圓形和平移式噴灌機塔架車的縱向穩(wěn)定性

1、農(nóng)業(yè)機械學(xué)報圓形和平移式噴灌機塔架車的縱向穩(wěn)定性嚴(yán)海軍金宏智李軍葉何建強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)心高度的計算公式，通過試驗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)展計劃資助項目（項目編號： 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)機械化科學(xué)研究院工程師何建強美國佛羅里達州大學(xué)博士生， 32611Gainesville， Florida引言由于圓形和平移式噴灌機經(jīng)常在泥濘的農(nóng)田里或起伏不平的坡地上運行，惡劣的作業(yè)環(huán)境使噴灌機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)重時造成桁架坍塌，耽誤農(nóng)時，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

3、塔架車噴灑作業(yè)時在平地和坡地上等速運行，本文重點討論塔架車在坡地上作業(yè)時的縱向穩(wěn)定性。1. 1坡地上作業(yè)時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，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)塔架車停放或運行在縱向坡地上時，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。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時，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，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塔架車的縱向穩(wěn)定性過對O點取矩，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，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）曲線交點的橫坐標(biāo)值，當(dāng)塔架車實際爬坡坡度角滿足AA時，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，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)心高度計算公式，如圖3所示。對O點取矩，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，其縱向穩(wěn)定性就有保障， F表達式為式中電動機功率電動機轉(zhuǎn)速K電動機最大轉(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試驗研究3. 1試驗方案根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)里對圓形噴灌機40 m跨、50 m跨和平移式噴灌機4050 m跨的塔架車進行了質(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.同時對DJ W型和DJ C型電動機減速器進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.電動機減速器3. 2試驗結(jié)果與分析圓形和平移式噴灌機的主要結(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)機械學(xué)報車的縱向穩(wěn)定性特性曲線，如圖5所示。和是1. 1 kW電動機分別配備DJ W和DJC電動機減速器時產(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、電動機減速器和跨

9、長的塔架車的A和A參數(shù)電動機減速器傳動效率G傳動比i電動機功率N / kW電動機轉(zhuǎn)速n/ r？min和A值電動機功率電動機減速器型號塔架車最大驅(qū)動力由表3可看出，在電動機功率一定條件下，塔架車配備的電動機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塔架車進行受力分析，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的理論計算公式。（2）通過理論計算和試驗結(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塔架車配備傳動效率高的電動機減速器比配備傳動效率低的爬坡能力強滾動阻力系數(shù)低的塔架車比滾動阻力系數(shù)高的爬坡能力強。（ 4）當(dāng)塔架車在F滿足條件時，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塔架車的縱向穩(wěn)定性始點，并將車身參考減速度調(diào)整為式中v車身參考減速度點對應(yīng)的車輪速度和時刻A點對應(yīng)

11、的車輪速度和時刻同理，從C點到D點過程中按斜率法估計車輛參考車速，從D點到E點過程中將車輪速度作為參考車速估計值，將E點調(diào)整為斜率法計算參考車速的初始點，并對車身參考減速度進行調(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，具有較強的自適應(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)上進行補償來進一步提高參考車速估計的精度，補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、斜率法初始點的選擇，實時調(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，具有較強的自適應(yīng)性。在實際應(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際應(yīng)用價值。車身參考速度的準(zhǔn)確計算大大提高了車輪滑移率的計算精度，為進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：機械工業(yè)出版社， 1995.2余志生。汽車?yán)碚?。北京：機械工業(yè)出版社， 1989.3項承寨，夏群生，何樂。 ABS控制量的計算研究。汽車技術(shù)， 2001（ 1） ： 1013 4余卓平。 ABS中參考車速計算方法的研究。中國汽車工程學(xué)會第11屆年會S