圆形和平移式喷灌机塔架车的纵向稳定性

1、农业机械学报圆形和平移式喷灌机塔架车的纵向稳定性严海军金宏智李军叶何建强为衡量塔架车爬坡能力和抗翻倾能力的指标，推导出纵向坡度角与驱动力、塔架车结构尺寸、地面状况等因素之间的关系式及塔架车质心高度的计算公式，通过试验测得塔架车的纵向稳定性特性曲线。结果表明，适当增大塔架车的轮距、降低质心高度、减小驱动轮动力半径，合理匹配驱动功率，提高减速器传动效率、增大传动比，均可提高塔架车的爬坡能力和纵向稳定性。国家863高技术研究发展计划资助项目（项目编号： 2002AA2Z1）严海军中国农业大学水利与土木工程学院讲师博士， 100083北京市金宏智中国农业机械化科学研究院研究员博士生导师， 100083

2、北京市李军叶中国农业机械化科学研究院工程师何建强美国佛罗里达州大学博士生， 32611Gainesville， Florida引言由于圆形和平移式喷灌机经常在泥泞的农田里或起伏不平的坡地上运行，恶劣的作业环境使喷灌机塔架车的通过性能变差，甚至发生塔架车沿坡地下滑或翻倾现象，破坏灌溉系统的同步性，严重时造成桁架坍塌，耽误农时，因此塔架车的纵向稳定性极其重要 1， 2.由于塔架车的特殊结构、驱动形式和工作环境，其受力状况与分析不同于常见四轮或多轮驱动的地面车辆，迄今为止，尚未见到国内外对此的研究报道。本文利用地面车辆动力学理论对塔架车的纵向稳定性进行研究1塔架车的动力学双轮驱动的圆形和平移式喷灌机

3、塔架车喷洒作业时在平地和坡地上等速运行，本文重点讨论塔架车在坡地上作业时的纵向稳定性。1. 1坡地上作业时作用在塔架车上的外力塔架车前后驱动轮的动力半径相同，在坡地上等速喷洒作业时，其纵向平面内的受力情况如图1所示。图中G塔架车作用的重力前、后驱动轮驱动力前、后驱动轮滚动阻力前、后驱动轮滚动阻力矩驱动轮动力半径前、后驱动轮上的土壤垂直反作用力塔架车质心高度塔架车轮距v塔架车行走速度A坡度角1. 2坡地上作业时塔架车的牵引平衡方程式塔架车行走速度围内，忽略空气阻力，则牵引平衡方程式为其中式中f塔架车的滚动阻力系数2塔架车纵向稳定性分析当塔架车停放或运行在纵向坡地上时，抵抗沿纵向前后翻倾或滑移的能

4、力，通常用坡度角来评价。2. 1塔架车抗纵向翻倾极限坡度角A塔架车的结构特点是沿中心线前后对称，蜗轮蜗杆式车轮减速器具有自锁性能。当塔架车被制动停在纵向坡地上， Z=0，而且G通过驱动轮与地面切线上点时，前后不发生翻倾的最大坡度角A称为塔架车抗纵向翻倾极限坡度角，如图2所示。图中F地面制动力对则从式（ 2）看出塔架车抗翻倾纵向极限坡度角A只与塔架车的质心高度h和轮距L有关。在相同工况下，轮距长、质心低的塔架车纵向稳定性好。2. 2塔架车抗纵向滑移极限坡度角A当塔架车的制动力F与塔架车重力的水平分力相平衡而不发生滑移的最大坡度角称为抗纵向滑移极限坡度角A U.当塔架车被制动停在刚结束灌溉的坡地上

5、时，不发生滑移的条件是式中U坡地最大附着系数则从式（ 4）看出，塔架车抗纵向滑移极限坡度角只与地面附着系数有关，所以塔架车应停放在附着系数较大的坡地上。塔架车坡地作业的最大附着系数可取U=0. 50.7，其抗纵向滑移极限坡度角在2. 3塔架车抗纵向翻倾临界坡度角A如图1所示，塔架车在坡地上运行中，不发生后翻倾的条件是前驱动轮的土壤反作用力严海军等：圆形和平移式喷灌机塔架车的纵向稳定性过对O点取矩，得到式（ 5）中滚动阻力矩M可表示成q，并将式（ 1）得到的F经整理得由式（ 6）可看出，当A值增大到A值时，因以A为横坐标画出的f（ A）曲线称为塔架车纵向稳定性特性曲线。塔架车抗纵向翻倾临界坡度角

6、可用图解法求出，即驱动力F与f（ A）曲线交点的横坐标值，当塔架车实际爬坡坡度角满足AA时，就不会发生向后翻倾。2. 4塔架车爬坡能力临界坡度角A塔架车最大驱动力不但受土壤附着条件限制，而且也受到滚动阻力和塔架车重力的水平分力的制约，因此满足塔架车行走的充分必要条件是式中F最大附着力在满足坡地最大附着系数条件下，驱动力必须满足条件由式（ 8）可看出，当A值增大到A值时，因滚动阻力系数为零，则式（ 8）变成塔架车爬坡能力坡度角受驱动力的限制，爬坡能力临界坡度角A也可用图解法求出，即最大驱动力F与f（ A）曲线交点的横坐标值。2. 5塔架车质心高度的测定从式（ 6）看出，塔架车的质心高度对抗纵向翻

7、倾的稳定性影响很大。根据车辆质心位置的测试方法，推导出塔架车质心高度计算公式，如图3所示。对O点取矩，得式中后轮的载荷垫块高度轮距在水平地面上的投影长度2. 6最大驱动力F当塔架车在F满足f时，其纵向稳定性就有保障， F表达式为式中电动机功率电动机转速K电动机最大转矩过载倍数i塔架车驱动装置的总传动比塔架车驱动装置的总传动效率3试验研究3. 1试验方案根据试验标准里对圆形喷灌机40 m跨、50 m跨和平移式喷灌机4050 m跨的塔架车进行了质心高度测定，测试现场为干茬麦地，滚动阻力系数取0.075.同时对DJ W型和DJ C型电动机减速器进行了效率测定测定原理图见图4.效率的测定简图1.数据采

8、集仪2.霍尔光电仪3. AKC 2005B 300型动态扭矩仪4.粘贴应变片仪5.车轮减速器6.短轴7.联轴套8.联轴套9.短轴10.电动机减速器3. 2试验结果与分析圆形和平移式喷灌机的主要结构尺寸、质心高度和两级减速器的性能测定结果如表1和表2所示。根据表1、表2、式（ 6）、式（ 8）及公式f分别绘制出40 m、4050 m、50 m跨长塔架农业机械学报车的纵向稳定性特性曲线，如图5所示。和是1. 1 kW电动机分别配备DJ W和DJC电动机减速器时产生的最大跨长/m轮距输水管规格驱动轮动力半径使用质量质心高度驱动力。由图5的纵向稳定性特性曲线用图解法可求出不同驱动功率、电动机减速器和跨

9、长的塔架车的A和A参数电动机减速器传动效率G传动比i电动机功率N / kW电动机转速n/ r？min和A值电动机功率电动机减速器型号塔架车最大驱动力由表3可看出，在电动机功率一定条件下，塔架车配备的电动机减速器传动效率越高，则塔架车最大驱动力越大质量小的短跨塔架车的抗纵向翻倾极限坡度角A大于质量大的长跨塔架车当塔架车最大驱动力一定，质量小的短跨塔架车的爬坡能力临界坡度角A大于质量大的长跨塔架车滚动阻力系数低的塔架车的爬坡能力临界坡度角A大于滚动阻力系数高的塔架车。4结论（ 1）利用地面车辆力学理论，对坡地上的圆形和平移式喷灌机塔架车进行受力分析，推导出塔架车抗纵向翻倾极限坡度角A和临界坡度角A

10、、抗纵向滑移极限坡度角A、爬坡能力临界坡度角A及塔架车质心高度h的理论计算公式。（2）通过理论计算和试验结果分析表明，增大塔架车的轮距、降低质心高度、减小驱动轮动力半径q，可以提高塔架车纵向稳定性。（ 3）通过试验表明，塔架车在驱动功率一定的条件下，质量小的短跨塔架车比质量大的长跨塔架车爬坡能力强塔架车配备传动效率高的电动机减速器比配备传动效率低的爬坡能力强滚动阻力系数低的塔架车比滚动阻力系数高的爬坡能力强。（ 4）当塔架车在F满足条件时，塔架车的纵向稳定性即得到保障。严海军等：圆形和平移式喷灌机塔架车的纵向稳定性始点，并将车身参考减速度调整为式中v车身参考减速度点对应的车轮速度和时刻A点对应

11、的车轮速度和时刻同理，从C点到D点过程中按斜率法估计车辆参考车速，从D点到E点过程中将车轮速度作为参考车速估计值，将E点调整为斜率法计算参考车速的初始点，并对车身参考减速度进行调整，依次类推。自适应参考斜率法解决了斜率法初始点选择困难和车身参考减速度适应性差的问题，除少数点外，在常遇路面、对开路面和对接路面上都可以得到较为准确的参考车速估计，具有较强的自适应性，图8为在平直对接路面上确定参考车速的示例。而且，自适应斜率法适用于单、两、三和四通道ABS系统。在实际应用过程中，可以通过在自适应斜率法的基础上进行补偿来进一步提高参考车速估计的精度，补偿方法与斜率法相同。4结束语自适应斜率法避开了传统

12、斜率法初始点的选择，实时调整车身参考减速度，在常遇路面、对开路面和对接路面上都可以得到较为准确的参考车速，且不受驾驶员操作行为的影响，具有较强的自适应性。在实际应用中各车轮利用自身的轮速信息确定与之对应的参考车速，因此无论在直道还是在弯道制动工况下，均可以取得较好的效果，该方法具有较大的实际应用价值。车身参考速度的准确计算大大提高了车轮滑移率的计算精度，为进一步提高汽车制动防抱系统的控制效果提供了基础。1日ABS株式会社。汽车制动防抱装置（ ABS ）构造与原理。刘荣华译。北京：机械工业出版社， 1995.2余志生。汽车理论。北京：机械工业出版社， 1989.3项承寨，夏群生，何乐。 ABS控制量的计算研究。汽车技术， 2001（ 1） ： 1013 4余卓平。 ABS中参考车速计算方法的研究。中国汽车工程学会第11届年会S