高地隙喷雾机轮距与轴距尺寸组合的优化

王麒淦，冯静安*，宋宝，喻俊志，王卫兵

(1 石河子大学机械电气工程学院,新疆 石河子832003;2 华中科技大学机械科学与工程学院,湖北 武汉 430074;3 中国科学院自动化研究所,北京 100190)

在玉米、高粱等高杆作物田间施药过程中,自走式高地隙喷雾机因其工作效率高而被广泛使用,但是由于其工作环境复杂,整车重心较高,工作过程中容易受到非满载药箱药液晃动、喷杆晃动的影响而影响施药的效果,严重时可能危害驾驶员的人身安全,因此,对高地隙喷雾机轮距和轴距的尺寸进行优化设计以提高其工作过程中整机的侧倾稳定性和行驶平顺性具有重要的实际意义。

不同地区种植作物类型、生产条件以及生产方式的不同,使得适用于各地的高地隙喷雾机轮距和轴距尺寸存在明显的差异。如果忽略了轮距和轴距尺寸的正确组合则会对高地隙喷雾机侧倾稳定性和行驶平顺性的影响甚大,同时,在实际生产制造过程中对高地隙喷雾机不同轮距和轴距尺寸进行选择和确定时可能会浪费大量的财力和物力,不恰当的轮距和轴距尺寸组合的高地隙喷雾机在试验过程中还可能对试车人员的人身安全造成影响,而利用虚拟样机技术能实现不同轮距和轴距尺寸选定的方便和快捷。

高地隙喷雾机属于特种作业车辆,有关研究主要是针对其局部结构或是整体结构进行研究,例如针对高地隙喷雾机喷杆结构参数的改进[1-3]、悬架结构参数的设计[4-5]、高地隙底盘结构的优化[6-7]以及对悬架稳定性控制方法的研究[8-9],也有学者对高地隙喷雾机整体结构进行了研究[10-11]。上述研究能提高高地隙喷雾机整机的稳定性,但在研究与分析过程中未考虑其砂石土坑的随机路面实际工况,也没有系统考虑在此过程中高地隙喷雾机药箱不同载药量、不同作业车速对其作业侧倾稳定性和行驶平顺性的影响,因此,本文采用虚拟技术模拟高地隙喷雾机作业时田间随机不平路面、不同作业车速、不同药箱载药量的工况,并对其轮距和轴距尺寸进行优化选择,以期为高地隙喷雾机的结构尺寸设计提供相关参考。

1 高地隙喷雾机虚拟样机模型建立

1.1 建立三维模型

利用Solidworks建立整机三维模型,该整机主要由高地隙底盘、驾驶室、药箱、喷杆、传动装置等组成,其中,高地隙底盘离地间隙为2 150 mm,喷杆长度为18 000 mm,药箱容量为4 000 L。

本文中设计高地隙喷雾机轮距和轴距尺寸共有9种组合方式,为了研究轮距和轴距尺寸对高地隙喷雾机侧倾稳定性和行驶平顺性的影响,9种模型除了轮距和轴距尺寸不同,其他参数不变,其轮距和轴距组合方式如表1所示。

表1 轮距和轴距组合方式

1.2 ADAMS仿真模型的建立

1.2.1 轮胎路面模型的建立

ADAMS中自带有二维和三维平路面以及二维不平路面等路面模型,但其路面模型过于简单,仿真受限,因此,建立适用于高地隙喷雾机田间砂石作业工况下的随机路面是高地隙喷雾机虚拟仿真的重要部分。

本文采用谐波叠加法生成随机路面模型,首先,依据谐波叠加法原理和路面功率谱密度Gq(n)的拟合表达公式,并基于路面不平度分类标准,在MATLAB软件中编制能够满足高地隙喷雾机作业工况要求的E等级随机路面文件[12];然后,在MATLAB软件中生成对应的能适用于ADAMS仿真的随机路面.rdf文件[13-15]。

为满足仿真需求,最终生成长度x为100 m,宽度y为20 m,路面高程z为50 mm的E等级路面文件,经过多次测试验证能够满足高地隙喷雾机虚拟样机路面条件的仿真要求,在MATLAB软件中生成的E等级随机路面模型如图1所示。

图1 E等级随机路面

轮胎是高地隙喷雾机与地面接触的唯一部分,具有支撑车辆和传递纵向、侧向力的作用,同时轮胎模型具有高度的非线性和各向异性,因此,轮胎模型对高地隙喷雾机作业车的侧倾稳定性和行驶平顺性具有重要影响,本文采用适用于3D路面模型,同时又适合做稳定性分析的Fiala解析模型,修改其轮胎属性文件的参数,其中,轮胎质量为60 kg,车轮半径为600 mm,轮胎垂向刚度为310 N·s/m,轮胎垂向阻尼为3.1 N·s/m,轮胎静摩擦系数为0.8,轮胎动摩擦系数为0.9。

1.2.2 模型的导入

将在Solidworks中建立的9种轮距和轴距组合的整机模型保存为Parasolid.格式,分别导入ADAMS/view中,在保证高地隙喷雾机虚拟样机仿真要求的基础上,为了方便添加约束和避免计算错误,在ADAMS中对次要的部件进行布尔和运算以减少约束；然后修改导入的模型部件的材料属性等信息,并进行相关的约束；最后规定高地隙喷雾机驾驶员右侧为坐标系y轴,x轴负方向为前进方向,z轴垂直向上为正。

在ADAMS/View中,路面文件是和轮胎文件一起导入的,导入时选择上文中建立的E等级随机路面,导入轮胎和E级随机路面的整车虚拟样机模型如图2所示。

图2 ADAMS高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型

2 虚拟仿真试验方案与结果

2.1 试验指标

高地隙喷雾机作业时在田间路面的激励下,喷杆以及药箱药液晃动,使得其侧向加速度变大以及驾驶室座椅处的垂向加速度增大,相应的其侧倾稳定性降低、乘坐舒适性下降。本文中以高地隙喷雾机质心的侧向加速度ay和其驾驶室座椅处的垂向加速度AZ作为其作业时侧倾稳定性和行驶平顺性试验指标,并综合考虑这二项指标,对其轮距和轴距组合进行仿真分析，因其能很好地反应高地隙喷雾机的侧倾失稳和驾驶员乘坐舒适性的状况,故具有很好的适用性。

2.2 试验方案和试验结果

高地隙喷雾机在田间作业时为保证不出现重喷和漏喷现象,要求其车速尽量保持直线恒速稳定行驶,而且研究高地隙喷雾机田间直线作业时不同车速、不同载药量工况下对其侧倾稳定性和行驶平顺性的影响也是必要的。

鉴于上述特殊要求,设计高地隙喷雾机作业车速分别为1.5、2.0、2.5 m/s,药箱充液比分别为0.3、0.5、0.8,定义药箱充液比为药液高度与药箱直径之比;由于ADAMS无法模拟液体晃动,故仿真时不考虑液体晃动对高地隙喷雾机作业稳定性的影响,用等质量的刚体代替药箱液体,使不同轮距和轴距组合的喷雾机在E等级随机路面上作业,检测高地隙喷雾机稳定作业时其质心最大的侧向加速度ay以及其驾驶室座椅处最大的垂向加速度AZ作为高地隙喷雾机作业时的侧倾稳定性和行驶平顺性评价指标。

根据表1的9种轮距和轴距组合方式顺序依次进行仿真分析,仿真试验方案和试验结果如表2至4所示。

表2 组合方式1至3试验方案和试验结果

表3 组合方式4至6试验方案和试验结果

表4 组合方式7至9试验方案和试验结果

3 仿真试验结果与分析

3.1 试验结果与分析

为便于观察和对比分析,根据仿真数据以高地隙喷雾机9种轮距和轴距组合方式对应的编号为横坐标,其各自对应的侧向加速ay和垂向加速度AZ作为纵坐标,绘制出不同作业车速、不同药箱充液比条件下的组合对比图，其中每张图均是在相同的作业车速、相同的药箱充液比条件下对不同轮距和轴距组合方式的试验指标进行对比,绘制出9种轮距和轴距组合方式的仿真试验结果对比图，如图3所示。

图3 9种模型不同速度、不同充液比时仿真试验结果

本文以高地隙喷雾机稳定作业时其质心最大的侧向加速ay和其驾驶室座椅处最大的垂向加速度AZ作为其作业时侧倾稳定性和行驶平顺性评价指标,若这二项指标的值都越小则代表高地隙喷雾机侧倾稳定性和行驶平顺性越好。从图3可以看出:同一轮距和轴距组合方式的高地隙喷雾机在不同作业速度、不同充液比时其评价指标并不能同时达到最优,并且不同轮距和轴距组合方式的高地隙喷雾机在相同的作业车速、相同的充液比时其两项评价指标也不能同时达到最优。

本文提出高地隙喷雾机作业侧倾稳定性和行驶平顺性综合评价指标A,因高地隙喷雾机作业时质心侧向加速ay对其作业安全和侧倾稳定性影响最大,故以侧向加速ay为主影响因素,其权重系数为0.6,以驾驶室座椅处垂向加速度AZ为次影响因素,其权重系数为0.4,则高地隙喷雾机作业侧倾稳定性和行驶平顺性综合评价指标:

A=0.6ay+0.4AZ。

(1)

计算9种轮距和轴距组合方式的高地隙喷雾机在不同作业车速、不同充液比时综合评价指标A的值，并分别进行累加计算出高地隙喷雾机9种轮距和轴距组合方式的综合评价指标A总的加权值,并以其最小为优化目标进行优选,结果(表5)表明:高地隙喷雾机轮距和轴距组合方式8的综合评价指标A总加权值最小,即其为最优。

表5 综合评价指标A总加权值

3.2 最优组合分析

(1)经过仿真分析确定高地隙喷雾机轮距和轴距的最优组合方式编号为8。对高地隙喷雾机轮距和轴距组合方式8的仿真数据进行分析,发现高地隙喷雾机在相同的作业速度时随着充液比的增加其质心侧向加速度ay呈现逐渐减小的趋势。这是因为在相同的较低车速时载药量增加使得整车重量增加,使其表现的更“稳重”,并且增加的载荷分布于整车车架中心位置附近,使高地隙喷雾机侧倾稳定性相对提高。

(2)在相同充液比时,随着作业车速的增加其质心侧向加速度ay亦呈现逐渐减小的趋势。其原因是高地隙喷雾机作业车速为低速,且在不平路面激励、喷杆晃动耦合作用下,随作业车速增加其横摆角速度呈现逐渐减小趋势,并且横摆角速度减小的趋势大于车速增加的趋势所致。

(3)高地隙喷雾机作业车速为1.5 m/s时,其质心侧向加速度ay相对于其他各车速均处于峰值;在作业车速为2 m/s充液比为0.8时高地隙喷雾机驾驶室座椅处垂向加速度AZ超过1.3 m/s2且为最大值,此现象可为驾车人员安全作业提供相关参考。

4 结论

(1)本文研究在ADAMS中建立了高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型,通过仿真分析确定高地隙喷雾机最优组合为轮距2 800 mm、轴距4 100 mm。

(2)为防止喷雾机作业时侧倾失稳,高地隙喷雾机作业时速度应避免一直处于1.5 m/s;为保证驾驶员作业时的乘坐舒适性,高地隙喷雾机药箱充液比处于0.8附近时,车速应避免长时间处于2 m/s。