丘陵山区农用动力底盘设计与控制研究

丘陵山区农用动力底盘设计与控制研究

我国山地自行车场占土地面积的70%，农业资源丰富（木本油、干鲜果品、茶叶、医疗材料、山地珍型、宜草场等），具有很大的开发价值，但山区农业机械化的发展水平明显落后于平原。这种事实,反映了我国农机化在地域发展上存在很大的不均衡性,严重制约我国农机化的总体发展水平。在此,笔者首先针对丘陵山区地块小而分散、地面高差大、山间道路窄小且崎岖不平等特殊地形的农业作业环境,设计了一种适用于丘陵山区作业的动力底盘。该动力底盘采用轮履复合式结构,其中轮胎安装在由平衡肘带动的可升降机构上,通过调整平衡肘的旋转角度,可实现离地间隙的调整。轮履复合式动力底盘由于主要应用于丘陵山地,面临的地形非常复杂,在行驶或作业过程中,需要在坡地进行频繁的转向及障碍物绕行等运动。坡道转向的灵活性和稳定性直接影响整机性能。其次着重分析了该底盘坡道转向特性,建立其坡道转向动力学模型,通过对其进行坡道转向的受力分析,研究了山地农用动力底盘所受纵向分力对坡道转向特性的影响,为该装置的结构设计及转向控制提供理论依据。1动力底部结构特点要开发设计适宜于丘陵山地的动力底盘,就必须与丘陵山地农业生产实际需要相适应,需要针对山区道路弯急坡陡、狭窄崎岖、地面高差大、耕地零星、田块小而分散、地质结构复杂多变、机具转移运输困难等实际问题,设计一种适用于丘陵山地的动力底盘。这就要求设计的动力底盘需要满足以下使用要求:1)动力底盘在运达作业地点的过程中,需要实现快速平稳的行进,尽量缩减机具运输过程中耗费的时间。2)在丘陵山地作业环境中,有较强的爬坡、抗翻倾以及跨越坑道的能力,也即动力底盘要有很好的机动性和越障性能。3)具有灵活的转向性能,适应丘陵山地地块零星、地头转向频繁的实际要求。4)对作业地面的破坏力小,尽量减小动力底盘对作业地面的压实和挤压,避免机具对农艺环境造成破坏。5)具有克服由地面高差引起的行走机构受力不均的能力,能有效避免动力底盘坡道横向行驶时的滑移,以及受力不均引起的构件磨损和挤压变形。动力底盘的结构如图1和图2所示,采用对称的结构布局形式,主要由本体和4个结构尺寸相同的运动单元组成,每个运动单元包括一个可升降轮胎机构和一个履带摆臂机构。可升降驱动轮采用轮毂电机驱动,平衡肘的转动则由本体内安装的电机驱动,可实现360°旋转。前后两侧的履带摆臂驱动轮由安装在本体内部两台驱动电机分别驱动,摆臂的正反转运动由本体内部的另外两台电机驱动。该动力底盘不仅能发挥履带附着性能好的优势,还具有轮式快速运动的特点,通过调整可升降轮胎机构中平衡肘的旋转角度,可实现离地间隙的调整;在坡地横向作业时,可调节左右两侧可升降驱动轮胎机构升降的高度,使得底盘车架保持水平(图1c),有效避免作业机械的侧翻。同时,通过履带摆臂或履带摆臂和驱动轮的复合运动,可实现复杂农田环境的越障爬坡运动。如图1b、1c所示,本新型复合式动力底盘结构主要由以下几个部分组成:本体1、履带摆臂驱动轮驱动电机2、履带摆臂旋转驱动电机3、履带摆臂4、平衡肘5、轮胎6、平衡肘驱动电机7、履带摆臂驱动轮8、摆臂小轮9。图1a为动力底盘基本结构尺寸,其中L为前后履带摆臂驱动轮中心距,Lw为前后平衡肘中心距,R为轮胎半径,L1为履带摆臂驱动轮到摆臂小轮中心距,Lr为平衡肘长度,lo为履带摆臂旋转轴到平衡肘旋转中心的距离,r1为履带摆臂小轮半径,R1为履带摆臂驱动轮半径。2坡面分力对行驶装置法向力的影响为充分发挥轮式转向导向性好和履带式转向地面附着力大、驱动力大的优势,本新型动力底盘坡道转向时,底盘行走装置前方选用轮胎机构,后方采用履带摆臂机构。图2为底盘在斜坡转向过程中的受力分析图。用Fi、Fj表示行走机构内外侧车轮上的牵引力;用FS2、FS1表示内外侧轮胎转向过程中需要克服的横向摩擦力;用Ff2、Ff1表示内外侧车轮转向过程中需要克服的纵向摩擦力;Gsinβ为行走机构重力沿坡面的分力,其中β为坡度角;α为车体纵向轴线与坡面水平轴线x之间的夹角。上坡转向过程中,车体方位角α由180°变为0°。假设行走装置等速转向,随着α角的变化,车体转向过程中所受到的纵向分力对坡道转向有影响。底盘转向过程中受到的纵向分力为重力沿底盘前进方向的分力,即:FV=Gsinβcosα。受纵向分力的影响,地面法向反力FN的压力中心向车体后方移动。设其与车体质心C的偏距为Δ,车体质心高度为h。地面法向反力和纵向分力对车体重心C取矩,有即有压力中心的偏移会影响行走装置接地段法向载荷的分布。在爬坡过程中FV指向行走装置后方,使得接地段前部载荷减小,后部载荷增加。由于本行走装置,可升降轮胎机构在前部,接地段较短,其载荷分布以矩形表示,接地长度为b,单位法向载荷为q1。履带摆臂在后部,接地段较长,其载荷分布用梯形表示,接地长度为l,设前部单位法向载荷为q2,后部单位法向载荷为q3,具体分布如图3所示。可列出力矩平衡方程,即将式(4)变换为即得到行走装置前后轮之间法向力的差值。由于作用于前后轮上的侧滑力正比于法向力,因此,前后轮之间的法向力差将导致底盘上坡转向过程中后轮侧滑力大于前轮的侧滑力。前后轮之间的侧滑力差值,将会影响底盘的平衡性,使得实际转向半径大于理论值,斜坡转向性能将受到影响。3结构动力特性1)针对丘陵山地特殊地理情况,设计了一种新型复合式动力底盘。通过对其结构的分析介绍,说明该装置在结构上能够满足丘陵山区作业要求。2)针对该动力底盘实际运