徑和轉(zhuǎn)向方式等作業(yè)要求，設(shè)計了前橋擺轉(zhuǎn)四驅(qū)底盤，可在小地塊作業(yè)時，直接作倒“ U ”形轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭進(jìn)入下一畦，具有輕型、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點。通過ANSYS對底盤前橋、后橋、整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，對底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，以減少應(yīng)力集中對底盤的影響，旨在提高底盤工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1　擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向原理

1.1　結(jié)構(gòu)

前橋擺轉(zhuǎn)四輪驅(qū)動底盤由4個車輪和對應(yīng)的液壓馬達(dá)、電磁閥組件、發(fā)動機、水冷裝置及部分液壓閥體組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。前橋兩側(cè)對應(yīng)安裝2個前輪，底盤后橋兩側(cè)對應(yīng)安裝2個后輪，每一個輪胎都安裝液壓馬達(dá)。左前輪液壓馬達(dá)與右前輪液壓馬達(dá)以串聯(lián)方式接入油路，左后液壓馬達(dá)油路、右后液壓馬達(dá)油路與2個前輪的油路以并聯(lián)方式連接。底盤前進(jìn)的動力由前驅(qū)動輪相連的液壓馬達(dá)提供。在前驅(qū)動輪馬達(dá)排量相同的前提下，2個馬達(dá)的轉(zhuǎn)速保持同步，底盤直線行走；轉(zhuǎn)向時只需切斷一側(cè)馬達(dá)的供油，即可達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

1　左后輪及液壓馬達(dá)；2　電磁閥組件；3　發(fā)動機及水冷裝置；4　左前輪及液壓馬達(dá)；5　右前輪及液壓馬達(dá)；6　右后輪及液壓馬達(dá)。

1.2　轉(zhuǎn)彎原理

前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤轉(zhuǎn)向時，通過停止前橋一側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動，另一側(cè)驅(qū)動輪繼續(xù)行走，使前橋主動圍繞停轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪作大角度擺轉(zhuǎn)，帶動連接后橋機架轉(zhuǎn)向。

為使底盤適應(yīng)在復(fù)雜多變的路面行走，始終保持4個輪子能夠同時接觸地面，在前橋與車架中間安裝轉(zhuǎn)向裝置和浮動裝置[15-16]。轉(zhuǎn)向軸套入浮動軸中，既能轉(zhuǎn)向又能浮動，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1　車架；2　方座軸承；3　轉(zhuǎn)向軸；4　前橋；5　浮動軸；6　浮動軸軸承。

2　擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向機架的優(yōu)化

為了設(shè)計合理的底盤轉(zhuǎn)向機構(gòu)，保障行駛的穩(wěn)定性，確保優(yōu)化分析存在唯一解[17-19]，先要明確各機構(gòu)的連接處和剛性位移，需要添加正確合適的邊界條件。前橋和后橋通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)連接在一起，在轉(zhuǎn)向的過程中，后橋主要進(jìn)行隨動，在靜力學(xué)分析過程中主要按照均勻分布載荷的形式施加到連接處。

2.1　底盤轉(zhuǎn)向過程中的干涉檢查

為了解底盤在作倒“U”形轉(zhuǎn)彎時前橋和后橋機架是否發(fā)生干涉現(xiàn)象，對底盤機架進(jìn)行了幾何計算分析，過程如圖3。為前橋與車架的轉(zhuǎn)向節(jié)點，、、、為車架的外圍輪廓點；為前輪外輪緣上任意點；為車架前端寬度；為前輪輪距；為轉(zhuǎn)向節(jié)點距車架后端長度；為前輪直徑；為前輪輪寬；為前橋與車架間的間隔長度；為轉(zhuǎn)向節(jié)點距前輪外輪緣的長度。

由前橋與車架間的幾何條件看出，位于平面上的端點與前輪外輪緣上的點最易發(fā)生幾何干涉。

為了底盤轉(zhuǎn)向時前橋能夠更好地通過架空區(qū)，需盡量使增大，使減小。分析可知，在輪距及輪直徑一定的條件下，為使盡可能大，盡可能小，需盡可能取小值，因此，在設(shè)計時，應(yīng)使前橋與車架間的間隔長度盡量小。

2.2　底盤前橋的受力分析

運用ANSYS Workbench 14.0對前橋進(jìn)行靜力學(xué)受力分析。如圖4所示，紅色位置主要放置發(fā)動機等零件，施加載荷65 kg，前橋位移形變量最大處位于驅(qū)動橋的中間部位，最大形變量約為0.85 mm；前橋的最大等效應(yīng)力主要出現(xiàn)在中間轉(zhuǎn)向浮動裝置兩側(cè)及以下部位，其較大應(yīng)力值為22~33 MPa。

圖4　前橋受力變形分析

2.3　底盤后橋的受力分析

為了減少底盤轉(zhuǎn)向過程中前輪對后橋的干涉影響和實現(xiàn)底盤結(jié)構(gòu)簡單的目的，在設(shè)計過程中，將底盤的后橋分別對有撐桿和無撐桿形式進(jìn)行力學(xué)分析。各載荷大小如圖5所示。A區(qū)駕駛員體質(zhì)量設(shè)置為75 kg；B和C處為發(fā)動機、油箱、電磁閥等零部件的放置位置，質(zhì)量設(shè)置為65 kg；D處為水箱放置位置，質(zhì)量設(shè)置為15 kg。

圖5　車架上載荷的分布

圖6結(jié)果表明，后橋無支撐桿時的位移變形量較有撐桿時的變形量增加了28.57%；后橋在承受所加載荷下產(chǎn)生的等效應(yīng)力最大處即在操作人員座位的附近，此處的變形量與操作人員的體質(zhì)量有關(guān)。有撐桿的等效應(yīng)力最大為14 MPa；無撐桿的等效應(yīng)力最大為21 MPa。

圖6　有撐桿和無撐桿后橋受力分析

2.4　底盤車架總體受力分析

底盤整體車架在所施載荷作用下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力主要集中在前橋以及與前橋連接的承壓板上，范圍11~22 MPa，如圖7所示，因此，需采用厚度10 mm以上方管制作前橋，并對前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)附近的配件進(jìn)行模塊化分配。在承受所施載荷的作用下，底盤車架的最大變形處在多個電磁閥以及油箱液壓油缸的連接部位，其形變?yōu)?.3~1.0 mm。

圖7　無懸掛整體車架的受力分析

2.5　擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

底盤的前橋主要承受轉(zhuǎn)向裝置和動力系統(tǒng)的壓力。根據(jù)力學(xué)分析可知，底盤的前橋與前橋連接的承壓板上，有0.85 mm的變形量。為實現(xiàn)前橋運動過程中的穩(wěn)定，可以將底盤的水箱和電控系統(tǒng)安裝在連接處的后側(cè)來平衡前側(cè)的發(fā)動機的質(zhì)量。

對后橋等效應(yīng)力和總變形量的分析表明，在不影響前橋轉(zhuǎn)向的前提下，在后橋加入撐桿，可以優(yōu)化底盤車架的承受力，減小底盤車架的變形，延長底盤車架的使用壽命，使底盤車架更加結(jié)實耐用。

為簡化車體結(jié)構(gòu)，降低底盤的整體質(zhì)量，底盤車架采用尺寸為40 mm ×40 mm(GB 906—82)、厚度10 mm的空心方鋼焊接(圖8)。

圖8　優(yōu)化后的底盤機架

3　底盤運行測試

底盤的運行測試在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行。在自制的擺轉(zhuǎn)底盤上安裝油門控制裝置，保持發(fā)動機始終以恒定的輸出轉(zhuǎn)速驅(qū)動油泵，使底盤在直線行駛時保持勻速[20-21]。在底盤4個驅(qū)動輪的側(cè)邊分別安裝轉(zhuǎn)速測試儀。

3.1　底盤行駛軌跡和直線度試驗

底盤行駛軌跡和直線度試驗主要采用水痕法。在確定底盤平穩(wěn)行駛后，每隔1 m處固定放置1條黃色細(xì)線作為標(biāo)記線的取樣點，通過水痕法記錄底盤直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛的實際清晰的水痕軌跡，通過測量壓痕的位置距離(離壓痕最近的標(biāo)定直線的距離)，確定底盤行走輪每個時刻行走的位置坐標(biāo)，得到底盤行走的直線度。

分析底盤有人乘坐和無人乘坐的試驗結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)底盤在平整路面條件下具有設(shè)計要求的行駛直線度，且不受底盤載重影響。行駛直線度偏駛率均低于1%。

3.2　底盤行駛液壓穩(wěn)定性測試

測定底盤在不同條件下各馬達(dá)的輸入壓力和輸入流量的動態(tài)變化情況。在固定發(fā)動機油門線，分別選取行走速度1.0、1.5、2.0、2.5 km/h，對底盤進(jìn)行行駛測試。試驗利用雷諾智能技術(shù)有限公司的CHPM手持式測試儀，實時測量液壓系統(tǒng)的壓力、流量。測試儀配套LERO-HTDAD數(shù)據(jù)分析與處理軟件，基于LABVIEW技術(shù)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行特性分析，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出到Excel，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

液壓測試傳感器安裝形式及其在油路中的安裝位置如圖9所示。馬達(dá)1表示右前輪馬達(dá)，其輸入壓力由傳感器1測得；馬達(dá)2表示左前輪馬達(dá)，其輸入壓力數(shù)據(jù)由傳感器2測得；馬達(dá)3表示左后輪馬達(dá)，其輸入壓力數(shù)據(jù)由傳感器4測得；馬達(dá)4表示右后輪馬達(dá)，其輸入壓力數(shù)據(jù)由傳感器5測得；傳感器3的壓力為馬達(dá)2、馬達(dá)3以及馬達(dá)4的輸出壓力。

圖9　底盤液壓控制系統(tǒng)

由于裝備測試的流量需在10 L/min以上才能保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，底盤啟動時4個馬達(dá)的壓力迅速從零升高到其峰值，其中左前輪、左后輪以及右后輪這3個馬達(dá)的最大峰值壓力為4 MPa，右前輪的峰值壓力為3.5 MPa；底盤在啟動3 s后達(dá)到平穩(wěn)行駛狀態(tài)，如表1所示。

表1　液壓馬達(dá)的穩(wěn)定行走壓力值

底盤后橋兩輪馬達(dá)的輸入壓力在1.0 MPa左右波動，左前輪馬達(dá)的輸入壓力為0.56 MPa，右前輪的馬達(dá)輸入壓力在0.57 MPa波動，左前輪馬達(dá)輸入與輸出之間的壓力差為0.53 MPa，4個馬達(dá)的壓力變化情況趨于一致(圖10)。壓力測試儀器測試的結(jié)果表明，底盤的行走輪在行駛過程中的壓力變化曲線平穩(wěn)，啟動和停止階段所受的壓力也在可控制的范圍內(nèi)。底盤所設(shè)計的液壓驅(qū)動及其控制系統(tǒng)能夠滿足底盤行駛要求。

圖10　四驅(qū)雙泵時兩前輪馬達(dá)的壓力變化

4　結(jié)論

以底盤的轉(zhuǎn)向原理為依據(jù)，對底盤的整體機構(gòu)進(jìn)行干涉檢查，確定底盤結(jié)構(gòu)的合理性?；诘妆P前橋、后橋、整機的靜力學(xué)分析，增加后橋支撐桿的連接方式，優(yōu)化后的底盤后橋較優(yōu)化前的最大等效應(yīng)力、變形量分別降低了33.33%和28.57%，改善了機架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可滿足強度設(shè)計要求。通過實物平臺試驗，底盤在平整路面條件下無論是否有人乘坐均能達(dá)到較高的行駛直線度，偏駛率均低于1%，保證底盤行走直線度的要求。底盤可以連續(xù)作180o的掉頭轉(zhuǎn)向，直接轉(zhuǎn)入相鄰的位置行駛。底盤液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性測試時，馬達(dá)的輸出扭矩與馬達(dá)的壓力差呈正相關(guān)，左前輪與右前輪輸出扭矩相同，左后輪與右后輪輸出扭矩相同，表明機構(gòu)優(yōu)化后的底盤滿足行走時穩(wěn)定性的要求。

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Optimization design of the self-propelled agricultural machinery chassis based on ANSYS Workbench

LYU Ying1, LI Hua1, FENG Jinlong1, LI Zhiwei2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Lingnan Normal University, Zhanjiang, Guangdong 524048, China; 2.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 510642, China)

In order to solve the problem of difficult steering for the farm machinery chassis operation in hilly and mountainous area, a swinging steering chassis with flexible steering and small turning radius was designed. The chassis is composed of steering device, floating device, hydraulic system, engine, front axle, rear axle, control system, and PTO output, etc. The combination of water cooling system and CVT gasoline engine and hydraulic system can realize the power matching of the chassis. Through ANSYS Workbench, the mechanical model of the front bridge, rear bridge and overall mechanism of the wobble and steering chassis is built to analyze the variation trend of deformation parameters in different states of each mechanism, and optimize the vulnerable parts of the chassis mechanical mechanism that are prone to damage. The results show that accessories near the steering mechanism of the front bridge have a great influence on the deformation of the front bridge. The deformation amount of the front bridge structure using square steel with a thickness of 5 mm is 0.85 mm. After the optimization, the installed accessories of the front bridge adopt modular distribution, and the square steel with a thickness of over 10 mm is used to process and make the deformation amount of the front bridge stable control within 0.3-1.0 mm. The maximum equivalent stress of the rear axle of the chassis is 14 MPa, and the deformation is 0.25 mm, which decreased by 33.33% and 28.57% than that before optimization, respectively. The structural stability of the rack was improved. The pressure curve of the chassis in the driving process is stable and the pressure in the starting and stopping stages is within a controllable range through the testing of the physical platform by the pressure testing instrument. The driving straightness and off-course rate of the chassis are all less than 1%, and are not affected by the chassis load.

agricultural machinery chassis; swing steering; front axle steering mechanism; mechanical analysis; optimization

S219.032

A

1007-1032(2020)06-0742-07

呂瑩，李華，馮金龍，李志偉．基于ANSYS Workbench的自走式農(nóng)機底盤的優(yōu)化設(shè)計[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2020，46(6)：742-748．

LYU Y, LI H, FENG J L, LI Z W. Optimization design of the self-propelled agricultural machinery chassis based on ANSYS Workbench[J]. Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences), 2020, 46(6): 742-748.

http://xb.hunau.edu.cn

2020-02-18

2020-08-16

國家“863”計劃子課題(2013AA103440-3)；廣東省科學(xué)技術(shù)廳創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(2018B010204)；嶺南師范學(xué)院人才專項(ZL2023)

呂瑩(1982—)，女，遼寧桓仁縣人，博士，講師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究，lvying1108@163.com

10.13331/j.cnki.jhau.2020.06.016

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立