高地隙喷雾机药箱液体晃动的等效力学模型研究_王伟军.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月石河子大学学报(自然科学版)()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:王伟军(),男,硕士研究生,专业研究方向为车辆稳定性,:。通信作者:冯静安(),男,副教授,主要研究方向为车辆智能控制、机器人技术,:。:.文章编号:()高地隙喷雾机药箱液体晃动的等效力学模型研究王伟军,冯静安,张鹏,宋宝(石河子大学机械电气工程学院,新疆 石河子;华中科技大学机械科学与工程学院,湖北 武汉)摘要:药液晃动是导致高地隙喷雾机侧倾失稳的重要因素。为准确预测药箱内液体晃动行为,本文提出一种单摆质量阻尼等效力学模型来模拟药箱内液体晃动行为。首先基于 虚拟样机仿真模型输出药箱所受随机
2、加速度激励,并以此激励在 中建立药箱液体受迫晃动模型,进行数值模拟液体晃动,获得了冲击力和冲击力矩与随机加速度的关系;然后对矩形截面药箱液体晃动进行动力学和流体力学分析,获得等效力学模型的相关参数,建立了 系统仿真模型;最后通过 验证了系统模型在充液比.时的可靠性。结果表明本文所建立的等效力学模型能够较准确地模拟液体晃动行为。关键词:高地隙喷雾机;数值模拟;等效力学模型;液体晃动中图分类号:.文献标志码:,(,;,):,;,;,.:;高地隙喷雾机在田间施药过程中,其侧倾稳定性受多方面因素影响。高地隙喷雾机在施药过程中发生失稳,易引起喷雾机侧翻,导致人员伤亡和经济损失,因此,研究分析高地隙喷雾机
3、在工作中的稳定性至关重要。高地隙喷雾机载液量大,行驶中药液的大幅晃动将改变高地隙喷雾机车轴上的载荷分布,产生附加力和力矩,从而降低其稳定性。药液晃动是引起高地隙喷雾机失稳的重要因素,建立高地隙喷雾机药液晃动等效力学模型,研究药液晃动行为,对于分析和解决高地隙喷雾机的工作稳定性问题具有重要意义。自 世纪 年代以来,关于移动容器的液体晃动得到越来越多的关注。液体晃动问题是工程常见的问题,在液罐车运输以及在工程中应用这类对称结构问题上有广泛的研究。而油罐车罐体内的液体晃动不属于对称问题,且液体晃 石河子大学学报(自然科学版)第 卷动和油罐车车体的耦合,使这类问题变得更加复杂。近年来,国内外学者对液罐
4、车罐内液体晃动问题进行了大量的研究。封冉建立了罐车罐体内液体晃动等效模型,利用 系统识别的方法求解等效模型的相关参数;刘春媛等以矩形全开口月池为例,建立了液体晃动等效单摆模型,利用拉格朗日方程建立单摆运动学方程和动力学方程,再利用 基于线性势流理论求解出月池运动学、动力学和相关力学方程,通过对比得出等效模型的相关参数值;胡晓明等以半挂液罐车为例,建立了液体受迫晃动等效力学模型并求解相关参数,后建立半挂车动力学模型,将等效模型求出的力和力矩添加到半挂车动力学模型上,分析液体晃动对半挂车稳定性的影响。根据已有文献,国内外学者对液体晃动特性问题的研究已较深入,但液体横向晃动对液罐车行驶稳定性方面的研
5、究较少,而且为了方便研究而简化模型,只考虑液体质心横向移动对罐体产生的力,但在实际交通运输中,液体横向晃动产生的动压力不可忽视。因此,本文对高地隙喷雾机药液横向晃动行为进行研究,主要研究极限负载状态下的药液晃动对稳定性的影响,满载对药箱产生的力的作用是液体涌动产生的,这种状态下理论上产生的激励力最大,如果在满载状态下涌动激励力得到有效优化,就有理由认为更少药量产生的力的作用可以得到有效优化。另外,当药量持续减少时,液体在晃动中“浪”的作用和涌动对药箱的激励作用达到最大,所以选择在半载条件下对其力的作用进行优化,当药量更少时液体本身质量变小,产生的涌与“浪”的作用更小,因此,研究半载和满载条件下
6、的激励作用对稳定性的影响可以对撒药全周期的激励作用得到优化,建立一种单摆质量阻尼等效力学模型,本文等效力学模型的研究可为高地隙喷雾机底盘系统动力学模型的建模及其稳定性控制策略提供参考。仿真模型的建立.高地隙喷雾机三维模型建立 利用 建立整机三维模型,主要研究的是背负式喷雾机,如图 所示,该机主要由高地隙底盘、转向机构、驾驶室、药箱、喷杆等组成,其主要参数见表。图 整机三维模型表 整机仿真主要参数参数数值参数数值轴距.簧载质心与侧倾中心距离.轮距.簧载质量绕侧倾中心的转动惯量.离地间隙 悬架等效侧倾刚度.整车质量 悬架等效侧倾阻尼系数.簧载质量.动力学建模 为了获取药箱所受随机加速度激励,并实时
7、的动态加载 环境中,本研究建立高地隙喷雾机多体动力学仿真模型,将 软件中装配好的高地隙喷雾机三维模型转化为 格式,并导入 软件中,将高地隙喷雾机 个轮胎分别添加旋转副,在后轮胎旋转副上添加旋转驱动,使高地隙喷雾机向前运动,并设置各个零件的材料属性等参数,其中作业速度 ,输出药箱所受 个方向的随机加速度动态加载到 药箱液体受迫晃动模型中,数值模拟药箱内药液的晃动。仿真流程如图 所示。图 仿真流程第 期王伟军,等:高地隙喷雾机药箱液体晃动的等效力学模型研究 .轮胎模型轮胎是高地隙喷雾机的主要部件,是高地隙喷雾机与路面重要接触部分,它承载着喷雾机重量以及路面给喷雾机的外部作用力,起到喷雾机与地面力传
8、导的作用。软件中有多种轮胎模型,不同的轮胎模型适用于不同的工作环境,基于高地隙喷雾机在田间作业时的特点和要求,本文选择轮胎模型,轮胎模型在稳态侧偏、移线、原地转向三个方面都是可用的,同时,也可用于二维和三维路面,适合用于本文建立的三维路面模型的研究。本文轮胎模型参数见表。表 轮胎模型参数参数数值参数数值轮胎质量 轮毂宽度.轮胎自由半径.轮胎垂向刚度 轮胎宽度.轮胎垂向阻尼系数 轮胎扁平比.轮胎静摩擦力系数.轮毂半径.轮胎动摩擦力系数.路面模型本文主要研究的是田间路面不平引起的药液晃动,并未考虑路面坡度对液体晃动的影响;通过 软件编写喷雾机作业工况要求的 等级的随机路面模型(图),然后生成适合
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