基于ADAMS的半悬挂式农业机组静侧翻稳定性
陈东辉1,2, 吕建华1,2, 龙刚1,2, 张宇晨1,2, 常志勇1,2
1.吉林大学 生物与农业工程学院,长春 130022
2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130022
通讯作者:常志勇(1980-),男,工程师,博士.研究方向:农业机械化工程.E-mail:zychang@jlu.edu.cn

作者简介:陈东辉(1961-),男,教授,博士.研究方向:农业机械化工程与表面摩擦学.E-mail:dhchen@jlu.edu.cn

摘要

针对目前半悬挂式农业机组侧翻稳定性研究的不足,提出了一种新的表征机组静侧翻稳定性的有效方法。以横向载荷转移率(LTR)作为机组的侧翻指标,建立了半悬挂式农业机组的侧翻数学模型并进行了准静态侧翻仿真试验。通过ADAMS动力学建模,得到仿真结果与数学模型高度一致,验证了理论模型的正确性。讨论了半悬挂式农业机组各参数对机组静侧翻稳定性的影响并对影响因素进行了敏感度分析。拖拉机和半悬挂式机具的LTR均与其重心高度、轮距、自身质量、轴距、重心到牵引点的距离及牵引点高度等相关。对侧翻指标各影响因素的敏感度分析表明:拖拉机和半悬挂式机具的重心高度和轮距均为影响其侧翻稳定性的重要因素;若要提高半悬挂式机具的侧翻稳定性,除增大轮距和降低重心高度外,还可采用降低牵引点高度及增大重心到牵引点距离的方法。本研究为半悬挂式农业机组的优化设计提供了理论参考。

关键词: 农业工程; 半悬挂式农业机组; 静侧翻稳定性; 横向载荷转移率; 数学模型; 敏感度分析
中图分类号:S220.1 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)04-1176-08
Static rollover stability of semi-mounted agricultural machinery based on ADAMS
CHEN Dong-hui1,2, LYU Jian-hua1,2, LONG Gang1,2, ZHANG Yu-chen1,2, CHANG Zhi-yong1,2
1.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China
2.Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, Changchun 130022,China
Abstract

To overcome the current deficiency in studying the Rollover Stability (RS) of Semi-mounted Agricultural Machine Unit (SMAMU, including a tractor and semi-mounted machine), a new method to characterize the RS of SMAMU is proposed. The Lateral Load Transfer Ratio (LLTR) is chosen as the evaluation indicator of RS, the rollover mathematical model is established and quasi static simulation is carried out. Through ADAMS dynamic modeling, the simulation results are in good agreement with the mathematical model, which verifies the correctness of the theoretical model. The effects of the parameters of SMAMU on the RS are discussed and the sensitivity of the influencing factors is analyzed. The LLTR is correlated to the height of center of gravity, the wheel-base of the tractor, the weight of the SMAMU, the wheel-center-distance, the distance from the center of gravity to the tow point and the height of tow point. The results show that the height of the center of gravity and the wheel-base of both the tractor and the semi-mounted machine are the important factors affecting the RS. Besides reducing the height of center of gravity or increasing the wheel-base, reducing the height of the tow point or increasing the distance from the center of gravity to the tow point can also improve RS. This work may provide reference for the optimal design of SMAMU.

Keyword: agricultural engineering; agricultural semi-mounted unit; statically lateral roll stability; lateral load transfer ratio (LTR); mathematical model; sensitivity analysis
0 引 言

农业作业机组的侧翻稳定性是衡量机组安全性能优劣的重要指标之一[1]。由于半悬挂式挂接方式对于大型、重型及纵向尺寸较长的农业机械具有明显优势, 使其在农业、林业中得到广泛的应用[2], 但因纵向尺寸长、悬挂点位置高、轮距较窄以及工况环境复杂等因素, 其侧翻稳定性较差, 翻车事故时有发生[3, 4]。解决其固有的稳定性问题是半悬挂式农业机组发展的关键[5]

目前, 国内外关于车辆侧翻稳定性的研究大多集中在汽车[6, 7, 8]、重型车辆[9]和工程车辆[10, 11]等领域。半悬挂式农业机组由拖拉机和半悬挂式机具组成, 其结构与汽车等有很大不同, 且工况环境更为复杂, 其设计研究工作主要针对机组的功能作用、强度分析和结构优化等方面, 在对机组的侧翻稳定性方面鲜有研究。将数学建模分析和动力学仿真应用于车辆静侧翻研究是一种行之有效的方法, 国内外许多学者基于此方法取得了理想的研究成果, Prem等[12]基于虚拟样机技术进行了车辆的静态侧翻稳定性仿真试验, 并研究了载荷分配对车辆侧翻稳定性的影响; 肖杰等[13]建立了汽车的静态侧翻模型, 计算得到最大侧翻稳定角, 并且对汽车静态侧翻稳定性的影响因素进行了敏感度分析; 倪菲菲等[14]建立了车辆行驶过程中的准静态侧翻模型, 推导了侧翻因子的计算公式, 通过仿真方法较全面地分析了汽车侧翻的影响因素。可见, 对于汽车稳定性的研究已经达到了很高的水平[15, 16], 但是对于半悬挂式农业机组的安全稳定性有待进一步研究。

针对现有半悬挂式农业机组静侧翻稳定性研究的不足, 本文充分研究了国内外车辆静态侧翻稳定性的相关理论[17, 18], 结合半悬挂式农业作业机组的特殊性, 建立了半悬挂式农业机组的侧翻数学模型和ADAMS动力学模型, 着重分析了机组静侧翻稳定性的影响因素及其敏感度, 进而给出一种表征半悬挂式农业机组静侧翻稳定性的新方法, 为半悬挂式农业机组的优化设计提供了理论参考。

1 半悬挂式农业机组侧翻数学模型的建立

半悬挂式农业机组在坡道横向行驶时, 受到重力的作用, 车身附着于坡道并发生倾斜, 受力示意图如图1所示。其中: FQzl1FQzl2FQzr1FQzr2分别为道路对拖拉机左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的垂直反力; FQyl1FQyl2FQyr1FQyr2分别为道路对拖拉机左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的侧向附着力; FHzlFHzr分别为道路对半悬挂式机具左轮、右轮的垂直反力; FHylFHyr分别为道路对半悬挂式机具左轮、右轮的侧向附着力; FTyFTz分别为拖拉机对半悬挂式机具的侧向、垂向作用力; GQ为拖拉机的质量; GH为半悬挂式机具的质量; β为试验台横向倾翻角度或者路面的横向坡度角。在模型建立的过程中, 因为轮胎形变量相对较小, 所以可以忽略由于轮胎变形导致的车身重心的变化。

图1 半悬挂式农业机组在横向坡道的受力示意图Fig.1 Force schematic diagram of agricultural semi-mounted unit acting on transverse ramp

1.1 拖拉机的侧翻数学模型

对半悬挂式农业机组中的拖拉机建立侧翻数学模型时, 考虑到拖拉机结构的特殊性, 以拖拉机后轴轮距定义拖拉机轮距。并且根据横向载荷转移率的定义[17], 令: FQzl1+FQzl2=FQzl, FQzr1+FQzr2=FQzr

基于图1拖拉机的受力情况建立如下方程:

FQzl+FQzr-FQz=GQcosβ(1)

FQyl+FQyr-FQy=GQsinβ(3)

FQz=FTz=ba+bGHcosβ(3)

FQy=FTy=ba+bGHsinβ(4)

式中:a为半悬挂式机具重心与其牵引点的水平距离; b为半悬挂式机具重心与其轮轴的水平距离。方程(3)中 FQzFTz互为相互作用力, 方程(4)中 FQyFTy互为相互作用力。

整理方程(1)(2)(3)(4)得:

FQzl+FQzr=GQcosβ+ba+bGHcosβ(5)

FQyl+FQyr=GQsinβ+ba+bGHsinβ(6)

式中: FQyl=μFQzl, FQyr=μFQzr, 其中 μ为拖拉机的附着系数。

结合方程(5)(6)可得: μ=tanβFQylFQyr需达到拖拉机的附着条件, 若 μ过小且 μ< tanβ, 拖拉机会沿坡道方向发生侧滑。为保证横向坡度角与机具结构参数这两个变量对拖拉机侧翻稳定性的影响不受侧滑因素干扰, 需满足地面附着系数 μ足够大的条件, 即 tanβ

图1中, 根据前文对拖拉机轮距的定义, 本研究假设力 FQzl的作用点与力 FQzl2的作用点在同一条直线上且与机组纵轴线平行, 对 FQzl列转矩平衡方程可得:

GQhc1sinβ-B12GQcosβ+FQzrB1+FQyha-FQzB12=0(7)

式中: B1为拖拉机后轴(驱动轮)轮距; hc1为拖拉机重心高度; ha为牵引点高度。联立方程(5)(6)(7)可得:

FQzr=12FQz-haB1FQy+12GQcosβ-GQhc1sinβB1(8)

由方程(5)(8)可得:

FQzl=12FQz+haB1FQy+12GQcosβ+GQhc1sinβB1(9)

以横向载荷转移率(LTR)作为拖拉机侧翻稳定性的评价指标。定义LTR为左、右轮胎垂向载荷之差与总载荷的比值[17]:

LTR=FQzl-FQzrFQzl+FQzr(10)

将方程(8)(9)代入方程(10)并取绝对值可得:

LTR=2(FQyha+GQhc1sinβ)B1(GQcosβ+FQz)(11)

将方程(3)(4)代入方程(11), 得到拖拉机的横向载荷转移率(LTR)为:

LTR=2habGH+hc1GQ(a+b)B1(a+b)GQ+bGHtanβ=K1tanβ(12)

式中: K1为半悬挂式机组中拖拉机的侧翻稳定性系数。

1.2 半悬挂式机具的侧翻数学模型

对图1所示的机组受力状况进行分析可得:

FHzl+FHzr+FTz=GHcosβ(13)

FHyl+FHyr+FTy=GHsinβ(14)

FHylb+FHyrb-FTya=0(15)

GHcosβb-FTz(a+b)=0(16)

化简上述方程可得:

FHyl+FHyr=aa+bGHsinβ(17)

FHzl+FHzr=aa+bGHcosβ(18)

FTy=ba+bGHsinβ(19)

FTz=ba+bGHcosβ(20)

假设地面附着系数足够大, 机组不会发生侧滑。则在图1中, 对力 FHzl的作用点与机组纵轴线平行的轴线取力矩得:

GHhc2sinβ-B22GHcosβ+FHzrB2-FTyha+FTzB22=0(21)

式中: B2为半悬挂式机具的轮距; hc2为半悬挂式机具重心高度。

将式(19)(20)代入式(21)可得:

FHzr=aa+bGH12cosβ-hc2B2sinβ(22)

由式(18)(22)可得:

FHzl=aa+bGH12cosβ+hc2B2sinβ(23)

选取横向载荷转移率LTR的绝对值为侧翻稳定性的评价指标, 则半悬挂式机具的横向载荷转移率可表示为:

LTR=FHzl-FHzrFHzl+FHzr(24)

将式(22)(23)代入式(24)得半悬挂式机具的横向载荷转移率:

LTR=2hc2B2tanβ=K2tanβ(25)

式中: K2为半悬挂式机组中半悬挂式机具的侧翻稳定性系数。

2 准静态侧翻仿真试验
2.1 半悬挂式农业机组的简化

半悬挂式农业机组是一个复杂的作业系统, 在进行其静态侧翻稳定性研究时可以忽略一些与之无关的因素从而简化模型, 更高效地实现拖拉机静侧翻稳定性的仿真分析。本研究在仿真建模过程中做出如下简化:

(1)忽略拖拉机的具体构件, 将其简化为摆动前桥和拖拉机机身两部分, 两者通过摇摆销轴连接。

(2)忽略半悬挂式机具上的具体组成部件, 将半悬挂式机具简化为一个刚体。

(3)简化拖拉机与半悬挂式机具之间牵引装置的具体连接形式, 根据半悬挂式机组的牵引特点, 可将其等同为三自由度的铰链接。

2.2 仿真试验装置的建模

仿真试验装置包括侧翻试验平台和半悬挂式农业机组两部分, 运用ADAMS对仿真试验装置进行多刚体动力学建模。建模过程如下:建立侧翻试验平台并在其与大地之间添加转动副, 且转动副带有驱动; 在拖拉机与半悬挂式机具之间建立球面副, 在侧翻试验台与半悬挂式机组的车轮之间建立接触。在侧翻试验过程中, 为防止机组相对试验平台发生侧滑, 在试验平台靠近旋转轴一侧固结有挡块, 并在挡块与机组的车轮轮胎外缘之间建立接触并设置接触力为0, 同时设置轮胎与试验平台间的摩擦因数使其足够大。根据半悬挂式农业机组的相关参数(以表1参数为例), 通过ADAMS/View模块, 对模型进行参数设置。

表1 机组基本参数 Table 1 Basic parameters of overall unit

在ADAMS/View中建立的仿真实验模型如图2所示。完成虚拟样机的建立之后, 对虚拟样机进行整体的约束关系、自由度数目的校验。

图2 ADAMS/View仿真模型Fig.2 Simulation model of ADAMS/View

2.3 静态侧翻仿真试验

半悬挂式农业机组的静态侧翻仿真试验按照《轮式拖拉机静侧翻稳定性试验方法》(NY/T1929— 2010)和《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》(GB/T14172— 2009)中的有关规定进行, 保证仿真试验台的旋转速度不得大于10 ° /min。本仿真试验的试验参数设置如下:试验台的旋转角速度为0.1 ° /s; 仿真时间为450 s; 仿真步数为450步。

3 仿真结果分析
3.1 侧翻评定指标的分析

半悬挂式农业机组的轮胎与试验台间的接触力变化曲线如图3所示。图3中横坐标为仿真进行的时间t, 纵坐标为机组各轮胎随试验台旋转其垂向载荷t的变化情况。图3中CONTACT_L1.FY表示拖拉机左前轮胎与试验台间的接触力; CONTACT_L2.FY表示拖拉机左后轮胎与试验台间的接触力; CONTACT_L3.FY表示半悬挂式机具左侧轮胎与试验台间的接触力; CONTACT_R1.FY表示拖拉机右前轮胎与试验台间的接触力; CONTACT_R2.FY表示拖拉机右后轮胎与试验台间的接触力; CONTACT_R3.FY表示半悬挂式机具右侧轮胎与试验台间的接触力。

图3 整机轮胎与试验台间的接触力变化曲线图Fig.3 Change curve of contact force between tire of overall unit and test bench

从仿真过程中整机轮胎与试验台间的接触力变化曲线可以看出:随着横向坡度角的增大, 机组左侧轮胎与侧翻试验平台的接触力慢慢增大, 机组右侧轮胎与侧翻试验平台的接触力慢慢减小。当机组右侧轮胎与侧翻试验平台的接触力减小到0时, 代表此刻该轮胎即将开始脱离试验平台。在整个仿真试验过程中, 机组右侧轮胎开始脱离试验平台的顺序为:拖拉机后轮右侧轮胎最先脱离侧翻试验平台, 拖拉机前轮右侧轮胎和半悬挂式机具的右侧轮胎几乎同时脱离试验台。

3.2 侧翻模型的验证

3.2.1 通过对比轮胎垂向载荷验证模型的正确性

对图3所示的接触力变化趋势进行分析, 并结合前文数学模型做出的相关假设, 对准静态侧翻仿真试验结果进行相应处理:规定CONTACT_L1.FY与CONTACT_L2.FY两者之和即 FTzl为地面作用于拖拉机内侧轮胎上的垂向反作用力, 规定CONTACT_R1.FY与CONTACT_R2.FY两者之和即 FTzr为地面作用于拖拉机外侧轮胎上的垂向反作用力, 定义CONTACT_L3.FY为半悬挂式机具内侧轮胎上的地面垂向反作用力, 定义CONTACT_R3.FY为半悬挂式机具外侧轮胎上的地面垂向反作用力。将表1中各参数代入式(8)(9)(22)(23), 通过计算软件处理, 分别得到 FQzlFQzrFHzlFHzr的变化曲线。将通过运用数学模型和ADAMS动力学模型两种方法求得的地面对机组各轮胎的垂向反作用力曲线进行对比, 并通过计算两种曲线的相关度来互相印证两种模型的正确性。图4为两种模型下机组各轮胎的地面垂向反作用力对比情况。鉴于本研究意在表征半悬挂式农业机组的横向静侧翻稳定性, 对机组的侧翻过程不作具体描述, 故在研究过程中, 重点对机组倾翻角度小于35° 的准静态侧翻过程进行分析。

图4 半悬挂式农业机组内外侧轮胎的地面垂向反力对比图Fig.4 Comparison of vertical ground reaction force between inner and outer sides of agricultural semi-mounted unit

由图4可知:在准静态侧翻阶段, 即机组的翻转角度小于35° 时, 运用数学模型计算得到的机组各轮胎的地面垂向反力曲线和运用动力学仿真计算得到机组各轮胎的地面垂向反力曲线具有非常高的重合度。利用图中倾翻角度小于35° 的实验数据, 处理得到数学模型计算结果和动力学仿真计算结果的相关系数, 计算得到 FQzlFTzl的相关系数为0.93; FQzrFTzr的相关系数为0.98; FHzl与CONTACT_L3.Fy的相关系数为0.86; FHzr与CONTACT_R3.Fy的相关系数为0.98。通过以上数据可以直观地看出, 两者具有很高的相关性。因此可以认为两者的计算结果是一致的, 从而初步互相印证了数学模型和动力学仿真模型的正确性。

3.2.2 通过对比横向载荷转移率验证模型的正确性

以准静态侧翻过程中的横向载荷转移率(LTR)作为评价指标, 通过比对两种模型求解得到的LTR并计算其相关度, 进一步对模型的正确性进行验证。利用Excel软件分别求出数学模型的LTR和动力学侧翻模型表征的LTR, 如图5所示。定义STLJ-LTR为运用数学模型方法计算获得的拖拉机的横向载荷转移率; 定义SSHJ-LTR为运用数学模型方法计算获得的半悬挂式机具的横向载荷转移率; 定义TLJ-LTR为运用动力学仿真方法获得的拖拉机的横向载荷转移率; 定义SHJ-LTR为运用动力学仿真方法获得的半悬挂式机具的横向载荷转移率。

图5 横向载荷转移率(LTR)对比图Fig.5 Comparison of LTR

如图5所示, 倾翻角度为0° ~35° 时, 由数学模型得到的地面对机组各轮胎的垂向反作用力曲线与经过动力学模型计算得到的反作用力曲线具有良好的重合度, 载荷横向转移率(LTR)随着倾翻角度的增大而不断增大。当倾翻角度大于35° 时, 由于试验平台靠近旋转轴一侧固结挡块的作用, 其对机组轮胎外缘作用力的大小和复杂程度随着倾翻角度的增加而迅速加剧。从而导致图中后期动力学模型曲线的剧烈跳动, 使得数学模型曲线与动力学仿真曲线出现了较大偏差。

经过计算, 拖拉机横向载荷转移率的数学模型曲线(STLJ-LTR)与动力学仿真曲线(TLJ-LTR)的相关系数为0.996; 半悬挂式机具横向载荷转移率的数学模型曲线(SSHJ-LTR)与动力学仿真曲线(SHJ-LTR)的相关系数为0.998, 两者均非常接近于1, 两种模型曲线的高度一致性证明了前文所建立的数学模型与动力学仿真模型的正确性。同时, 由图5所示的LTR与倾翻角度之间的关系可知:通过LTR来衡量机组的侧翻稳定性是可行的。

3.3 影响因素敏感度分析

当进行半悬挂式农业机组的实际设计研发时, 若通过分析发现机组具有较差的侧翻稳定性, 则需要对机组整体的原始设计参数进行相应调整, 使其达到整机的设计及使用标准。对于拖拉机的侧翻稳定性, 选取其侧翻稳定性系数 K1作为半悬挂式机组各参数对拖拉机侧翻稳定性影响大小的评价指标, 同时选取拖拉机的重心高度 hc1拖拉机的后轮轮距 B1和拖拉机的质量 GQ以及半悬挂式机具重心到牵引点的距离 a2牵引点高度 ha和半悬挂式机具的质量 GH作为影响其侧翻稳定性系数 K1的因素; 对于半悬挂式机具的侧翻稳定性, 选取侧翻稳定性系数 K2作为半悬挂式机具的各设计参数对半悬挂式机具侧翻稳定性影响大小的评价指标, 同时选取半悬挂式机具的重心高度 hc2与半悬挂式机具的轮距 B2作为影响半悬挂式机具侧翻稳定性系数 K2的因素。规定将上述参数分别在设计值的20%范围内进行变化, 同时在保证单一变量的前提下(当一个参数变化时, 其他参数保持不变), 可得到 hc1K1B1K1GQK1GHK1a2K1haK1hc2K2以及 B2K2的敏感度曲线, 分别如图6~图9所示。

图6 B1-K1hc1-K1敏感度曲线Fig.6 Sensitivity curve of B1-K1hc1-K1

图7 GQ-K1GH-K1敏感度曲线Fig.7 Sensitivity curve of GQ-K1GH-K1

图8 a2-K1ha-K1敏感度曲线Fig.8 Sensitivity curve of a2-K1ha-K1

图9 hc2-K2B2-K2敏感度曲线Fig.9 Sensitivity curve of hc2-K2B2-K2

由图6可知:拖拉机的侧翻稳定性系数 K1随着拖拉机重心高度 hc1的增大而增大, 随着后轮轮距 B1的增大而减小, 且影响显著。

由图7可知:拖拉机的重量 GQ和半悬挂式机具的重量 GH对拖拉机的侧翻稳定性系数 K1影响不显著。

由图8可知:拖拉机的侧翻稳定性系数 K1随着牵引点高度 ha的增大而增大, 随着半悬挂式机具重心到牵引点的距离 a2的增大而减小。其中, 牵引点高度 ha对侧翻稳定性系数 K1的影响最大, 而重心到牵引点的距离 a2对侧翻稳定性系数 K1的影响不显著。

由图9可知:半悬挂式机具的侧翻稳定性系数 K2随着其质心高度 hc2的增大而增大, 随着其轮距 B2的增大而减小, 且质心高度对半悬挂式机具的侧翻稳定性系数 K2的影响比轮距对其影响更为显著。

4 结 论

(1)拖拉机的侧翻数学模型为: LTR=2habGH+hc1GQ(a+b)B1(a+b)GQ+bGHtanβ, 半悬挂式机具的侧翻数学模型为: LTR=2hc2B2tanβ通过数学模型和动力学模型计算结果的互相比较验证了两种模型的正确性, 并且证明了用LTR衡量机组侧翻稳定性的可行性。

(2)拖拉机和半悬挂式机具的重心高度和轮距均为影响其侧翻稳定性的重要因素, 重心高度越小, 轮距越宽, LTR就越小, 机具越稳定; 若要减小半悬挂式机具的LTR并且能够保证其他性能, 可采用降低牵引点高度 ha及增大重心到牵引点距离 a2的方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

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