高偉周,周敬東,周 天,阮曉松,楊 力

(1.湖北工業(yè)大學(xué),武漢 430068;2.湖北省農(nóng)機裝備智能化工程技術(shù)研究中心,武漢 430068;3.武漢沐沃霖科技發(fā)展有限公司,武漢 430068)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的提高,我國在農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。自走式植保機的問世,提高了我國南方廣大水田植保作業(yè)效率。針對植保機在水田間作業(yè)時產(chǎn)生的滑轉(zhuǎn)、通過性變差、行走不穩(wěn)定等問題[1-4],對植保機操縱穩(wěn)定性進行分析和研究,擬建立一個恰當?shù)闹脖C動力模型,以提高整機性能和控制操縱穩(wěn)定性。

國內(nèi)外很多研究人員對汽車、拖拉機等車輛在行駛過程中的操縱穩(wěn)定性進行了大量的研究。李華師、宗光濤等通過利用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS對汽車的操縱穩(wěn)定性進行了仿真分析與評價,得出了該型號汽車的轉(zhuǎn)向盤角階躍性能、追隨性能、躲避障礙物性能與穩(wěn)態(tài)性能到達良好水平[5]。婁秀華等針對拖拉機參數(shù)化實用模型問題,使用ADAMS軟件進行仿真分析,繪制了拖拉機行駛速度、運動軌跡和轉(zhuǎn)彎半徑的相關(guān)變化曲線,為拖拉機設(shè)計和性能分析奠定了基礎(chǔ)[6]。劉金龍等通過使用MatLab/SIMULINK平臺建立七自由度車輛動力學(xué)仿真模型來模擬汽車的操控穩(wěn)定性,能夠完成汽車的操控穩(wěn)定性反映的車輛運動特性的變化[7]。Zhang Z等針對提高車輛在參數(shù)不確定且車身側(cè)滑角狀態(tài)無法測量情況下的操縱穩(wěn)定性,提出了一種基于模型的車輛控制器設(shè)計方法,能有效提高車輛的操縱穩(wěn)定性[8]。董紅亮通過建立包含四輪轉(zhuǎn)向和主動懸架的整車統(tǒng)一動力學(xué)模型,提出了一種基于車身姿態(tài)控制的四輪轉(zhuǎn)向和主動懸架的協(xié)調(diào)控制策略,并采用方向盤角階躍輸入進行仿真,研究了使用不同控制系統(tǒng)時的車輛極限性能[9]。以上的研究人員針對車輛模型建模和操縱穩(wěn)定性評價做出大量的研究,汽車動力學(xué)仿真技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用,但對自走式植保機整車操縱穩(wěn)定性方面研究較少。

為此,考慮到植保機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)極為相似,利用ADAMS動力學(xué)仿真軟件對自走式植保機的操縱穩(wěn)定性進行仿真分析與評價,能夠基本反映自走式植保機在不同行駛工況下的操縱穩(wěn)定性能,對植保機動力學(xué)分析研究及提高操縱穩(wěn)定性能具有一定的指導(dǎo)作用。

1 操縱穩(wěn)定性理論分析

車輛的操縱穩(wěn)定性是指通過操作員在特定的路面與環(huán)境下的多次行駛表現(xiàn)出來的性能,穩(wěn)定性的好壞直接影響著操縱性的好壞,也影響著車輛的工作性能[10]。自走式植保機是否具備良好的操縱穩(wěn)定性,應(yīng)從穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)響應(yīng)、直線加減速行駛及轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入等方面性能來考慮。

1.1 直線行駛工況狀態(tài)

自走式植保機在水田作業(yè)過程中,直線行駛是常有的工作狀態(tài),包括車輪加減速和勻速行駛狀態(tài)。為了把握植保機操縱穩(wěn)定性的基本特性,把植保機結(jié)構(gòu)簡化成一個前后有側(cè)向彈性的輪胎支撐于地面且具有側(cè)向和橫擺運動的二自由度車輛模型[10],主要考慮以下幾個評價指標:

速度評價指標[10-11]為

(1)

式中u(t)—汽車縱向速度(m/s);

tn—試驗時間(s)。

縱向加速度指標[10-11]為

(2)

式中ax(t)—縱向加速度(m/s2);

動力性能總指標[10-11]為

(3)

式中ωU、ωAx—加權(quán)值。

響應(yīng)性能評價指標[10-11]為

(4)

式中ax(t)—縱向加速度(m/s2);

Trp—油門開度(mm);

1.2 角階躍工況行駛狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

自走式植保機在轉(zhuǎn)彎的情況下,駕駛員打方向盤給前車輪一個轉(zhuǎn)彎角度,在前輪角階躍輸入下產(chǎn)生的車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng),采用穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益(轉(zhuǎn)向靈敏度)來評價穩(wěn)態(tài)響應(yīng),即穩(wěn)態(tài)時的橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比[10]。

穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益[10-11]為

(5)

式中K—穩(wěn)定性因數(shù);

L—前后兩車輪相距長度(mm);

u—質(zhì)心速度V于t時刻在橫向的位移分量(m/s)。

1.3 角階躍工況行駛狀態(tài)的瞬態(tài)響應(yīng)

當給自走式植保機前車輪一個角階躍輸入后,過渡過程中自走式植保機的橫擺角速度響應(yīng)為ωr(t)。那么,影響瞬態(tài)響應(yīng)的主要因素有[11]:橫擺角速度ωr,波動時的固有頻率ω0,阻尼比ζ,反應(yīng)時間τ,達到第一峰值ωr1時的時間ε等。

橫擺角速度響應(yīng)ωr(t)[10-11]為

(6)

式中m—自走式植保機質(zhì)量(kg);

k2—相關(guān)系數(shù);

Φ—偏位角度(o)。

2 建立整車模型

利用ADAMS/Car建立自走式植保機的整車虛擬樣機模型,由于Car模塊的建模環(huán)境分為模板建模器和標準模式兩種,該虛擬自走式植保機樣機可以拆分為車身系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力傳動總成系統(tǒng)及前后輪胎系統(tǒng)等幾類系統(tǒng)[5,9-12]。在建模型時,根據(jù)山東眾和3WPHS-600A型自走式植保機的數(shù)據(jù)參數(shù)適當?shù)匦薷腁DAMS軟件所具有的子系統(tǒng)模板,完成每個子系統(tǒng)的建立,最后把子系統(tǒng)裝配成植保機整車模型,如圖1所示。

圖1 植保機整車模型Fig.1 Whole vehicle model of plant protection machine

利用ADAMS/Car建立的整車模型依據(jù)3WPHS-600A型植保機參數(shù)[13-14],如表1所示。

表1 植保機整車關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of plant protection machine

3 操縱穩(wěn)定性仿真試驗

3.1 直線行駛運動工況下的仿真分析

直線行駛是自走式植保機常見運動狀態(tài)。在ADAMS/Car軟件中創(chuàng)建驅(qū)動,選取水田路面模型,進行多次調(diào)試[15]。自走式植保機先進行加速行駛,縱向速度變化如圖2所示。穩(wěn)速行駛一段時間后再減速行駛,縱向速度變化如圖3所示。

圖2 加速下的縱向速度變化Fig.2 Longitudinal velocity change under acceleration

圖3 減速下的縱向速度變化Fig.3 Longitudinal speed change at deceleration

由圖2可以看到:自走式植保機整車在驅(qū)動力的作用下,做加速直線行駛,4s后車速度逐漸穩(wěn)定在8m/s,繼續(xù)前行。由圖3可以看到:自走式植保機在初速度為8m/s時,開始減速,一段時間后,制動力矩逐漸減小,大約在4.5s時,速度減為0,停止行駛。仿真結(jié)果表明:自走式植保機在直線行駛工況下,速度很快達到穩(wěn)定值,又可在穩(wěn)速行駛的情況下,整車速度不斷減小直至為零,有較好的加減速穩(wěn)定特性。

3.2 轉(zhuǎn)向盤角階躍工況下的仿真分析

轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗是指給正在前進的植保機一個轉(zhuǎn)向盤角階躍信號輸入,同時監(jiān)測橫擺角速度、側(cè)向加速度、車身側(cè)傾角等值的變化趨勢[16-19]。在ADAM/Car軟件中,模擬自走式植保機以穩(wěn)定的速度在路面上行駛前進,給轉(zhuǎn)向盤一個角階躍輸入后,進行仿真,在后處理界面可以看到橫擺角速度、側(cè)傾角等參數(shù)的響應(yīng)狀況[20]。

選取不同的車速,仿真時間為5s,初始轉(zhuǎn)角為0°,最終轉(zhuǎn)角為20°,設(shè)定1s時角階躍信號發(fā)生響應(yīng)。仿真后,橫擺角速度響應(yīng)曲線如圖4所示。車身側(cè)傾角響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖4 橫擺角速度響應(yīng)曲線Fig.4 Yaw rate response curve

圖5 車身側(cè)傾角響應(yīng)曲線Fig.5 Body roll angle response curve

由圖4可以看到:車速為10m/s時,植保機的橫擺角速度到達穩(wěn)定值所花費的時間少于其它兩類車速,穩(wěn)定時間約為1.325s,橫擺角速度的超調(diào)量也比較小;隨著速度的不斷增加,橫擺角速度的反應(yīng)時間在減少,但穩(wěn)態(tài)響應(yīng)所需要的時間在增加。因此,自走式植保機的穩(wěn)定性因數(shù)K>0。

由圖5可以看到:車身側(cè)傾角隨著車速的變化而不斷發(fā)生變化,在車速為10m/s時,趨向穩(wěn)態(tài)值所需時間最少;隨著車速的不斷增加,車身側(cè)傾角度逐漸變大,最后也趨向了穩(wěn)態(tài)狀況。

3.3 蛇形線試驗工況下的仿真分析

蛇形試驗方法主要用來研究汽車或植保機等車輛瞬態(tài)閉環(huán)響應(yīng)特性,能檢查車輛在接近側(cè)滑或者側(cè)翻工況下的操縱穩(wěn)定性能的好壞, 也可以用來綜合評價車輛行駛穩(wěn)定性[5]。根據(jù)國家標準GB/T6323.1-94規(guī)定的蛇形試驗的基準,標樁間距是30 000mm,基準車速為10m/s[5]。在仿真試驗中,按給定的初速度10m/s進行仿真試驗,同時采集方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度、車輛軌跡等參數(shù)的變化趨勢[21-22]。車速設(shè)定為10m/s時的仿真結(jié)果,如圖6所示。

(a)方向盤轉(zhuǎn)角

(b)車輛軌跡

(c)橫擺角速度響應(yīng)

(d)側(cè)向加速度響應(yīng)圖6 車速10m/s時蛇形線試驗仿真曲線Fig.6 Simulation curve of serpentine test at 10m/s

由圖6可以看出(加速度g=9.8m/s2):自走式植保機在車速為10m/s時能正常通過提前設(shè)置的軌跡路線,表明具有較好的追隨性能。

3.4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真分析

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗用來評價整車的不足和過多的轉(zhuǎn)向特性,固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角分為連續(xù)加速和定轉(zhuǎn)彎半徑的兩類試驗方法。為了能得到更加準確的仿真結(jié)果,依據(jù)ISO4138-82標準,使用固定轉(zhuǎn)向半徑進行不斷加速的方法進行仿真[5]。在仿真試驗前,設(shè)置轉(zhuǎn)彎半徑為30m,初始速度為5m/s,最后速度為15m/s,左側(cè)轉(zhuǎn)向方式,仿真時間為90s。仿真試驗過程中,讓自走式植保機沿著定值轉(zhuǎn)向半徑進行圓周運動,不斷加速,根據(jù)圓周半徑大小隨時使用方向盤調(diào)整轉(zhuǎn)角,讓自走式植保機有最大的側(cè)向加速度;仿真過程中不斷觀察并收集自走式植保機的質(zhì)心軌跡、車輪速度變化、側(cè)向加速度等參數(shù)變化趨勢,根據(jù)收集結(jié)果進行分析。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可以看出:自走式植保機在車速不斷增加的情況下, 能在已設(shè)置好的固定圓周軌跡上行駛,車速增加但仍然保持在回轉(zhuǎn)路徑軌跡上。由圖7(b)可以看出:自走式植保機在回轉(zhuǎn)半徑的限制下,從初始速度開始提速,在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi),車速度增加到已設(shè)定的最終速度,完成穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)。由圖7(c)可以看出(加速度g=9.8m/s2):自走式植保機的加速度處于反向增加趨勢,符合車輪左側(cè)方向(逆時針)回轉(zhuǎn)運動條件。

4 樣機試驗

為驗證操縱穩(wěn)定性仿真結(jié)果的正確性,在3WPHS-600A型自走式植保機上安裝方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、數(shù)據(jù)采集器、光學(xué)測速儀等零部件,讓植保機在水田環(huán)境和車輪懸空狀態(tài)進行試驗驗證,如圖8所示。

(a)質(zhì)心軌跡曲線

(b)側(cè)向車速變化圖

(c)側(cè)向加速度變化圖圖7 圓周回轉(zhuǎn)試驗仿真曲線Fig.7 Simulation curve of circular rotation test

圖8 整車試驗Fig.8 Vehicle test

仿真車輛軌跡與實車車輛軌跡變化對比,如圖9所示。

圖9 車輛軌跡變化對比圖Fig.9 Comparison diagram of vehicle trajectory change

通過實車試驗與仿真試驗結(jié)果對比可看出:兩者在趨勢變化方面結(jié)果達到基本吻合。由于整車試驗受到路況質(zhì)量、天氣和操作等實際因素的影響,直線行駛運動、轉(zhuǎn)向盤角階躍工況等試驗結(jié)果會出現(xiàn)稍微突變,但與仿真試驗的變化趨勢是一致的。因此,所建立的自走式植保機多體仿真模型可以較為準確地分析與評價實車的操縱穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對自走式植保機操縱穩(wěn)定性的分析與評價,通過采用ADAMS軟件中的Car模塊建立模型,設(shè)置了不同的車速對轉(zhuǎn)向盤角階躍、直線加減速行駛、圓周回轉(zhuǎn)等試驗進行了仿真和實車試驗驗證。結(jié)果表明:自走式植保機的車速為10m/s時,操縱穩(wěn)定性較好。研究結(jié)果為提高植保機的操縱穩(wěn)定特性和動力分配控制系統(tǒng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。