圓形和平移式噴灌機(jī)塔架車的縱向穩(wěn)定性

1、農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)圓形和平移式噴灌機(jī)塔架車的縱向穩(wěn)定性嚴(yán)海軍金宏智李軍葉何建強(qiáng)為衡量塔架車爬坡能力和抗翻傾能力的指標(biāo)，推導(dǎo)出縱向坡度角與驅(qū)動力、塔架車結(jié)構(gòu)尺寸、地面狀況等因素之間的關(guān)系式及塔架車質(zhì)心高度的計(jì)算公式，通過試驗(yàn)測得塔架車的縱向穩(wěn)定性特性曲線。結(jié)果表明，適當(dāng)增大塔架車的輪距、降低質(zhì)心高度、減小驅(qū)動輪動力半徑，合理匹配驅(qū)動功率，提高減速器傳動效率、增大傳動比，均可提高塔架車的爬坡能力和縱向穩(wěn)定性。國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號： 2002AA2Z1）嚴(yán)海軍中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院講師博士， 100083北京市金宏智中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研究員博士生導(dǎo)師， 100083

2、北京市李軍葉中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院工程師何建強(qiáng)美國佛羅里達(dá)州大學(xué)博士生， 32611Gainesville， Florida引言由于圓形和平移式噴灌機(jī)經(jīng)常在泥濘的農(nóng)田里或起伏不平的坡地上運(yùn)行，惡劣的作業(yè)環(huán)境使噴灌機(jī)塔架車的通過性能變差，甚至發(fā)生塔架車沿坡地下滑或翻傾現(xiàn)象，破壞灌溉系統(tǒng)的同步性，嚴(yán)重時(shí)造成桁架坍塌，耽誤農(nóng)時(shí)，因此塔架車的縱向穩(wěn)定性極其重要 1， 2.由于塔架車的特殊結(jié)構(gòu)、驅(qū)動形式和工作環(huán)境，其受力狀況與分析不同于常見四輪或多輪驅(qū)動的地面車輛，迄今為止，尚未見到國內(nèi)外對此的研究報(bào)道。本文利用地面車輛動力學(xué)理論對塔架車的縱向穩(wěn)定性進(jìn)行研究1塔架車的動力學(xué)雙輪驅(qū)動的圓形和平移式噴灌機(jī)

3、塔架車噴灑作業(yè)時(shí)在平地和坡地上等速運(yùn)行，本文重點(diǎn)討論塔架車在坡地上作業(yè)時(shí)的縱向穩(wěn)定性。1. 1坡地上作業(yè)時(shí)作用在塔架車上的外力塔架車前后驅(qū)動輪的動力半徑相同，在坡地上等速噴灑作業(yè)時(shí)，其縱向平面內(nèi)的受力情況如圖1所示。圖中G塔架車作用的重力前、后驅(qū)動輪驅(qū)動力前、后驅(qū)動輪滾動阻力前、后驅(qū)動輪滾動阻力矩驅(qū)動輪動力半徑前、后驅(qū)動輪上的土壤垂直反作用力塔架車質(zhì)心高度塔架車輪距v塔架車行走速度A坡度角1. 2坡地上作業(yè)時(shí)塔架車的牽引平衡方程式塔架車行走速度圍內(nèi)，忽略空氣阻力，則牽引平衡方程式為其中式中f塔架車的滾動阻力系數(shù)2塔架車縱向穩(wěn)定性分析當(dāng)塔架車停放或運(yùn)行在縱向坡地上時(shí)，抵抗沿縱向前后翻傾或滑移的能

4、力，通常用坡度角來評價(jià)。2. 1塔架車抗縱向翻傾極限坡度角A塔架車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是沿中心線前后對稱，蝸輪蝸桿式車輪減速器具有自鎖性能。當(dāng)塔架車被制動停在縱向坡地上， Z=0，而且G通過驅(qū)動輪與地面切線上點(diǎn)時(shí)，前后不發(fā)生翻傾的最大坡度角A稱為塔架車抗縱向翻傾極限坡度角，如圖2所示。圖中F地面制動力對則從式（ 2）看出塔架車抗翻傾縱向極限坡度角A只與塔架車的質(zhì)心高度h和輪距L有關(guān)。在相同工況下，輪距長、質(zhì)心低的塔架車縱向穩(wěn)定性好。2. 2塔架車抗縱向滑移極限坡度角A當(dāng)塔架車的制動力F與塔架車重力的水平分力相平衡而不發(fā)生滑移的最大坡度角稱為抗縱向滑移極限坡度角A U.當(dāng)塔架車被制動停在剛結(jié)束灌溉的坡地上

5、時(shí)，不發(fā)生滑移的條件是式中U坡地最大附著系數(shù)則從式（ 4）看出，塔架車抗縱向滑移極限坡度角只與地面附著系數(shù)有關(guān)，所以塔架車應(yīng)停放在附著系數(shù)較大的坡地上。塔架車坡地作業(yè)的最大附著系數(shù)可取U=0. 50.7，其抗縱向滑移極限坡度角在2. 3塔架車抗縱向翻傾臨界坡度角A如圖1所示，塔架車在坡地上運(yùn)行中，不發(fā)生后翻傾的條件是前驅(qū)動輪的土壤反作用力嚴(yán)海軍等：圓形和平移式噴灌機(jī)塔架車的縱向穩(wěn)定性過對O點(diǎn)取矩，得到式（ 5）中滾動阻力矩M可表示成q，并將式（ 1）得到的F經(jīng)整理得由式（ 6）可看出，當(dāng)A值增大到A值時(shí)，因以A為橫坐標(biāo)畫出的f（ A）曲線稱為塔架車縱向穩(wěn)定性特性曲線。塔架車抗縱向翻傾臨界坡度角

6、可用圖解法求出，即驅(qū)動力F與f（ A）曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，當(dāng)塔架車實(shí)際爬坡坡度角滿足AA時(shí)，就不會發(fā)生向后翻傾。2. 4塔架車爬坡能力臨界坡度角A塔架車最大驅(qū)動力不但受土壤附著條件限制，而且也受到滾動阻力和塔架車重力的水平分力的制約，因此滿足塔架車行走的充分必要條件是式中F最大附著力在滿足坡地最大附著系數(shù)條件下，驅(qū)動力必須滿足條件由式（ 8）可看出，當(dāng)A值增大到A值時(shí)，因滾動阻力系數(shù)為零，則式（ 8）變成塔架車爬坡能力坡度角受驅(qū)動力的限制，爬坡能力臨界坡度角A也可用圖解法求出，即最大驅(qū)動力F與f（ A）曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值。2. 5塔架車質(zhì)心高度的測定從式（ 6）看出，塔架車的質(zhì)心高度對抗縱向翻

7、傾的穩(wěn)定性影響很大。根據(jù)車輛質(zhì)心位置的測試方法，推導(dǎo)出塔架車質(zhì)心高度計(jì)算公式，如圖3所示。對O點(diǎn)取矩，得式中后輪的載荷墊塊高度輪距在水平地面上的投影長度2. 6最大驅(qū)動力F當(dāng)塔架車在F滿足f時(shí)，其縱向穩(wěn)定性就有保障， F表達(dá)式為式中電動機(jī)功率電動機(jī)轉(zhuǎn)速K電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)i塔架車驅(qū)動裝置的總傳動比塔架車驅(qū)動裝置的總傳動效率3試驗(yàn)研究3. 1試驗(yàn)方案根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)里對圓形噴灌機(jī)40 m跨、50 m跨和平移式噴灌機(jī)4050 m跨的塔架車進(jìn)行了質(zhì)心高度測定，測試現(xiàn)場為干茬麥地，滾動阻力系數(shù)取0.075.同時(shí)對DJ W型和DJ C型電動機(jī)減速器進(jìn)行了效率測定測定原理圖見圖4.效率的測定簡圖1.數(shù)據(jù)采

8、集儀2.霍爾光電儀3. AKC 2005B 300型動態(tài)扭矩儀4.粘貼應(yīng)變片儀5.車輪減速器6.短軸7.聯(lián)軸套8.聯(lián)軸套9.短軸10.電動機(jī)減速器3. 2試驗(yàn)結(jié)果與分析圓形和平移式噴灌機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)心高度和兩級減速器的性能測定結(jié)果如表1和表2所示。根據(jù)表1、表2、式（ 6）、式（ 8）及公式f分別繪制出40 m、4050 m、50 m跨長塔架農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)車的縱向穩(wěn)定性特性曲線，如圖5所示。和是1. 1 kW電動機(jī)分別配備DJ W和DJC電動機(jī)減速器時(shí)產(chǎn)生的最大跨長/m輪距輸水管規(guī)格驅(qū)動輪動力半徑使用質(zhì)量質(zhì)心高度驅(qū)動力。由圖5的縱向穩(wěn)定性特性曲線用圖解法可求出不同驅(qū)動功率、電動機(jī)減速器和跨

9、長的塔架車的A和A參數(shù)電動機(jī)減速器傳動效率G傳動比i電動機(jī)功率N / kW電動機(jī)轉(zhuǎn)速n/ r？min和A值電動機(jī)功率電動機(jī)減速器型號塔架車最大驅(qū)動力由表3可看出，在電動機(jī)功率一定條件下，塔架車配備的電動機(jī)減速器傳動效率越高，則塔架車最大驅(qū)動力越大質(zhì)量小的短跨塔架車的抗縱向翻傾極限坡度角A大于質(zhì)量大的長跨塔架車當(dāng)塔架車最大驅(qū)動力一定，質(zhì)量小的短跨塔架車的爬坡能力臨界坡度角A大于質(zhì)量大的長跨塔架車滾動阻力系數(shù)低的塔架車的爬坡能力臨界坡度角A大于滾動阻力系數(shù)高的塔架車。4結(jié)論（ 1）利用地面車輛力學(xué)理論，對坡地上的圓形和平移式噴灌機(jī)塔架車進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)出塔架車抗縱向翻傾極限坡度角A和臨界坡度角A

10、、抗縱向滑移極限坡度角A、爬坡能力臨界坡度角A及塔架車質(zhì)心高度h的理論計(jì)算公式。（2）通過理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析表明，增大塔架車的輪距、降低質(zhì)心高度、減小驅(qū)動輪動力半徑q，可以提高塔架車縱向穩(wěn)定性。（ 3）通過試驗(yàn)表明，塔架車在驅(qū)動功率一定的條件下，質(zhì)量小的短跨塔架車比質(zhì)量大的長跨塔架車爬坡能力強(qiáng)塔架車配備傳動效率高的電動機(jī)減速器比配備傳動效率低的爬坡能力強(qiáng)滾動阻力系數(shù)低的塔架車比滾動阻力系數(shù)高的爬坡能力強(qiáng)。（ 4）當(dāng)塔架車在F滿足條件時(shí)，塔架車的縱向穩(wěn)定性即得到保障。嚴(yán)海軍等：圓形和平移式噴灌機(jī)塔架車的縱向穩(wěn)定性始點(diǎn)，并將車身參考減速度調(diào)整為式中v車身參考減速度點(diǎn)對應(yīng)的車輪速度和時(shí)刻A點(diǎn)對應(yīng)

11、的車輪速度和時(shí)刻同理，從C點(diǎn)到D點(diǎn)過程中按斜率法估計(jì)車輛參考車速，從D點(diǎn)到E點(diǎn)過程中將車輪速度作為參考車速估計(jì)值，將E點(diǎn)調(diào)整為斜率法計(jì)算參考車速的初始點(diǎn)，并對車身參考減速度進(jìn)行調(diào)整，依次類推。自適應(yīng)參考斜率法解決了斜率法初始點(diǎn)選擇困難和車身參考減速度適應(yīng)性差的問題，除少數(shù)點(diǎn)外，在常遇路面、對開路面和對接路面上都可以得到較為準(zhǔn)確的參考車速估計(jì)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，圖8為在平直對接路面上確定參考車速的示例。而且，自適應(yīng)斜率法適用于單、兩、三和四通道ABS系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以通過在自適應(yīng)斜率法的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)償來進(jìn)一步提高參考車速估計(jì)的精度，補(bǔ)償方法與斜率法相同。4結(jié)束語自適應(yīng)斜率法避開了傳統(tǒng)

12、斜率法初始點(diǎn)的選擇，實(shí)時(shí)調(diào)整車身參考減速度，在常遇路面、對開路面和對接路面上都可以得到較為準(zhǔn)確的參考車速，且不受駕駛員操作行為的影響，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中各車輪利用自身的輪速信息確定與之對應(yīng)的參考車速，因此無論在直道還是在彎道制動工況下，均可以取得較好的效果，該方法具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。車身參考速度的準(zhǔn)確計(jì)算大大提高了車輪滑移率的計(jì)算精度，為進(jìn)一步提高汽車制動防抱系統(tǒng)的控制效果提供了基礎(chǔ)。1日ABS株式會社。汽車制動防抱裝置（ ABS ）構(gòu)造與原理。劉榮華譯。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1995.2余志生。汽車?yán)碚摗１本簷C(jī)械工業(yè)出版社， 1989.3項(xiàng)承寨，夏群生，何樂。 ABS控制量的計(jì)算研究。汽車技術(shù)， 2001（ 1） ： 1013 4余卓平。 ABS中參考車速計(jì)算方法的研究。中國汽車工程學(xué)會第11屆年會S