李錦新，武濤，劉慶庭，徐鳳英，任甲輝，黃俊杰

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州市,510642;2.中山市技師學(xué)院汽車系,廣東中山,528400)

0 引言

甘蔗是我國(guó)重要的糖料作物,其種植區(qū)域主要分布在廣西、云南、廣東、海南等地,其中廣西、云南甘蔗種植面積占全國(guó)70%以上[1-3]。廣西甘蔗種植地形主要為6°以下的緩坡地(占蔗區(qū)面積76.15%),其余的分布于丘陵地(占蔗區(qū)面積23.85%)[4];云南甘蔗種植地形主要為6°以下的緩坡地(占蔗區(qū)面積30.5%)與6°～15°的丘陵地(占蔗區(qū)面積32.1%)[5]。以上兩省的甘蔗種植地以緩坡地和丘陵地為主,甘蔗收割機(jī)在行駛時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn),因此亟需對(duì)甘蔗收割機(jī)坡道行駛性能進(jìn)行分析。

甘蔗收割機(jī)有輪式和履帶式,輪式收割機(jī)機(jī)動(dòng)性好,適宜平坦路況行駛,履帶式收割機(jī)通過性好,適宜在丘陵山區(qū)使用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車輛坡道行駛性能有廣泛研究：Yamada等[6]研制出葉片式履帶底盤,并通過理論和試驗(yàn)分析坡道行駛性能。Gao等[7]對(duì)履帶式攀巖機(jī)器人的坡道行駛性能和抗傾翻性能進(jìn)行了研究。Sun等[8]研制了一種在聯(lián)合收割機(jī)上可調(diào)升降的履帶底盤,通過調(diào)平技術(shù)來(lái)控制底盤高度,以防止車輛傾翻危險(xiǎn)。劉澤旭等[9]通過對(duì)輪式與三角履帶式集材機(jī)爬坡過程進(jìn)行受力分析,得出兩款集材機(jī)牽引力、最大爬坡度、爬坡速度和消耗的表達(dá)式。劉大為等[10]針對(duì)履帶車輛坡地作業(yè)時(shí)存在爬坡性能變成問題,提出了一種采用三連桿變形機(jī)構(gòu),通過對(duì)變形機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算,確定變形與未變形狀態(tài)下履帶車輛的爬坡性能。李艷萍等[11]對(duì)油茶撫育機(jī)的爬坡性能進(jìn)行試驗(yàn),得出最佳的重心位置和爬坡速度,提高了爬坡穩(wěn)定性。王品健等[12]針對(duì)履帶車輛行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與路面類型的差異,研究履帶車輛在坡面行駛時(shí)轉(zhuǎn)速與路面對(duì)爬坡性能的影響。潘冠廷等[13]對(duì)小型山地履帶拖拉機(jī)爬坡越障性能進(jìn)行分析,得出增大越障速度和質(zhì)心—支重輪距、減小坡度角和質(zhì)心高度均可提高山地拖拉機(jī)的爬坡越障性能。陳繼清等[14]對(duì)小型綠籬修剪機(jī)履帶底盤越障性能進(jìn)行分析,得出機(jī)器最大縱向上坡角、最大越障高度。上述學(xué)者研究的對(duì)象為機(jī)器人或其他履帶底盤,對(duì)于履帶式甘蔗收割機(jī)坡道行駛性能缺乏研究。

目前履帶式收割機(jī)有兩履帶式和四履帶式,兩履帶式具有與地貌接觸面積大、抓地力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn),四履帶式具有質(zhì)量輕、振動(dòng)小、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)[15-19]。兩履帶和四履帶結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn),本文以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的兩履帶甘蔗收割機(jī)(以下簡(jiǎn)稱A機(jī))和四履帶甘蔗收割機(jī)(以下簡(jiǎn)稱B機(jī))為研究對(duì)象,以極限傾翻角為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行坡道行駛穩(wěn)定性理論分析。由于坡道行駛物理試驗(yàn)存在傾翻危險(xiǎn),因此采用仿真方法分析兩機(jī)的坡道行駛穩(wěn)定性,為甘蔗收割機(jī)底盤進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

A機(jī)與B機(jī)都包括發(fā)動(dòng)機(jī)、輸送臂組件、履帶組件、車體組件等幾部分。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 兩機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Basic structural parameters of two machines

(a) A機(jī)

A機(jī)與B機(jī)結(jié)構(gòu)上的主要差別：A機(jī)輸送臂位于整機(jī)后部,輸送臂與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接,可繞平臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)±90°(圖2),蔗段可通過輸送臂運(yùn)送至田間運(yùn)輸車上,B機(jī)輸送臂為固定式,蔗段通過輸送臂運(yùn)送至集蔗箱內(nèi)。

圖2 A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)俯視圖Fig.2 Top view of horizontal rotation of conveyor arm of machine A

2 坡道行駛穩(wěn)定性分析

收割機(jī)在緩坡地和丘陵山地等復(fù)雜路面行駛時(shí),坡道行駛穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。行駛穩(wěn)定性是指收割機(jī)在正常行駛或者作業(yè)時(shí)不發(fā)生傾翻而能夠保持正常工作的能力,通常用極限傾翻角來(lái)評(píng)定[22]。坡道行駛穩(wěn)定性包括縱坡和橫坡穩(wěn)定性,其中縱坡分為縱上坡和縱下坡。本文以A機(jī)為例作坡道行駛穩(wěn)定性受力分析。

2.1 縱坡行駛穩(wěn)定性分析

2.1.1 縱上坡

A機(jī)在縱上坡勻速行駛時(shí),如忽略滾動(dòng)阻力,作用在收割機(jī)的力如圖3所示。

圖3 A機(jī)縱上坡受力圖Fig.3 Longitudinal upslope stress diagram of machine A

圖3中a為前履帶輪中心到重心距離,mm;b為后履帶輪中心到重心距離,mm;l1為合反力N1到后履帶輪中心接地點(diǎn)的距離,mm;h為重心高度,mm;A為前履帶輪中心接地點(diǎn);B為后履帶輪中心接地點(diǎn);α為縱坡坡度,(°);G為重量,kg;L為前后履帶輪重心位置長(zhǎng)度,mm;F1為A機(jī)牽引力,N;O為A機(jī)重心;V為行駛方向。

由整機(jī)平衡條件得出

bGcosα-hGsinα-N1l1=0

(1)

經(jīng)簡(jiǎn)化得

(2)

A機(jī)不發(fā)生傾翻的條件為l1≥0,即bcosα-hsinα≥0,因此縱上坡極限傾翻角

(3)

2.1.2 縱下坡

A機(jī)在縱下坡勻速行駛時(shí),如忽略滾動(dòng)阻力,作用在收割機(jī)的力如圖4所示。

圖4 A機(jī)縱下坡受力圖Fig.4 Longitudinal downslope stress diagram of machine A

圖4中l(wèi)2為法向作用力N2到前履帶輪中心接地點(diǎn)的距離,mm;F2為A機(jī)制動(dòng)力,N;N2為兩履帶收割機(jī)法向作用力,N。

由整機(jī)平衡條件得出

N2l2+Ghsinα-Gacosα=0

(4)

經(jīng)簡(jiǎn)化得

(5)

A機(jī)不發(fā)生傾翻的條件為l2≥0,即acosα-hsinα≥0,因此不傾翻的縱下坡極限傾翻角

(6)

2.1.3 縱坡極限傾翻角分析

由式(3)和式(6)可知,兩機(jī)縱坡極限傾翻角只與其重心位置有關(guān),與整機(jī)重量無(wú)關(guān),B機(jī)縱坡極限傾翻角計(jì)算方法與A機(jī)一致。

計(jì)算縱坡極限傾翻角時(shí),需要測(cè)量重心點(diǎn)O的位置參數(shù),分別以A機(jī)的履帶前導(dǎo)向輪圓點(diǎn)與B機(jī)的前履帶輪支架中心點(diǎn)為參考點(diǎn)(圖1中A點(diǎn)),以收割機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閄軸,側(cè)向?yàn)閅軸,垂向?yàn)閆軸。由上述縱坡行駛穩(wěn)定性分析知,當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)±90°時(shí),縱坡受力分析結(jié)果相同,因此本文僅分析A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°時(shí)對(duì)縱坡行駛穩(wěn)定性的影響。運(yùn)用SolidWorks三維軟件對(duì)兩收割機(jī)進(jìn)行建模,并對(duì)重心位置進(jìn)行測(cè)量。兩機(jī)的重心位置如表2所示。

表2 兩機(jī)重心位置Tab.2 Center of gravity of the two machines

根據(jù)兩機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和重心位置參數(shù),計(jì)算兩機(jī)縱坡極限傾翻角的理論值,如表3所示。A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度對(duì)縱坡極限傾翻角的影響,如圖5所示。

表3 兩機(jī)縱坡極限傾翻角Tab.3 Limit tilting angle of longitudinal slope of two machines

圖5 A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度對(duì)縱坡極限傾翻角的影響Fig.5 Influence of horizontal rotation angle of machine A’s elevator on the limit tilting angle of longitudinal slope

如表3所示,B機(jī)縱上坡極限側(cè)翻角大于A機(jī),縱下坡極限側(cè)翻值小于A機(jī)。由分析可知,B機(jī)縱上坡行駛穩(wěn)定性好于A機(jī),而縱下坡穩(wěn)定性A機(jī)優(yōu)于B機(jī)。是由于B機(jī)重心縱向位置比A機(jī)靠前(即B機(jī)重心X軸數(shù)值比A機(jī)小),兩機(jī)重心位置不同,對(duì)兩機(jī)縱坡行駛穩(wěn)定性造成不同影響。

從圖5可知,A機(jī)在縱上坡行駛時(shí),輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度越大,縱上坡極限傾翻角越大,而在縱下坡行駛時(shí)則相反。結(jié)合表2可知,由于A機(jī)重心位置隨輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度的變化而改變,因此對(duì)縱坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。

2.2 橫坡行駛穩(wěn)定性分析

A機(jī)在橫坡上行駛時(shí),受力如圖6所示。

圖6 A機(jī)橫坡受力圖Fig.6 Transverse slope stress diagram of machine A

圖6中e為重心至收割機(jī)縱向中線的距離,mm;C為右側(cè)履帶輪中心接地點(diǎn);D為左側(cè)履帶輪中心接地點(diǎn);E為輪距,mm;Fj為慣性力,N;N3為坡度對(duì)右側(cè)履帶輪的垂向反力,mm;N4為坡度對(duì)左側(cè)履帶輪的垂向反力,mm;Z1為坡道對(duì)右側(cè)履帶輪的側(cè)向反力,N;Z2為坡道對(duì)左側(cè)履帶輪的側(cè)向反力,N;β為橫坡坡度,(°)。

由整機(jī)平衡條件可得

N3+N4=Gcosβ

(7)

Z1+Z2=Gsinβ

(8)

(9)

由式(9)可得

(10)

收割機(jī)不發(fā)生傾翻的條件為N3≥0,即(0.5E-e)cosβ-hsinβ≥0,因此橫向極限傾翻角

(11)

運(yùn)用SolidWorks軟件測(cè)量A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度±90°～0°的重心至縱向中線距離e值,可知輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°～0°時(shí)比輸送臂水平旋轉(zhuǎn)-90°～0°時(shí)的重心至縱向中線距離e值大。根據(jù)式(11)可知,輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°～0°時(shí)比輸送臂水平旋轉(zhuǎn)-90°～0°時(shí)的橫坡極限傾翻角大,即越容易發(fā)生橫坡行駛傾翻危險(xiǎn),因此需要分析輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°～0°時(shí)的橫向極限傾翻角。兩機(jī)重心至縱向中線的距離e值,如表4所示。

表4 兩機(jī)重心至縱向中線的距離Tab.4 Distance from the center of gravity of the two machines to the longitudinal center line

通過橫坡行駛理論分析,并結(jié)合兩機(jī)基本結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量和兩機(jī)重心至縱向中線距離e值,根據(jù)式(11)計(jì)算橫坡極限傾翻角值。B機(jī)橫坡極限傾翻角為19.3°。A機(jī)橫坡極限傾翻角受輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度的影響,如圖7所示。

圖7 A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度對(duì)橫坡極限傾翻角的影響Fig.7 Influence of horizontal rotation angle of machine A’s elevator on the limit tilting angle of transverse slope

由圖7可知,A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度越大,橫坡極限傾翻角越小,即A機(jī)在橫坡行駛越不穩(wěn)定。A機(jī)輸送臂為0°時(shí),橫坡極限傾翻角為22.2°;輸送臂為+90° 時(shí),橫坡極限傾翻角為14.0°。A機(jī)輸送臂為0°的橫坡行駛穩(wěn)定性優(yōu)于B機(jī),是由于A機(jī)重心高度比B機(jī)小。

當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)至+30°時(shí)橫坡極限傾翻角為19.2°,A機(jī)小于B機(jī),說明A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度不超過+30°時(shí),橫坡穩(wěn)定性好于B機(jī)。因此A機(jī)在橫坡行駛時(shí),輸送臂盡量以較小的水平旋轉(zhuǎn)角度行駛。

3 坡道行駛穩(wěn)定性仿真

上述兩機(jī)坡道行駛穩(wěn)定性的理論分析,只考慮了兩機(jī)的基本機(jī)構(gòu)尺寸,未考慮路況影響,因此需引入路面模型,對(duì)兩機(jī)進(jìn)行坡道行駛動(dòng)態(tài)仿真分析。

3.1 履帶收割機(jī)三維模型的建立

首先根據(jù)兩機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸,利用SolidWorks三維軟件繪制車體三維模型,并賦予其材料和重量,然后轉(zhuǎn)成t_t格式文件導(dǎo)入到RecurDyn軟件中,利用RecurDyn軟件中的Track-LM模塊繪制兩機(jī)的履帶行走機(jī)構(gòu)。兩機(jī)三維模型如圖8所示,兩機(jī)履帶模型仿真結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(a) A機(jī)三維模型圖

(a) A機(jī)履帶模型仿真結(jié)構(gòu)圖

3.2 施加驅(qū)動(dòng)函數(shù)與約束

履帶行走機(jī)構(gòu)三維模型構(gòu)建完成后,還需要對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪添加驅(qū)動(dòng)函數(shù),對(duì)各組件添加驅(qū)動(dòng)副約束,才能夠使行走機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。兩機(jī)實(shí)際作業(yè)平均速度為2.5 km/h,對(duì)應(yīng)速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(TIME,0,0D,0,152D)。運(yùn)動(dòng)副約束設(shè)置如表5所示。

表5 各組件之間的約束Tab.5 Constraints between components

3.3 建立路面模型

我國(guó)甘蔗種植區(qū)域的特有土壤類型為紅壤土[21],其土壤黏聚力值為24 kPa。本文參考紅壤土路面模型的黏聚力數(shù)值,選取路面模型為土壤黏聚力值13.79 kPa的壤土(Sandy loam)路面模型,其路面特征參數(shù)如表6所示。

表6 壤土路面模型特征參數(shù)Tab.6 Characteristic parameters of loam pavement model

3.4 坡道行駛性能仿真

根據(jù)兩機(jī)坡道行駛性能分析,得出兩機(jī)縱坡與橫坡極限傾翻角理論值。參考兩機(jī)極限傾翻角理論值,A、B兩機(jī)分別以24°、35°為起點(diǎn)坡度進(jìn)行縱上坡行駛仿真;以36°、27°為起點(diǎn)坡度進(jìn)行縱下坡行駛仿真;以12°、16°為起點(diǎn)坡度進(jìn)行橫坡行駛仿真。兩機(jī)行駛仿真的坡度以每1°進(jìn)行遞增,至兩機(jī)行駛發(fā)生傾翻即為兩機(jī)動(dòng)態(tài)極限傾翻角。兩機(jī)在長(zhǎng)度20 m坡面以2.5 km/h 勻速行駛,得出兩機(jī)在壤土路面下行駛的重心高度變化規(guī)律。

3.4.1 縱上坡仿真

兩機(jī)縱上坡行駛仿真結(jié)果如圖10所示,當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°時(shí),能夠在24°坡面穩(wěn)定行駛,在25°坡面行駛至19 s時(shí)發(fā)生傾翻。當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°時(shí),能夠在31°坡面穩(wěn)定行駛,在32°坡面行駛至22 s時(shí)發(fā)生傾翻。即A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°和+90° 的縱上坡極限傾翻角分別為24°和31°。輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°比0°的縱上坡極限傾翻角大,且發(fā)生傾翻的時(shí)間更短。B機(jī)能夠在35°坡面穩(wěn)定行駛,在36°坡面行駛至24 s時(shí)發(fā)生傾翻,即B機(jī)縱上坡極限傾翻角為35°。由此可知,B機(jī)縱上坡極限傾翻角比A機(jī)大,且發(fā)生傾翻的時(shí)間更短。綜上分析,在不考慮其他外界激勵(lì)情況下,縱上坡行駛穩(wěn)定性,B機(jī)比A機(jī)好,A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°比0°好。

圖10 兩機(jī)縱上坡行駛的重心高度關(guān)系曲線Fig.10 Relation curve of gravity center height of the two machines driving longitudinally upslope

3.4.2 縱下坡仿真

兩機(jī)縱下坡行駛仿真結(jié)果如圖11所示,當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°時(shí),能夠在36°坡面穩(wěn)定行駛,在37°坡面行駛至14 s時(shí)發(fā)生傾翻;當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90° 時(shí),能夠在32°坡面穩(wěn)定行駛,在33°坡面行駛至14 s時(shí)發(fā)生傾翻;即A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°和+90° 的縱下坡極限傾翻角分別為36°和32°。輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°比+90°的縱下坡極限傾翻角大。B機(jī)能夠在27°坡面穩(wěn)定行駛,在28°坡面行駛至14s時(shí)發(fā)生傾翻,即B機(jī)縱下坡極限傾翻角為27°。由此可知,B機(jī)縱下坡極限傾翻角比A機(jī)小。綜上分析,在不考慮其他外界激勵(lì)情況下,縱下坡行駛穩(wěn)定性,A機(jī)比B機(jī)好,A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°比90°好。

圖11 兩機(jī)縱下坡行駛的重心高度關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve of gravity center height of the two machines driving longitudinally downslope

3.4.3 橫坡仿真

兩機(jī)橫坡行駛仿真結(jié)果如圖12所示,A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)-90°、0°、+90°時(shí),能夠分別在21°、18°、12°坡面穩(wěn)定行駛。當(dāng)坡面分別增加至22°、19°、13°時(shí),重心高度值迅速減小,發(fā)生傾翻,即A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)-90°、0°、+90°的橫坡極限傾翻角分別為21°、18°、12°。綜合A機(jī)橫坡受力分析(圖6)和上述A機(jī)橫坡仿真結(jié)果,可得出輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度越靠近下坡面方向,越容易發(fā)生傾翻。是由于輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度越靠近下坡面,整機(jī)重心位置也偏向下坡面。說明橫坡行駛時(shí),為提高行駛穩(wěn)定性,A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)與坡面傾斜角度相反。B機(jī)能夠在16°坡面穩(wěn)定行駛,在17°坡面行駛至2 s時(shí)發(fā)生傾翻,即B機(jī)橫坡極限傾翻角為16°?？傻贸鯝機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角為0°和-90°時(shí)極限側(cè)翻角大于B機(jī)。A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度為+90°時(shí),極限傾翻角小于B機(jī)。

圖12 兩機(jī)橫坡行駛的重心高度關(guān)系曲線Fig.12 Relation curve of gravity center height of the two machines driving on transverse slope

3.5 坡道行駛穩(wěn)定性仿真結(jié)果分析

兩機(jī)縱上坡行駛極限傾翻角理論值與仿真值如圖13所示。由圖13可知,兩機(jī)極限傾翻角數(shù)值由大到小依次為：B機(jī)、A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°、A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°。A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°、+90°和B機(jī)的極限傾翻角理論值與仿真值相對(duì)誤差分別為：12.09%、10.92%、7.71%,進(jìn)一步說明了仿真能夠有效反應(yīng)兩機(jī)的縱上坡行駛穩(wěn)定性,且B機(jī)縱上坡行駛穩(wěn)定性比A機(jī)好。是由于B機(jī)長(zhǎng)度比A機(jī)短,沒有可旋轉(zhuǎn)式輸送臂,重心縱向位置比A機(jī)靠前,因此縱上坡行駛時(shí)B機(jī)穩(wěn)定性比A機(jī)好。

圖13 兩機(jī)縱上坡行駛極限傾翻角理論與仿真值Fig.13 Theory and simulation value of limit tilting angle of two machines driving on longitudinal upslope

兩機(jī)縱下坡行駛極限傾翻角理論值與仿真值如圖14所示。由圖14可知,兩機(jī)極限傾翻角數(shù)值由大到小依次為：A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°、A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°、B機(jī)。A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°、+90°和B機(jī)的極限傾翻角理論值與仿真值相對(duì)誤差分別為：19.46%、18.16%、16.41%,進(jìn)一步說明了仿真能夠有效反應(yīng)兩機(jī)的縱下坡行駛穩(wěn)定性,且A機(jī)縱下坡行駛穩(wěn)定性比B機(jī)好。是由于A機(jī)質(zhì)量比B機(jī)小,并且A機(jī)有輸送臂,重心位置比B機(jī)靠后,縱下坡行駛時(shí),輸送臂重量可以抑制A機(jī)行駛動(dòng)能,防止發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)。因此縱下坡行駛時(shí)A機(jī)穩(wěn)定性比B機(jī)好。

圖14 兩機(jī)縱下坡行駛極限傾翻角理論與仿真值Fig.14 Theory and simulation value of limit tilting angle of two machines driving on longitudinal downslope

兩機(jī)橫坡行駛極限傾翻角理論值與仿真值如圖15所示。由圖15可知,兩機(jī)極限傾翻角數(shù)值由大到小依次為：A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)-90°、A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°、B機(jī)、A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)+90°。A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)0°、+90°、-90°和B機(jī)的極限傾翻角理論值與仿真值相對(duì)誤差分別為：18.91%、14.28%、12.86%、17.10%。仿真結(jié)果表明：A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角為-90°～0°時(shí),橫坡行駛穩(wěn)定性比B機(jī)好;A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角為+90°時(shí),橫坡行駛穩(wěn)定性比B機(jī)差。由于A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度為-90°～0°時(shí),重心至縱向中線的距離e值比B機(jī)小,同時(shí),A機(jī)重心高度比B機(jī)小。因此當(dāng)A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度為-90°～0°時(shí),橫坡行駛穩(wěn)定性比B機(jī)好,A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角度為+90°～0°時(shí)則相反。

圖15 兩機(jī)橫坡行駛極限傾翻角理論與仿真值Fig.15 Theory and simulation value of limit tilting angle of two machines driving on transverse slope

綜上分析,可得出兩機(jī)縱坡和橫坡的極限傾翻角理論值與仿真值較為接近。理論值都比仿真值大,是由于仿真時(shí)設(shè)定了壤土的路面參數(shù),更真實(shí)的反映出兩機(jī)坡道行駛性能。理論值和仿真值相對(duì)誤差最大為18.91%,根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)[22-23]可知相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)。說明仿真能夠有效反映兩機(jī)的坡道行駛穩(wěn)定性,可為甘蔗收割機(jī)底盤設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)兩履帶與四履帶甘蔗收割機(jī)極限傾翻角的理論分析,得出兩機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與坡道行駛穩(wěn)定性的內(nèi)在關(guān)系,利用RecurDyn軟件對(duì)兩機(jī)坡道穩(wěn)定行駛進(jìn)行仿真。通過理論與仿真計(jì)算,得出以下結(jié)論。

1) A機(jī)輸送臂為0°、+90°和B機(jī)的縱上坡極限傾翻角仿真值分別為24.0°、31.0°、35.0°。A機(jī)輸送臂為0°、+90°和B機(jī)的縱下坡極限傾翻角仿真值分別為36.0°、32.0°、27.0°。結(jié)果表明：縱上坡行駛穩(wěn)定性,A機(jī)輸送臂為+90°時(shí)比0°好,B機(jī)比A機(jī)好?？v下坡時(shí)相反。

2) A機(jī)輸送臂為-90°、0°、+90°和B機(jī)的橫坡極限傾翻仿真值分別為21.0°、18.0°、12.0°、16.0°。結(jié)果表明：橫坡行駛穩(wěn)定性,B機(jī)比A機(jī)輸送臂為+90°時(shí)好,比A機(jī)輸送臂為-90°、0°時(shí)差;A機(jī)輸送臂水平旋轉(zhuǎn)角從-90°～+90°,行駛穩(wěn)定性越差。

3) 兩機(jī)極限傾翻角理論值與仿真值的相對(duì)誤差最大為18.91%,在合理范圍內(nèi),說明仿真結(jié)果能夠有效反映兩機(jī)的坡道行駛穩(wěn)定性。

4) 根據(jù)A、B兩機(jī)的坡道行駛理論與仿真分析,可得出,雖然B機(jī)部分極限傾翻角數(shù)值比A機(jī)大,但整體來(lái)看B機(jī)穩(wěn)定性比A機(jī)好,更適應(yīng)丘陵山地行駛。但B機(jī)存在重量大、重心高的缺點(diǎn),需要加以改進(jìn)。