潘偉陽(yáng), 李曉康,2,3*, 孫 偉,3, 侯晶濤, 梁宇凱, 李向陽(yáng)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州730070;3.甘肅省草地農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730070)

青貯飼料因其本身含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪,深受養(yǎng)殖戶(hù)的喜愛(ài)。隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)飼料的需求量也在持續(xù)地升高,因此對(duì)青貯收獲機(jī)械的需求量也愈來(lái)愈大。與傳統(tǒng)的收獲技術(shù)相比,全株機(jī)械化收獲工作效率可提高十幾倍甚至幾十倍以上,可以有效地節(jié)省勞動(dòng)成本[1]。

我國(guó)丘陵山地可耕作地塊為坡度不相等、形狀不規(guī)則的中小型地塊,加上基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、機(jī)耕道路少而狹窄等,作業(yè)時(shí)還面臨著打滑、沉陷、田埂和溝壕阻擋等問(wèn)題,使丘陵山區(qū)青貯收獲機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)“無(wú)機(jī)可用”的現(xiàn)象,特別像云、貴、川等丘陵山地地區(qū)對(duì)青貯作物的收獲還是以傳統(tǒng)的人工收獲為主。近年來(lái)雖然各大企業(yè)開(kāi)始涉足青貯行業(yè),但是由于起步較晚,缺乏先進(jìn)的技術(shù)和理論基礎(chǔ),對(duì)適用于復(fù)雜地形收獲機(jī)械的研究與日本、韓國(guó)相比還是有一定的差距[1]。因此,為了進(jìn)一步提高青貯收獲機(jī)的環(huán)境針對(duì)性與地形適應(yīng)性,開(kāi)展相應(yīng)工況的坡地行走機(jī)理研究,并探討關(guān)鍵參數(shù)對(duì)行駛性能的影響規(guī)律十分必要[2-4]。

以自主研發(fā)的青貯收獲機(jī)為研究對(duì)象,建立爬坡、越溝、越障等典型工況力學(xué)模型,研究該機(jī)的行駛性能及影響因素;建立收獲機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型,分別在混凝土路面和粘土路面對(duì)模型的行駛性能進(jìn)行仿真,分析仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性。

1 履帶底盤(pán)式青貯收獲機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

結(jié)合山地地區(qū)作業(yè)環(huán)境,確定該機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)為:(1)整機(jī)空載質(zhì)量3 000 kg,滿(mǎn)載質(zhì)量3 500 kg;(2)在松軟路面上有較好穩(wěn)定性和通過(guò)性,接地比壓<25 kPa;(3)收獲工作時(shí)速度范圍為2～4 km/h,最高行駛速度8 km/h;(4)具有較好的爬坡能力,空載最大爬坡角25°。

1.2 履帶設(shè)計(jì)

考慮到收獲機(jī)工作環(huán)境惡劣,履帶容易受到磨損,因此要求履帶必須有足夠的附著能力和抗磨損能力。目前市面上廣泛使用的橡膠履帶有輪孔式、摩擦傳動(dòng)式和輪齒式。在考慮了其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性之后,采用輪齒式橡膠履帶。

履帶結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)行走性能具有很大的影響。因此,需要對(duì)青貯收獲機(jī)履帶的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),履帶結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)主要有接地比壓、履帶板寬度b,履帶接地長(zhǎng)度L和履帶軌距B等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[5]可得:

(1)

B=(0.25～0.3)L

(2)

(3)

式中:m為整機(jī)總重,kg;[P]為履帶接地比壓,kPa;g為重力加速度,取9.8。

1.3 輪系設(shè)計(jì)

1.3.1 驅(qū)動(dòng)輪

驅(qū)動(dòng)輪的功用是將傳動(dòng)系傳來(lái)的動(dòng)力傳給履帶,驅(qū)動(dòng)輪和履帶的嚙合情況將影響動(dòng)力傳遞的效率。依據(jù)JB/T 6682-2008《聯(lián)合收割機(jī)橡膠履帶系列參數(shù)》標(biāo)準(zhǔn),可得驅(qū)動(dòng)輪公式為:

(4)

Dg=DO-2F

(5)

Dd=DO+2H-5

(6)

式中:Do為驅(qū)動(dòng)輪節(jié)線基準(zhǔn)圓直徑,mm;Dg為驅(qū)動(dòng)輪齒根圓直徑,mm;Dd為驅(qū)動(dòng)輪齒頂圓直徑,mm;t為履帶節(jié)距,取90 mm;n為驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù),選取齒數(shù)為8;H為履帶厚度,取20 mm;F為履帶傳動(dòng)平面到鋼絲繩中心平面的距離,取12 mm。

1.3.2 支重輪

支重輪的功用一是用來(lái)支撐整機(jī)重量并將其傳到地面上,二是通過(guò)夾持履帶來(lái)防止履帶橫向滑脫。為了減少能量損失需要考慮支重輪工作時(shí)與履帶之間的阻力,支重輪需要具有較小的滾動(dòng)阻力。在混凝土路面行駛時(shí),支重輪要承受重載和強(qiáng)烈沖擊,還需要具有高強(qiáng)度和高耐磨度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,支重輪直徑[6]為:

Dz=2.5t

(7)

1.3.3 張緊輪

張緊輪除了可以調(diào)節(jié)履帶張緊度,還能起到限位作用。安裝張緊輪時(shí)一方面要限制其垂直方向的位移,另一方面要保證前后方向有一定的位移行程,便于調(diào)整履帶張緊力的大小。張緊力與履帶節(jié)距之間的比值決定著履帶卷繞時(shí)的沖擊力,比值越大,沖擊力越小[7]。

1.4 收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)

整機(jī)主要由履帶底盤(pán)1、機(jī)身2、料倉(cāng)3、拋料裝置4、切碎裝置5、割臺(tái)6等組成,收獲機(jī)作業(yè)時(shí)可一次性可完成青貯玉米收割、喂入、切割、拋料工作,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 履帶底盤(pán)收獲機(jī)三維模型

由于收獲機(jī)工作環(huán)境崎嶇多變,將底盤(pán)接近角和離去角設(shè)計(jì)為固定值,既可以保持車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性,又可以避免不必要的設(shè)計(jì)和制造成本。該收獲機(jī)底盤(pán)由橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、張緊輪、托帶輪以及車(chē)架構(gòu)成。參考上述經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)合實(shí)際情況及整車(chē)總體設(shè)計(jì)要求,最終確定該收獲機(jī)行走部分及整車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

表1 青貯收獲機(jī)基本參數(shù)

2 收獲機(jī)直線行駛動(dòng)力學(xué)分析

圖2為斜坡行駛受力示意圖,G為整機(jī)重力,N;Fz為地面對(duì)履帶底盤(pán)整機(jī)的支撐力,N;Ft為履帶底盤(pán)牽引力,N;Ff為履帶與地面之間的摩擦阻力;Fw為空氣阻力,N;Fi為坡度阻力,N;Fj為加速阻力,N;Fn為履帶底盤(pán)內(nèi)摩擦阻力,N。收獲機(jī)在平坦路面行駛時(shí),驅(qū)動(dòng)輪沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),履帶底盤(pán)式青貯收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受總阻力為:

圖2 斜坡行駛受力示意圖

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj+Fn

(8)

斜坡行駛時(shí)收獲機(jī)重力沿坡道的分力表現(xiàn)為坡道阻力,即表達(dá)式為:

Fi=Gsinα

(9)

影響履帶底盤(pán)與路面的摩擦阻力的因素很多,即與行走裝置有關(guān)也與路面種類(lèi)有關(guān),如整機(jī)載荷、履帶構(gòu)造和材料、土壤粘聚力模量、土壤內(nèi)摩擦模量等。有些因素在實(shí)際過(guò)程中難以獲取,用理論計(jì)算的方法不實(shí)用。因摩擦阻力主要取決于履帶車(chē)輛的整體質(zhì)量,在工程上?？梢岳煤?jiǎn)化公式進(jìn)行估算斜坡行駛時(shí)履帶與地面之間的摩擦阻力:

Ff=Gfcosα

(10)

式中:f為滾動(dòng)摩擦系數(shù),松軟路面取0.10。

收獲機(jī)底盤(pán)行走裝置的內(nèi)摩擦阻力可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[8]：

Fn=Gfncosα

(11)

其中:fn為內(nèi)阻力系數(shù),其取值范圍為0.04～0.08。

加速阻力就是加速時(shí)需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力,也稱(chēng)其為慣性阻力。為了更加直觀地體現(xiàn),在圖2中將加速阻力作為阻礙收獲機(jī)前進(jìn)的力,其表達(dá)式為:

(12)

空氣阻力可表示為收獲機(jī)行駛時(shí)空氣作用力在行駛方向上的分力,其表達(dá)式為:

(13)

式中:CD為空氣阻力系數(shù),取0.6～1.0;v為車(chē)速,km/h,A為迎風(fēng)面積,即收獲機(jī)行駛方向投影面積,m2。

將(9)(10)(11)(12)(13)代入到(14)中,可得收獲機(jī)爬坡行駛時(shí)所受到的所有阻力和為:

(14)

當(dāng)收獲機(jī)平地直線行駛時(shí),且收獲機(jī)行駛速度較低,空氣阻力和坡道阻力可忽略不計(jì),則平地直線行駛時(shí)收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受總阻力為:

∑F=Ff+Fj+Fn

(15)

收獲機(jī)履帶底盤(pán)行走裝置的內(nèi)摩擦阻力可以表示為:

Fn=Gfn

(16)

收獲機(jī)履帶與地面之間的摩擦阻力可表示為:

Ff=fG

(17)

將(12)(16)(17)代入(15)中可得平地直線行駛時(shí)收獲機(jī)所有總阻力為:

(18)

如圖3所示,建立平地行駛坐標(biāo)系,以質(zhì)心為坐標(biāo)系原點(diǎn),以收獲機(jī)底盤(pán)前進(jìn)方向?yàn)閤方向,垂直于前進(jìn)方向?yàn)閥方向(向上為正)則;

圖3 直線行駛受力示意圖

Ft-Ff-Fn-Fj=0

(19)

驅(qū)動(dòng)力可以表示為:

(20)

式中:Tt為作用于驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩,N·mm;r為驅(qū)動(dòng)輪半徑,mm。

根據(jù)(16)(17)(19)(20)可得,該收獲機(jī)平地直線行駛時(shí)的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為:

(21)

3 收獲機(jī)穩(wěn)定性和通過(guò)性分析

由于丘陵山地地形復(fù)雜多變,需要收獲機(jī)具有良好的行駛性能,本節(jié)將主要研究行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性和通過(guò)性。假設(shè)將機(jī)體行駛時(shí)受到的力分解為橫向和縱向,即從收獲機(jī)橫坡行駛和縱坡行駛兩種工況下分別討論其行駛穩(wěn)定性;從收獲機(jī)翻越垂直壁和跨越溝壕工況下分別討論其通過(guò)性。

3.1 穩(wěn)定性分析

3.1.1 縱坡行駛穩(wěn)定性分析

機(jī)體縱坡行駛穩(wěn)定性主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括極限坡度角和極限下滑角。收獲機(jī)上、下坡時(shí)的穩(wěn)定性與自身重力、履帶和地面之間的摩擦力以及坡地支撐力的大小有關(guān)[9-10],底盤(pán)上、下坡受力分析如圖4所示。其中:a為重心至后端支重輪中心的橫向距離,mm;b為重心至前輪中心的橫向距離,mm;h為地面到收獲機(jī)重心的垂向距離,mm;FZ1為路面支撐力,N。

圖4 收獲機(jī)縱坡行駛受力示意圖

當(dāng)收獲機(jī)處于穩(wěn)定上坡?tīng)顟B(tài)時(shí),對(duì)最后一個(gè)支重輪取力矩方程得:

FZ1s-Gacosα+Ghsinα=0

(22)

由于受力平衡,可得:

FZ1=Gcosα

(23)

將(22)代入式(23)得:

(24)

要保證不發(fā)生傾翻必須滿(mǎn)足s>0,隨著坡度不斷變大,當(dāng)機(jī)體發(fā)生傾翻時(shí),此時(shí)的坡度就是極限坡度,即s=0,可得:

αcosα-hsinα=0

(25)

即縱向上坡時(shí)極限傾翻角為:

(26)

同理可得縱向下坡時(shí)極限傾翻角為:

(27)

極限下滑角是收獲機(jī)在坡道上駐車(chē)不產(chǎn)生滑動(dòng)的最大坡度角,極限下滑角計(jì)算公式為:

αφ=arctanφ

(28)

式中:φ為路面附著系數(shù)。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,收獲機(jī)在各種路面上的極限下滑角度如表2所示,在保證安全的情況下收獲機(jī)縱坡行駛極限角度為[11]：

表2 不同路面上的極限下滑角

α縱max=min(αx,αs,αφ)

(29)

3.1.2 橫坡行駛穩(wěn)定性分析

收獲機(jī)橫坡行駛穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有橫坡行駛極限坡度角和橫向側(cè)滑角等方面[12]。收獲機(jī)在橫坡行駛穩(wěn)定性同樣也與自身重力、履帶和地面之間的摩擦力以及坡地支撐力的大小有關(guān),受力分析如圖5所示。

圖5 橫坡行駛收獲機(jī)受力示意圖

當(dāng)機(jī)體在坡地上發(fā)生側(cè)翻,此時(shí)坡角為橫坡行駛極限坡度,由于受力平衡,根據(jù)平衡方程可得:

FZ3B-Gcosα(0.5B-e)+Ghsinα=0

(30)

式中:FZ3為左側(cè)履帶地面支撐力,N;e為重心到收獲機(jī)橫向中心的橫向距離,mm。

此時(shí)可得左側(cè)地面支撐力為:

(31)

收獲機(jī)發(fā)生側(cè)翻臨界條件是FZ3=0,并假設(shè)e=0,可得極限坡度為:

(32)

收獲機(jī)在橫坡駐車(chē)時(shí)不發(fā)生滑移的坡角為橫向極限滑移角αh,由力平衡方程式可得:

Gsinα=f1+f2

(33)

Gcosα=φz(f1+f2)

(34)

式中:φz為坡地上的橫向附著系數(shù);f1為左側(cè)履帶與地面之間橫向附著力,N;f2為右側(cè)履帶與地面之間橫向附著力,N。

橫坡駐車(chē)不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象條件為:

Gsinα≤φzGcosα

(35)

αh=arctanφz

(36)

可見(jiàn),橫向極限滑移角與坡地上的橫向附著系數(shù)φz有關(guān),隨著橫向坡度的增加,到達(dá)一定角度后收獲機(jī)會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,影響正常行駛。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,收獲機(jī)在各種路面上的橫向極限滑移角如表3所示。所以在保證行駛安全情況下收獲機(jī)橫坡行駛極限角為:

表3 不同路面上的橫向滑移角

α橫max=min(αε,αh)

(37)

3.2 越障通過(guò)性分析

3.2.1 翻越垂直壁性能分析

由于丘陵山地地形復(fù)雜,收獲機(jī)經(jīng)常會(huì)在坡地上工作,本節(jié)將研究坡度、極限仰角和越障高度之間的關(guān)系。收獲機(jī)在翻越垂直壁時(shí)其翻越過(guò)程包括三個(gè)階段[13-14]：(1)第一階段指前輪與垂直壁邊緣產(chǎn)生接觸時(shí),履帶在驅(qū)動(dòng)輪作用下轉(zhuǎn)動(dòng),直至履帶接地段與垂直壁接觸。(2)第二階段指隨著收獲機(jī)不斷前進(jìn),履帶支持段不斷與垂直壁接觸,底盤(pán)與地面夾角逐漸增大,收獲機(jī)質(zhì)心呈現(xiàn)緩慢向前且上升運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),直至重心與垂直壁的垂直面重合,此時(shí)也稱(chēng)為臨界狀態(tài),如圖6所示。(3)第三階段指從底盤(pán)落到垂直壁上表面到越障完成。

圖6 坡地越障示意圖

通過(guò)幾何關(guān)系分析可得垂直壁高度H與收獲機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的表達(dá)式為;式中:θ為底盤(pán)仰角,°;r1為后支重輪半徑,mm。

(38)

當(dāng)履帶底盤(pán)處于臨界平衡狀態(tài)時(shí):

FZ5[a-htan(θ-α)]+(h-r1)Gsinθ-αGcosθ=0

(39)

式中:FZ5為支撐力。

此時(shí)收獲機(jī)可翻越的障礙物高度達(dá)到臨界值,臨界條件為FZ5=0,代入上式得:

(h-r1)Gsinθ-aαGcosθ=0

(40)

由此可得底盤(pán)極限仰角為:

(41)

通過(guò)上式計(jì)算得到底盤(pán)最大仰角為52°,為了更加直觀地展現(xiàn)俯仰角和坡度角變化對(duì)爬坡性能的影響,取仰角范圍為[0,80],斜坡角度為[0,30],通過(guò)matlab數(shù)值分析得到俯仰角、坡度和越障高度關(guān)系曲線,如圖7所示。通過(guò)上述分析可以得到的結(jié)論是:當(dāng)收獲機(jī)參數(shù)確定后,翻越垂直壁極限高度只與坡地角度和底盤(pán)極限仰角有關(guān);當(dāng)坡度一定時(shí),翻越垂直壁極限高度隨機(jī)體的仰角增大而增大,到達(dá)極限仰角后隨仰角增大而減小;當(dāng)仰角一定時(shí),極限越障高度隨著坡度增大而減小;相同越障高度下,隨著坡度增大,極限仰角隨之增大,但不同坡度對(duì)應(yīng)的極限高度幾乎一致。

圖7 俯仰角、坡度與越障高度關(guān)系示意圖

3.2.2 跨越溝壕性能分析

丘陵山地履帶底盤(pán)跨越溝壕的能力主要指標(biāo)為通過(guò)溝壕的最大寬度,其關(guān)鍵的邊界線為溝壕兩側(cè)的邊界線。要求收獲機(jī)底盤(pán)在跨越溝壕時(shí),其重心越過(guò)溝壕近側(cè)邊緣線時(shí)底盤(pán)前端要接觸在遠(yuǎn)側(cè)邊緣線上,當(dāng)?shù)妆P(pán)重心跨過(guò)遠(yuǎn)側(cè)邊緣線時(shí),其后端不能與近側(cè)邊緣線脫離接觸,這說(shuō)明底盤(pán)重心位置決定了能通過(guò)溝壕的最大寬度[15]。本節(jié)將研究該收獲機(jī)在坡地上的最大跨溝寬度以及分析不同坡度對(duì)跨溝性能的影響。

收獲機(jī)跨越溝壕過(guò)程大體可分為三個(gè)階段:(1)第一階段,收獲機(jī)在坡道上緩慢行駛,底盤(pán)前端逐漸進(jìn)入溝壕,隨著底盤(pán)重心逐漸越過(guò)近側(cè)邊緣線,底盤(pán)前端向溝內(nèi)傾斜,如果溝壕太寬,機(jī)體前端將會(huì)下沉;(2)第二階段,收獲機(jī)繼續(xù)緩慢前進(jìn),當(dāng)前端與遠(yuǎn)側(cè)邊緣線接觸,底盤(pán)前端逐漸抬起,車(chē)體姿態(tài)由前傾過(guò)渡到后仰;(3)第三階段,機(jī)體后端完全駛離近側(cè)邊緣線,繼續(xù)前進(jìn)至機(jī)體完全越過(guò)溝壕。在此過(guò)程中極限位置在重心與近側(cè)邊緣線和遠(yuǎn)側(cè)邊緣線的重合位置上,在此針對(duì)上、下坡分別討論。圖8給出了上、下坡機(jī)體能夠跨越溝壕最大寬度的示意圖。

圖8 收獲機(jī)上、下坡越溝示意圖

由圖a和圖b可見(jiàn),上坡時(shí)能夠跨越溝壕最大寬度為:

Ls1=(b+htanα)

(42)

Ls2=(a-htanα)

(43)

Ls=min(Ls1,Ls2)

(44)

由圖c和圖d可見(jiàn),下坡時(shí)能夠跨越溝壕最大深度為:

Lx1=(b-htanα)

(44)

Lx2=(a+htanα)

(45)

Lx=min(Lx1,Lx2)

(46)

則,該底盤(pán)在坡地上能夠跨越溝壕的最大寬度為:

Lmax=min(Ls,Lx)

(47)

由此可見(jiàn),坡度的大小很大程度上決定了最大溝壕跨度。經(jīng)數(shù)值分析得到不同坡度上極限越溝寬度變化曲線,如圖9所示,可知:隨著坡度增大,收獲機(jī)所能跨越的溝壕極限寬度越小,越溝能力隨之減弱。

圖9 坡度與極限越溝寬度關(guān)系曲線

4 仿真分析

結(jié)合實(shí)際情況,利用recurdyn多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件分別對(duì)包括收獲機(jī)直線行駛、橫坡行駛、縱坡行駛、越障行駛及越溝行駛在內(nèi)的五種不同工況下進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證理論分析結(jié)果。

4.1 穩(wěn)定性仿真

4.1.1 平地直線行駛偏移量

對(duì)該履帶底盤(pán)式收獲機(jī)分別在硬質(zhì)(混凝土)路面和軟質(zhì)(粘土)路面上的直線行駛偏移量進(jìn)行仿真分析。仿真環(huán)境設(shè)置如下:將道路長(zhǎng)度設(shè)置為30 m,以1.2 m/s的速度勻速向前行駛,偏移量曲線如圖10所示。

圖10 直線行駛偏移量曲線

可見(jiàn),在硬質(zhì)和軟質(zhì)路面上收獲機(jī)的最大側(cè)向偏移量分別為0.65 m和0.82 m,偏移率分別為2.16%和2.73%,根據(jù)GB/T 15370.4-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件 第四部分:履帶拖拉機(jī)》,農(nóng)用拖拉機(jī)在干硬平整、縱橫坡度不大于1%路面上的跑偏率不得大于6%,滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求[16]。

4.1.2 橫坡行駛

前面得出了不同路面下的平地直線行駛偏移量的差距,接下來(lái)研究相同路面下不同坡度對(duì)行駛偏移量的影響。考慮到收獲機(jī)經(jīng)常在丘陵山地路面行駛,因此選取軟質(zhì)路面作為研究對(duì)象,分別對(duì)收獲機(jī)在15°、25°、30°坡道上的橫坡行駛進(jìn)行仿真分析,收獲機(jī)在軟質(zhì)路面上的橫向滑移量曲線如圖11所示。

圖11 軟質(zhì)路面橫坡行駛滑移量

從圖11可以看出:在軟質(zhì)路面上,15°和25°橫坡上滑移量分別為1.259 m和1.761 m,滑移率分別為4.19%和5.87%,收獲機(jī)在30°橫坡上行駛時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的橫向滑移,已無(wú)法正常行駛。前述軟質(zhì)路面下的橫向極限下滑角理論值為31.9°,理論分析和仿真相對(duì)誤差為6.33%,驗(yàn)證了極限下滑角理論計(jì)算的有效性。同時(shí),考慮到行駛安全性,收獲機(jī)應(yīng)在小于25°的橫坡上工作。

4.1.3 縱坡行駛

以理論計(jì)算得到的最大爬坡度為參考,以30°坡度為研究對(duì)象,分析不同路面、不同速度對(duì)爬坡能力的影響。仿真環(huán)境設(shè)置如下:收獲機(jī)在0～2 s內(nèi)分別加速至1.8 km/h、3.5 km/h、5.4 km/h后勻速行駛。得到不同速度、不同路面爬坡俯仰角變化曲線,如圖12所示。

圖12 不同路面上以不同速度爬坡俯仰角變化曲線

仿真分析過(guò)程如下:以在硬質(zhì)路面上Ⅰ檔行駛為例,收獲機(jī)在0～2 s內(nèi)加速至1.8 km/h, 2～4 s收獲機(jī)保持平地勻速行駛,此過(guò)程中俯仰角無(wú)太大波動(dòng)。4～20.7 s收獲機(jī)先從平地過(guò)渡到斜坡,俯仰角逐漸變大,再保持爬坡行駛,俯仰角穩(wěn)定在30.8°左右。20.7～28 s收獲機(jī)完成爬坡動(dòng)作并在上水平面上行駛,此階段俯仰角變化范圍為-11°～30.8°,隨后恢復(fù)至平地穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

由圖12中的俯仰角變化曲線可知:硬質(zhì)路面和軟質(zhì)路面均能攀爬30°斜坡,速度越高爬坡速度越快,但俯仰角波動(dòng)范圍大,在兩種路面上以5 km/h速度爬坡時(shí)收獲機(jī)均出現(xiàn)傾翻,因此爬坡時(shí)優(yōu)先選擇低檔行駛。對(duì)比圖12(a)和(b)均以1.8 km/h的速度爬坡可知:在收獲機(jī)從爬坡過(guò)渡到水平行駛過(guò)程中,當(dāng)重心越過(guò)上坡角垂直線后,機(jī)體前端逐漸下落,俯仰角變小,由于軟質(zhì)路面可塑性要大于硬質(zhì)路面,能夠吸收一定程度的沖擊力,所以俯仰角波動(dòng)程度明顯小于硬質(zhì)路面。由前述理論計(jì)算所得硬質(zhì)路面和軟質(zhì)路面的極限下滑角分別為34.81°和34.99°,以上述仿真為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)進(jìn)一步地仿真得出硬質(zhì)和軟質(zhì)路面最大爬坡度分別為32°和34°,相對(duì)誤差分別為8.7%和2.9%。

綜上所述可得:在相同坡度下,低速檔行駛比高速檔爬坡時(shí)車(chē)輛穩(wěn)定性要好,相同行駛速度下,軟質(zhì)路面比硬質(zhì)路面爬坡穩(wěn)定性要好。

4.2 通過(guò)性仿真

4.2.1 越障行駛

為研究坡度對(duì)越障性能的影響,在軟質(zhì)路面上通過(guò)仿真分別得到0°、5°、10°、15°、20°和25°斜坡上可翻越最大垂直障礙物的高度,如表4所示。通過(guò)對(duì)比圖7俯仰角、坡度與越障高度關(guān)系曲線可得仿真極限越障高度與理論分析極限越障高度數(shù)據(jù)誤差較大,這是由于理論分析中沒(méi)有考慮土壤的機(jī)理和特性,但在仿真結(jié)果中隨坡度增大兩種路面上的越障高度均逐漸變小,與數(shù)值分析后得到的變化規(guī)律相同。同時(shí)為保證行駛安全性,最大越障高度不僅取決于極限仰角,還受到前輪高度、割臺(tái)前端最大離地高度以及車(chē)體后端離地高度等因素限制。

表4 不同路面和坡度下的越障高度

為了更加直觀地觀察到不同土壤對(duì)越障性能的影響,現(xiàn)將仿真環(huán)境設(shè)置如下:坡道角度為0、越障高度為220 mm。得到兩種路面下的越障俯仰角變化曲線,如圖13所示。通過(guò)分析曲線得出以下結(jié)論:在坡道角度、越障高度、行駛速度等其他條件相同的情況下,越障過(guò)程中硬質(zhì)路面俯仰角的波動(dòng)均比軟質(zhì)路面要大,其最大仰角分別為14°和9°,這是因?yàn)橛操|(zhì)路面剛度較大,履帶與路面的沖擊較大;收獲機(jī)在軟質(zhì)路面上行駛時(shí),障礙物的邊緣會(huì)被逐漸壓實(shí),質(zhì)心俯仰角會(huì)變小,從而使得收獲機(jī)底盤(pán)與障礙物兩者的沖擊力減少。由此可見(jiàn),軟質(zhì)路面上的越障能力要優(yōu)于硬質(zhì)路面。

4.2.2 越溝行駛

為研究不同坡度對(duì)越溝性能的影響,在軟質(zhì)路面上通過(guò)仿真分別得到0°、5°、10°、15°、20°、25°和30°斜坡上可越過(guò)最大溝壕寬度,如表5所示?？梢钥闯?坡度對(duì)越溝寬度影響變化規(guī)律與圖9所示的數(shù)值分析規(guī)律一樣,坡度越大,可跨越的極限溝壕寬度越小。同樣為了保證行駛安全,最大越溝寬度也受前輪高度、割臺(tái)前端最大離地高度以及車(chē)體后端離地高度等因素限制。

表5 不同路面和坡度下的極限越溝寬度

為了更加直觀地觀察不同土壤對(duì)越障性能的影響,現(xiàn)將仿真環(huán)境設(shè)置如下:坡道角度為0、溝壕寬度為600 mm。得到兩種土壤下的越障過(guò)程中俯仰角變化曲線,如圖14所示。1 s附近的俯仰角為收獲機(jī)重心越過(guò)近側(cè)溝壕垂直壁到履帶前端接觸到遠(yuǎn)側(cè)溝壕垂直壁的過(guò)程,此時(shí)俯仰角變化逐漸變大,由于軟質(zhì)路面溝壕邊角會(huì)被機(jī)體壓塌、壓實(shí),此過(guò)程中軟土路面上的俯仰角要比硬土路面上的俯仰角變化更早、范圍更大。在收獲機(jī)履帶攀爬遠(yuǎn)側(cè)垂直壁到重心與遠(yuǎn)側(cè)垂直壁重合的區(qū)間里,俯仰角持續(xù)變大,直至最大值。同樣,軟土路面上遠(yuǎn)側(cè)垂直壁也會(huì)被壓塌、壓實(shí),導(dǎo)致此過(guò)程中軟土路面俯仰角變化范圍要比硬土路面更大。

圖14 兩種路面上越溝俯仰角變化曲線

綜合上述越溝仿真結(jié)果可知:同一路面下,隨著坡度增大,收獲機(jī)能夠跨越的溝壕寬度越小;同一坡度下,硬質(zhì)路面的越溝通過(guò)性比軟質(zhì)路面好,因?yàn)檐涃|(zhì)路面具有更高的可塑性。

5 結(jié)論

本文分別對(duì)丘陵山地青貯收獲機(jī)的直線行駛、橫坡行駛、縱坡行駛、翻越垂直壁和跨越溝壕五種工況行駛過(guò)程建立力學(xué)模型,并利用recurdyn進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真,得出以下結(jié)論:

(1)硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種路面下的平地直線行駛偏移量分別為2.16%和2.73%,硬質(zhì)路面橫向穩(wěn)定性較好;

(2)軟質(zhì)路面橫坡行駛極限角理論值與仿真值誤差為6.33%,在15°和25°橫坡上滑移量分別為4.19%和5.87%;

(3)兩種路面下縱坡行駛極限角理論值與仿真值誤差為8.7%和2.9%,同一坡度下低速爬坡比高速爬坡穩(wěn)定性要好;

(4)在0°、5°、10°、15°、20°和25°軟質(zhì)路面上極限越障高度和極限越溝寬度分別為363 mm和721 mm、315 mm和693 mm、268 mm和665 mm、220 mm和631 mm、171 mm和603 mm、124 mm和581 mm,越障高度和越溝寬度都隨坡度的增加而減小,均與數(shù)值分析所得規(guī)律一致。在同一坡度下軟質(zhì)路面的越障通過(guò)性要比硬質(zhì)路面好,而越溝通過(guò)性恰好相反。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得,理論分析和仿真分析吻合度較高,說(shuō)明本文所建立的力學(xué)模型是有效的、可信的。