常飛龍+梁建+薛新宇+崔龍飛+顧偉

摘要：為了提高噴桿噴霧機(jī)在不平整路面行走作業(yè)時(shí)車體平穩(wěn)性和車輪承力平衡性，設(shè)計(jì)了連桿式平衡底盤機(jī)構(gòu)，運(yùn)用仿真分析軟件ADAMS創(chuàng)建了噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的三維仿真模型，在ADAMS軟件中對(duì)該平衡底盤進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、分析計(jì)算和運(yùn)動(dòng)仿真，分別獲得了平衡底盤主要構(gòu)件運(yùn)動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)曲線和運(yùn)動(dòng)仿真曲線，驗(yàn)證了建立的平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性和設(shè)計(jì)的平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的平衡穩(wěn)定性能，平衡底盤原理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與機(jī)構(gòu)學(xué)理論計(jì)算及運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果較好吻合，更進(jìn)一步驗(yàn)證了分析方法和結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：噴桿噴霧機(jī)；平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；整車牽引力；越野性能；提高

中圖分類號(hào)： S491文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0183-05

我國(guó)大型植保機(jī)械整體發(fā)展水平比較低，尤其是大型植保機(jī)械底盤平衡技術(shù)的應(yīng)用，基本處于起步階段。限制大型植保機(jī)械發(fā)展的主要原因之一是大型植保機(jī)械難以在不平整田間地面上平穩(wěn)作業(yè)[1]。目前，我國(guó)大面積防病蟲害作業(yè)主要依靠大型噴桿噴霧機(jī)完成。大負(fù)荷噴桿噴霧機(jī)在不平整路面工作時(shí)，隨著地面的上下起伏，機(jī)體也會(huì)發(fā)生晃動(dòng)。機(jī)身晃動(dòng)一方面會(huì)造成懸掛在噴霧機(jī)機(jī)身上的噴桿抖動(dòng)，使農(nóng)藥噴灑不均勻，影響作業(yè)質(zhì)量，噴桿擺動(dòng)觸地引起噴桿損壞、造成事故；另一方面會(huì)引起噴桿噴霧機(jī)承載的大質(zhì)量藥液晃動(dòng)，藥箱藥液的晃動(dòng)會(huì)造成藥液對(duì)藥箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的沖擊載荷，造成噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[2]。

落后的底盤平衡技術(shù)，成為噴桿噴霧機(jī)向大型化發(fā)展的“瓶頸”，制約了大型噴桿噴霧機(jī)的發(fā)展。如果解決底盤平衡技術(shù)，就可以減小因地面起伏引發(fā)車體晃動(dòng)，保證大型及超大型噴桿在作業(yè)中的穩(wěn)定性[3]。

本研究設(shè)計(jì)了一種噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)為全低副機(jī)構(gòu)，可以減緩因地面起伏引起的車體兩側(cè)左、右懸架連桿的俯仰運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而能減小主車體的晃動(dòng)，保證噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)噴桿的穩(wěn)定性[4-5]；這種機(jī)構(gòu)的另外一個(gè)主要作用是能夠調(diào)整車重力在各車輪上的分配，從而提高整車的牽引力和越野性能[6-8]。

1噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)為雙閉環(huán)7連桿空間機(jī)構(gòu)，每一個(gè)閉環(huán)為四桿運(yùn)動(dòng)鏈，其中車體4相對(duì)于地面的俯仰運(yùn)動(dòng)以構(gòu)建4與地面的轉(zhuǎn)角表示，機(jī)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

該平衡底盤是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，連桿2和連桿7與左、右懸架連桿6、3通過(guò)球面副相連，隨著左、右懸架連桿上下擺動(dòng)，將帶動(dòng)前橋連桿1運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)車體連桿5作縱向的擺動(dòng)。

該平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式如下[9-10]：

[JZ]F=∑[DD（]Pi=1[DD）]fi-∑[DD（]Li=1[DD）]λi-fa-f0+λ0。

式中：fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度，P為運(yùn)動(dòng)副數(shù)目，λi為閉環(huán)中閉合約束數(shù)，L為閉環(huán)數(shù)目，fa為局部自由度，f0為消極自由度，λ0為虛約束。由自由度計(jì)算公式得：

F=3×4+1×3-6×2-1=2。

因此，該噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)為2自由度機(jī)構(gòu)，以懸架左、右搖臂擺動(dòng)作為運(yùn)動(dòng)輸入，車體的俯仰運(yùn)動(dòng)為運(yùn)動(dòng)輸出。通過(guò)優(yōu)化懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠較為合理地調(diào)整車體重力在各車輪上的分配，從而提高整車的牽引能力。

2噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1坐標(biāo)系的建立

噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，在車體5上建立慣性坐標(biāo)系σ0：0-x0y0z0，其中y0軸與連桿4軸線重合，z0軸垂直向上。在連桿5上轉(zhuǎn)動(dòng)副D處創(chuàng)建動(dòng)坐標(biāo)系σ5：D5-x5y5z5，D處轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線是x5的軸線，z0軸和x5軸的公垂線是y5軸線。

[TPCFL2.tif]

圖2中左、右懸架連桿3、6和車體5垂直于坐標(biāo)系σ0的y0軸；前橋連桿1垂直于坐標(biāo)系σ0的x5軸。設(shè)定Li（i=1-7）為連桿i的長(zhǎng)度；α5為車體5與坐標(biāo)系σ0的x0軸正方向間的夾角，轉(zhuǎn)動(dòng)副D點(diǎn)向上抬起的方向?yàn)檎?；?和α6分別為左、右懸架連桿3、連桿6與x0軸正向間的夾角，角度正負(fù)與α5一致；α1為連桿1與坐標(biāo)系σ5中與y5軸的夾角，沿著車體5 DO方向看順時(shí)針為正。為了簡(jiǎn)化噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，假設(shè)sin=H，cos=K，得出該平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)副在坐標(biāo)系σ0中的坐標(biāo)為

A：（0，0.5L4，0）；

B：（L6Kα6，0.5L6，L6Hα6）；

D：（L5Kα5，0，L5Hα5）；

G：（0，-0.5L4，0）；

F：（L3Kα3，-0.5L4，L3Hα3）。

在坐標(biāo)系σ0、σ5中C點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為

C[DD（-*2][HT6]→[DD）]σ5=[0，-05L1Kα1，0.5L1Hα1]T；C[DD（-*2][HT6]→[DD）]σ0=R（y0，α5）Trans（L4，0，0）C[DD（-*2][HT6]→[DD）]σ6=[L5Kα5-[SX（]L12[SX）]Hα1Hα1，[SX（]L12[SX）]Kα1，L5Hα5-[SX（]L12[SX）]Hα1Kα5，1]T。

在坐標(biāo)系σ0、σ5中E點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為

E[DD（-*2][HT6]→[DD）]σ5=[0，-05L1Kα1 ，0.5L1Hα1]T；E[DD（-*2][HT6]→[DD）]σ0=R（y0α5）Trans（L5，0，0）Eσ5=[L5Kα5+[SX（]L12[SX）]Hα1Hα5，-[SX（]L12[SX）]Kα1，L5Hα5+[SX（]L12[SX）]Hα1Kα5]T。

2.2位移分析及求解

由于該平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)中有4個(gè)球面副，為了使求解過(guò)程簡(jiǎn)單化，利用高等機(jī)構(gòu)學(xué)中的幾何條件約束建立位移方程[11-12]。在坐標(biāo)系σ0中，運(yùn)用定桿長(zhǎng)約束條件創(chuàng)建位移方程：

[JZ（]（XC-XB）2+（YC-YB）2+（ZB-ZC）2=L27；[JZ）][JY]（1）

[JZ（]（XE-XF）2+（YE-YF）2+（ZE-ZF）2=L22。[JZ）][JY]（2）

將在坐標(biāo)系σ0中各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值代入方程（1）、（2）中，得出：

8L6L5H（α6-α5）+4L6L1Hα1K（α6-α5）+2L0L3Kα1=4（L26+L25-L27）+L24+L21；[JY]（3）

8L3L5H（α3-α5）-4L1L3Hα1K（α3-α5）+2L4L1Kα1=4（L23+L25-L22）+L24+L21。[JY]（4）

根據(jù)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得出L3=L6，L2=L7，由（3）、（4）兩式聯(lián)立可以得出：

[JZ（]α5=[SX（]α3+α62[SX）]。[JZ）][JY]（5）

[JZ（]α3=2arctan[SX（]A±[KF（]A2+C2-D2[KF）]C+D[SX）]。[JZ）][JY]（6）

其中：

A=-L6L1H[JB（[][SX（]α6-α12[SX）][JB）]]，C=[SX（]-L4L12[SX）]，D=L27-L26-L25-[SX（]L24+L214[SX）]+2L6L5K[JB（[][SX（]α6-α32[SX）][JB）]]。

（5）式與（6）式為車體5和連桿1的運(yùn)動(dòng)位移解。公式（5）表明該平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)車體5的俯仰運(yùn)動(dòng)擺角是運(yùn)動(dòng)輸入連桿3和連桿6擺角的均值。

在求解出車體5和連桿1的位移α5和α1的基礎(chǔ)上，該平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)中其他從動(dòng)連桿及連桿上點(diǎn)的位移都可以求出。

2.3速度方程及求解

對(duì)位移方程（3）和（4）中時(shí)間t求導(dǎo)可以得出平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的速度方程式：

4L6L5（α6′-α5′）K（α6-α5）-2L6L1α1′Kα1K（α6-α5）-2L6L1（α6′-α5′）3Hα1H（α6-α5）-L4L1α1′Hα1=0；[JY]（7）

4L3L5（α3′-α5′）K（α3-α5）+2L1L3α1′Kα1K（α3-α5）+2L1L3（α3′-α5′）3Hα1H（α6-α5）-L4L1α1′Hα1=0。[JY]（8）

聯(lián)立公式（7）、（8）可以得出車體6和連桿1的速度解：

[JZ]α5′=（α6′+α3′）/2；α1′=[SX（][4L6L5K（α6-α5）-2L6L3H（α6-α5）]（α6′-α5′）2L6L3Kα1K（α5-α6）+L4L1Hα1[SX）]。[JY]（9）

2.4加速度方程及求解

利用已經(jīng)得出的速度方程（7）、（8）對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)可以得到平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的加速度方程，然后對(duì)加速度方程聯(lián)立求解可以求得車體5和連桿1的加速度解：

[JZ]α5″=（α6″+α3″）/2；α1″=[SX（]E（α6″-α5″）+F（α6′-α5′）2+Gα1′（α6′-α5′）+Iα5′22L6L1Kα1K（α5-α6）+L4L1Hα1[SX）]。[JY]（10）

其中：

3噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1實(shí)例計(jì)算

通過(guò)上述噴桿噴霧機(jī)平衡底盤運(yùn)動(dòng)分析可知，當(dāng)α6、α3、α6′、α3′、α6″、α3″已知時(shí)，可以求出車體5的俯仰運(yùn)動(dòng)α5、α5′、α5″和連桿3的α3、α3′、α3″。給定一組路面激勵(lì)，將路面激勵(lì)轉(zhuǎn)化成左、右懸架連桿的擺動(dòng)數(shù)據(jù)，帶入到運(yùn)動(dòng)分析得出的位移方程、速度方程、加速度方程中求解，桿件的運(yùn)動(dòng)變化曲線可以通過(guò)運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程計(jì)算得出。

3.2運(yùn)動(dòng)仿真

在仿真分析軟件ADAMS中建立本研究設(shè)計(jì)的噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)三維仿真模型，在ADAMS中模擬四立柱試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行噴桿噴霧機(jī)平衡底盤的運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出方程的準(zhǔn)確性及底盤克服路面激勵(lì)的平衡性能，四立柱試驗(yàn)臺(tái)仿真如圖3所示。由于噴桿噴霧機(jī)一般在比較惡劣的路況下作業(yè)，因此運(yùn)動(dòng)仿真中四立柱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬的是C、D級(jí)路面[13]。

利用ADAMS軟件中自帶的測(cè)量功能，可以得到平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中2個(gè)輸入連桿連桿3和連桿6的擺動(dòng)角度及車體5的俯仰角變換曲線，如圖4所示[14]。左、

右懸架連桿6和連桿3作為輸入連桿的擺角速度和加速度曲線如圖5和圖6所示，獲得車體5的俯仰角速度α5′和角加速度α5″的曲線如圖7所示。

本研究在ADAMS中對(duì)噴桿噴霧機(jī)平衡底盤進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的準(zhǔn)確性和噴桿噴霧機(jī)平衡底盤仿真模型的有效性。

通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真得出的結(jié)果可以看出，該噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)能夠減緩左、右懸架連桿的俯仰運(yùn)動(dòng)，從而保證噴桿噴霧機(jī)車體的平穩(wěn)。

4四立柱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、原理樣機(jī)的制作

在做平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)時(shí)，四立柱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力輸入裝置是電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)的偏心輪給四立柱試驗(yàn)臺(tái)的上下起伏運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。為了控制四立柱試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)控制柜，通過(guò)變頻器可以準(zhǔn)確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，這樣就可以按照試驗(yàn)要求控制四立柱試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)頻率。四立柱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的原理機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。

本次設(shè)計(jì)的四立柱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)有振動(dòng)幅度、可控頻率范圍。由于噴桿噴霧機(jī)一般在路況比較惡劣的地方行駛作業(yè)，因此在做平衡底盤原理樣機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺(tái)的最大振幅為±50 mm，振幅在±50 mm范圍內(nèi)，能夠模擬C、D級(jí)路面位移譜[15-16]。由于噴桿噴霧機(jī)田間作業(yè)速度不是很快，路面給輪胎的激勵(lì)頻率不會(huì)很高，試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)頻率是 0～10 Hz 可調(diào)。制作完成的試驗(yàn)臺(tái)如圖9所示。

依據(jù)ADAMS中建模的數(shù)據(jù)參數(shù)，1 ∶[KG-*3]1地制作噴桿噴霧機(jī)平衡底盤原理樣機(jī)，制作完成的原理樣機(jī)如圖10所示。

5試驗(yàn)結(jié)果

將制作的噴桿噴霧機(jī)平衡底盤原理樣機(jī)放置到制作的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行性能測(cè)試，圖11為性能測(cè)試的照片。由于試驗(yàn)條件[CM（25]的限制，試驗(yàn)?zāi)壳澳塬@得的是左、右懸架及車體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)

角。試驗(yàn)的測(cè)量裝置主要是北斗慣性導(dǎo)航、位移傳感器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件組成。

車體5與左、右懸架連桿3、連桿6之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式是：

α5=[SX（]α3+α62[SX）]。

試驗(yàn)中，在相等的時(shí)間段內(nèi)，同時(shí)測(cè)量左、右懸架連桿及車體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α6、α3、α5，得到運(yùn)動(dòng)曲線如圖12所示。

比較圖12中轉(zhuǎn)角曲線可以看出，如果去除初始角度，左、右懸架擺角與車體擺角α6、α5、α3基本符合式（5）的關(guān)系。由于測(cè)量的采樣頻率與實(shí)踐與時(shí)間均相等，因此，左、右懸架與車體之間的角度、角加速度也同樣存在這種關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果也充分地驗(yàn)證了車體5的俯仰運(yùn)動(dòng)是左、右兩側(cè)懸架的連桿6和連桿3運(yùn)動(dòng)的均值。

與普通的剛性的底盤對(duì)比，本研究設(shè)計(jì)的平衡底盤能夠減緩因地面起伏造成兩側(cè)懸架搖臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減緩車體的晃動(dòng)，保證噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)噴桿的穩(wěn)定性。未來(lái)通過(guò)平衡底盤與減震裝置的聯(lián)合運(yùn)用可以更進(jìn)一步地使大型噴桿噴霧機(jī)在不平地面運(yùn)動(dòng)或單側(cè)車輪越障時(shí)，噴霧機(jī)車體可以保持平穩(wěn)，進(jìn)而使連接在車體上的噴桿可以平穩(wěn)地作業(yè)，并且每個(gè)車輪均能保持著地；普通的噴桿噴霧機(jī)剛性底盤遇到不平整路面時(shí)會(huì)將振動(dòng)直接傳遞給車體從而引起噴桿的晃動(dòng)，影響噴霧機(jī)的工作效率。

6結(jié)論

本研究提出并設(shè)計(jì)了噴桿噴霧機(jī)平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)該平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及分析計(jì)算，同時(shí)在ADAMS中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，將平衡底盤運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算與ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真分析相結(jié)合，驗(yàn)證了平衡底盤連桿機(jī)構(gòu)對(duì)車體的平衡作用和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性，平衡底盤原理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果更進(jìn)一步地驗(yàn)證了分析方法和結(jié)果的正確性。面對(duì)21世紀(jì)大型植保機(jī)械競(jìng)爭(zhēng)日益加劇的挑戰(zhàn)，開展機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)研究，對(duì)于進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新和提高產(chǎn)品自主開發(fā)能力越來(lái)越重要。通過(guò)底盤機(jī)構(gòu)學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)提高底盤平衡性能是未來(lái)大型植保機(jī)械平衡底盤設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

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