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        自走式植保車折腰轉(zhuǎn)向底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

        2021-03-22 03:00:12劉道奇劉龍董慧鋒秦超彬孫千濤錢凱李赫
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        劉道奇 劉龍 董慧鋒 秦超彬 孫千濤 錢凱 李赫

        摘要:為解決現(xiàn)有自走式植保機(jī)械難以適應(yīng)復(fù)雜地形作業(yè)的問題,本研究設(shè)計(jì)了一款自走式植保車。針對(duì)不同的田間作業(yè)環(huán)境,車體結(jié)構(gòu)上輪距和底盤離地間隙可調(diào),其中輪距在1.0~1.3 m范圍內(nèi)可調(diào),底盤離地間隙為0.5~1.3 m 可調(diào);通過對(duì)輪式車輛主要轉(zhuǎn)向方式的對(duì)比分析,設(shè)計(jì)了中部折腰主動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證作業(yè)車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,對(duì)植保車底盤進(jìn)行了有限元分析,得到了底盤在彎曲和扭轉(zhuǎn)2種工況下的應(yīng)力和位移分布圖。植保作業(yè)車底盤最大應(yīng)力為 68.692 MPa,最大位移為 0.528 4 mm,均小于材料的屈服極限。并對(duì)底盤進(jìn)行了模態(tài)分析,得到前6階的固有頻率(22.367~81.881 Hz)和振型,同時(shí)計(jì)算出外部激振頻率最大為 9.375 Hz,不會(huì)與底盤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。分析結(jié)果表明,底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工作要求,為自走式植保車底盤系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:自走式植保車;折腰轉(zhuǎn)向;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析;底盤結(jié)構(gòu)

        中圖分類號(hào):S49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2021)02-0150-07

        收稿日期:2020-05-08

        基金項(xiàng)目:國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(編號(hào):CARS-04);國(guó)家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(編號(hào):CARS-14)。

        作者簡(jiǎn)介:劉道奇(1992—),男,河南信陽(yáng)人,碩士,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。E-mail:15704485800@163.com。

        通信作者:李赫,博士,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。E-mail:chungbuk@163.com。黃淮海地區(qū)耕地存在地塊小、分布散的特點(diǎn)[1],常規(guī)施藥機(jī)械難以適應(yīng)。作物主要種植有小麥、玉米和大豆,本研究主要針對(duì)小麥和大豆的田間管理設(shè)計(jì)一款自主行走植保車。自走式植保車底盤技術(shù)是自走式植保車研制的核心問題。自走式植保車主要由機(jī)架、 傳動(dòng)系統(tǒng)、行走及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及噴桿懸掛系統(tǒng)等組成。自走式植保車底盤系統(tǒng)在行走、作業(yè)、轉(zhuǎn)彎和過埂時(shí),機(jī)器的前傾、后仰、側(cè)翻、側(cè)滑和振動(dòng)等嚴(yán)重關(guān)系到機(jī)具工作的安全性和作業(yè)的穩(wěn)定性,并影響到機(jī)器的作業(yè)效果。 機(jī)架作為植保車底盤系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,支承著減速機(jī)、油缸、柱塞泵、駕駛室、藥箱和懸架等,在工作過程中受到來自各個(gè)方面載荷的作用,其強(qiáng)度和剛度影響著整機(jī)的工作性能。為此,對(duì)底盤系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì),并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模及性能仿真分析,為自走式植保車底盤系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

        1底盤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

        自走式植保車行走系統(tǒng)研究最基本的問題之一是要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的底盤來融合系統(tǒng)中的不同功能,實(shí)現(xiàn)植保車的行動(dòng)目標(biāo)。作業(yè)對(duì)象的農(nóng)藝要求及作業(yè)環(huán)境決定了植保車底盤的輪距和軸距,也決定了底盤的離地間隙。為使設(shè)計(jì)的植保車能夠符合實(shí)際應(yīng)用,方便調(diào)整底盤輪距和離地間隙,因此要設(shè)計(jì)專用的調(diào)整裝置,可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)不同作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行改變。在水肥條件較好的黃淮海平原區(qū)小麥生產(chǎn)中,主要種植行距為15~20 cm,其中河南省、河北省、山東省和陜西省4省小麥品種的平均株高分別是60.58、67.09、68.09、70.22 cm。大豆種植行距有等行距直播和寬窄行種植行距直播,等行距直播有33、40、50、60 cm 等不同行距;寬窄行密植條播寬行為50 cm,窄行分別為20、25、33 cm,也有寬行為40 cm,窄行為20 cm等。2003—2016年,黃淮海地區(qū)大豆品種株高則略有降低,平均在 80 cm 左右[2-8]。綜合上述條件,輪距設(shè)計(jì)為1.0~1.3 m可調(diào),離地間隙設(shè)計(jì)為0.7~1.3 m可調(diào)。

        2關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        植保車采用四輪驅(qū)動(dòng),每個(gè)輪上都配有獨(dú)立電機(jī)。電機(jī)由植保車電源集中供電,通過控制器控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。植保車轉(zhuǎn)彎時(shí),折腰轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向調(diào)整齒輪。同時(shí),由于內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑不同,外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑,轉(zhuǎn)彎時(shí)通過電機(jī)控制外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速要高于內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)具安全作業(yè),對(duì)植保車直接采用電機(jī)制動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。自走式植保車的整體設(shè)計(jì)見圖1,工作參數(shù)如表1。

        2.1轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        折腰轉(zhuǎn)向通過鉸接的底盤單元來改變車輛的前進(jìn)方向。折腰轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向的車輛更加機(jī)動(dòng),優(yōu)于滑行轉(zhuǎn)向。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎期間,可以保持驅(qū)動(dòng)元件提供的最大推力,從圖2可以看出,設(shè)計(jì)采用中梁式車架,車輪與車架在平面內(nèi)沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),提高了越野性能;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不需要扭轉(zhuǎn)梁和其他部件,優(yōu)化了前后橋結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)向時(shí),兩側(cè)車輪不會(huì)相對(duì)車橋偏轉(zhuǎn),隨著折腰角φ的增加,轉(zhuǎn)向半徑明顯減小。通過理論分析,設(shè)計(jì)采用的軸距為1 200 mm,前車梁與后車梁長(zhǎng)度相同[9]。

        轉(zhuǎn)彎瞬時(shí)半徑中心(C)描述了植保車在大地坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)半徑。此參數(shù)可用于控制植保車進(jìn)行路徑跟蹤。由于設(shè)定路徑的每個(gè)小部分可以通過其曲率半徑來描述,因此它可以用作控制前后平臺(tái)之間所需的折腰角度。

        在l1=l2的情況下,取前后車架長(zhǎng)度為l,r1=r2,由圖2易得:

        α=π-(π-φ)=φ;(1)

        rc(t)=l cotφ(t)2。(2)

        所以植保車在轉(zhuǎn)向過程中的內(nèi)圈半徑rmin為

        rmin=l cotφ(t)2-W2。(3)

        外圈半徑rmax(即最小轉(zhuǎn)彎半徑)為

        rmax=l cotφ(t)2+W2。(4)

        當(dāng)最大轉(zhuǎn)向角為50 °,輪距為1 000 mm時(shí),得出內(nèi)圈轉(zhuǎn)彎半徑為787 mm,最小轉(zhuǎn)彎半徑為 1 787 mm,適合全地形作業(yè)的轉(zhuǎn)向需求。

        由于植保車采用小型輕量化底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),整體載重較小,不須要采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用全液壓轉(zhuǎn)向不僅增加額外載重,也影響模塊化設(shè)計(jì)的輕量結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮利用差速轉(zhuǎn)向或電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。由于作業(yè)環(huán)境多為沙土,車輪滾動(dòng)阻力對(duì)車輛直線行走和轉(zhuǎn)向時(shí)影響較大。經(jīng)過綜合考慮,選用電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。在計(jì)算類似的折腰轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向阻力距時(shí),通常忽略車身轉(zhuǎn)向慣性,主要考慮滾動(dòng)阻力,利用公式(5)[10]進(jìn)行計(jì)算:

        Ms=GfW24+L2。(5)

        式中:Ms為轉(zhuǎn)向阻力距(N/m);G為車體轉(zhuǎn)向載荷(N);f為滾動(dòng)阻力系數(shù);W為底盤輪距(m);L為底盤軸距(m)。

        由于實(shí)際作業(yè)時(shí),前車架部分載重在總車的30%,主要計(jì)算前車架的轉(zhuǎn)向阻力距。通過設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算可得動(dòng)力底盤轉(zhuǎn)向阻力距為318.15 N/m。

        對(duì)轉(zhuǎn)向部件的電機(jī),經(jīng)過查詢,選用一款48 V直流減速電機(jī),轉(zhuǎn)速為72 r/min,最大輸出扭矩達(dá)到 60 N/m。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了適用于折腰轉(zhuǎn)向的齒輪傳動(dòng)系(圖3),減速比為6,經(jīng)過齒輪傳動(dòng)系的傳遞,可以達(dá)到轉(zhuǎn)向的使用要求。并利用邁迪設(shè)計(jì)軟件對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核(圖4),分別選用12、24、36齒的齒輪,模數(shù)為2,材料選擇37Cr4。

        2.2輪距調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        為適應(yīng)不同作物及種植模式,擴(kuò)大機(jī)具的適用范圍,自走式植保車采用前后輪距獨(dú)立調(diào)整方式,實(shí)現(xiàn)輪距可調(diào)。植保車離地間隙采用四輪獨(dú)立調(diào)整的方式。輪距調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)需要將車架進(jìn)行分離,因?yàn)橹脖\囘€須要考慮車架高度調(diào)整的問題,所設(shè)計(jì)的輪距調(diào)整結(jié)構(gòu)還是以機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié),未采用液壓或電動(dòng)推桿,提高植保車的穩(wěn)定性和可靠性。調(diào)節(jié)裝置與支承柱之間使用U型螺絲進(jìn)行固定,可以調(diào)整高度;裝置橫梁與車架橫梁采用螺孔螺栓固定,可以調(diào)節(jié)輪距(圖5)。

        3植保車底盤結(jié)構(gòu)靜態(tài)及模態(tài)分析

        3.1靜力學(xué)分析

        根據(jù)植保車在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的典型工況,如直線勻速行駛,路面高低不平出現(xiàn)單輪瞬間懸空,研究相應(yīng)載荷及邊界約束條件,分析車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度[11-12]。對(duì)自走式植保車進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,建立每個(gè)部件的三維模型,裝配出整車的三維模型,渲染圖見圖6。

        底盤是行走平臺(tái)的重要結(jié)構(gòu)之一,所設(shè)計(jì)的植保車底盤主要是由鋼架焊接而成,前車架和后車架鉸接為一體。車架總長(zhǎng)度為1 900 mm,其中前車架長(zhǎng)度為900 mm,后車架長(zhǎng)度為900 mm,中部連接部分為100 mm。整個(gè)結(jié)構(gòu)由80 mm×80 mm×5 mm的方形管、80 mm×8 mm的C字槽、80 mm×6 mm的橫梁和連接件等組成。

        將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中,更新模型后從材料庫(kù)中設(shè)置底盤材料。設(shè)計(jì)所選材料為45號(hào)鋼,材料屬性見表2。對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并檢查網(wǎng)格質(zhì)量(圖7)。整個(gè)模型共劃分實(shí)體節(jié)點(diǎn)92 619個(gè),實(shí)體單元29 370個(gè)。檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量,檢查底盤零件之間的接觸(圖8)。

        在對(duì)底盤進(jìn)行有限元分析時(shí)須要設(shè)計(jì)載荷和邊界條件。施加載荷須要考慮底盤上的主要部件(表3)。電池和藥箱施加集中載荷,噴桿施加均布載荷,底盤自重施加慣性載荷[13-14]。

        在植保車滿載彎曲工況下,考慮到勻速行駛的狀態(tài),將2根橫梁的端點(diǎn)施加2個(gè)自由度,動(dòng)載系數(shù)取2.5。將載荷添加到部件所在位置,底盤自重靠添加重力加速度來代替。經(jīng)過解算,得到植保車彎曲工況下的應(yīng)力和位移分布(圖9)。從圖9可以看出,底盤最大應(yīng)力為58.409 MPa,最大位移為0.259 54 mm,主要集中在后車架與鉸接處,滿足剛度要求,在加工時(shí)可適當(dāng)增加焊點(diǎn)。

        在植保車扭轉(zhuǎn)工況下,有前后某側(cè)懸空、對(duì)角兩輪懸空等情況,主要考慮植保車某一輪在凹凸不平的道路行駛出現(xiàn)懸空的狀況。在這里設(shè)置右前輪無(wú)自由度約束,另外3個(gè)輪平動(dòng)方向無(wú)約束,動(dòng)載系數(shù)取1.3。經(jīng)過解算,得到植保車在扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和位移分布(圖10)。從圖10可以看出,由于右前輪處于無(wú)約束的狀態(tài),所以應(yīng)力集中在左前輪一側(cè),為68.692 MPa,形變最大位置為右前輪處,為0.528 4 mm。

        植保車作業(yè)時(shí),主要存在彎曲和扭轉(zhuǎn)這2種工況。在這2種工況下,通過分析應(yīng)力和位移的分布圖可以看出,應(yīng)力最大為68.692 MPa,位移最大為0.528 4 mm。設(shè)計(jì)所選的材料為45號(hào)鋼,強(qiáng)度極限為355 MPa,底盤材料和結(jié)構(gòu)完全符合要求[15-17]。

        3.2模態(tài)分析

        3.2.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)植保車在作業(yè)過程中,

        由于田地的不平整,會(huì)有一定的動(dòng)載荷作用。當(dāng)所受動(dòng)載荷頻率與底盤結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時(shí),可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振,從而產(chǎn)生很高的動(dòng)應(yīng)力,造成強(qiáng)度破壞或產(chǎn)生不允許的大變形,破壞植保車的性能。

        模態(tài)分析能夠確定設(shè)計(jì)中的植保車的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)。模態(tài)提取方法:典型的無(wú)阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題。

        Ki=ωi2Mi(6)

        式中:K為剛度矩陣;i為第i階模態(tài)的振型向量(特征向量);ωi為第i階模態(tài)的固有頻率(ωi是特征值);M為質(zhì)量矩陣。

        有多種數(shù)值分析方法可以用來求解模態(tài)分析基本方程。常用的為Block Lanczos法,這種方法輸入?yún)?shù)少,運(yùn)算速度快,而且求解的特征值和向量精度高。

        3.2.2模態(tài)分析植保車底盤的結(jié)構(gòu)模態(tài)主要由設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和選用材料決定,不須要添加載荷和約束。將建立好的模型導(dǎo)入Workbench的Modal模塊中,選擇Block Lanczos方法分析植保車底盤的結(jié)構(gòu)模態(tài),獲得1階至12階的固有頻率(圖11)。

        因?yàn)镸odal得到的前3階的固有頻率接近于0,可以作為剛體模態(tài)處理。剛體模態(tài)在分析中沒有多大價(jià)值,所以排除前3階的剛體模態(tài)[18-19]。把第4階模態(tài)作為實(shí)際情況下的第1階模態(tài),實(shí)際情況的前6階分析結(jié)果見表4。第1階至第6階生成的振型見圖12。

        路面激振頻率的強(qiáng)度由道路情況決定,大部分的農(nóng)村土路和田地,在路面良好的情況下,頻率低于3 Hz。路面情況較差的情況下,激振頻率與路面不平程度和植保車行駛速度存在一定的線性關(guān)系,取植保車最高速度為3 m/s,路面不平波長(zhǎng)為0.32 m,由公式(7)[20]計(jì)算可得,來自路面的激振頻率最高為9.375 Hz。

        fj=μmaxγ。(7)

        式中:fj為激振頻率(Hz);μmax為植保作業(yè)車最高速度(m/s);γ為路面不平波長(zhǎng)(m)。

        4結(jié)論

        采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行植保車折腰轉(zhuǎn)向底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并分析了植保車在彎曲和扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變,得到了植保車在不同工況下的等效應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖。在扭轉(zhuǎn)工況下,應(yīng)力最大為68.692 MPa,位移變化最大為0.528 4 mm。應(yīng)力的強(qiáng)度沒有超過材料的屈服極限。在Workbench Modal中對(duì)植保車底盤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。植保車固有頻率范圍為22.367~81.881 Hz,植保車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),沒有安裝發(fā)動(dòng)機(jī),所以外部激勵(lì)主要來自路面,最大為9.375 Hz,二者不會(huì)產(chǎn)生共振破壞植保車結(jié)構(gòu)。通過靜態(tài)和模態(tài)分析,為樣機(jī)制造提供了參考依據(jù),并為以后的優(yōu)化改進(jìn)提供了仿真數(shù)據(jù)。

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