履带底盘式青贮收获机行驶性能的研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .研究与设计履带底盘式青贮收获机行驶性能的研究潘伟阳 李晓康 孙 伟 侯晶涛 梁宇凯 李向阳(.甘肃农业大学机电工程学院甘肃 兰州.甘肃省机械科学研究院有限责任公司甘肃 兰州.甘肃省草地农业机械重点实验室甘肃 兰州)摘 要:针对丘陵山地青贮收获机可用机型少、行驶性能差等问题提出了一种履带底盘式青贮玉米收获机 通过建立力学模型对其通过性和稳定性进行理论分析并通过数值分析研究影响因素 结合收获机经常工作的路面利用 对收获机在平地直线行驶、横坡行驶、纵坡行驶、越障及越沟行驶过程进行仿真分析 通过对比仿真数据验证了前述力学模型的准确性得出了不同
2、因素对其行驶性能的影响规律关键词:青贮机行驶性能多体动力学仿真中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().:收稿日期:基金项目:甘肃省科技重大专项()第一作者简介:潘伟阳硕士研究生主要从事农业机械化工程研究:.通讯作者:李晓康正高级工程师硕士主要从事草牧业机械研发、试验推广:.青贮饲料因其本身含有丰富的蛋白质和脂肪深受养殖户的喜爱 随着畜牧业的快速发展对饲料的需求量也在持续地升高因此对青贮收获机械的需求量也愈来愈大 与传统的收获技术相比全株机械化收获工作效率可提高十几倍甚至几十倍以上可以有效地节省劳动成本我国丘陵山地可耕作地块为坡度不相等、形状不规则的中小型地块加上基础设施薄弱、机
3、耕道路第 期潘伟阳等:履带底盘式青贮收获机行驶性能的研究少而狭窄等作业时还面临着打滑、沉陷、田埂和沟壕阻挡等问题使丘陵山区青贮收获机市场出现“无机可用”的现象特别像云、贵、川等丘陵山地地区对青贮作物的收获还是以传统的人工收获为主 近年来虽然各大企业开始涉足青贮行业但是由于起步较晚缺乏先进的技术和理论基础对适用于复杂地形收获机械的研究与日本、韩国相比还是有一定的差距 因此为了进一步提高青贮收获机的环境针对性与地形适应性开展相应工况的坡地行走机理研究并探讨关键参数对行驶性能的影响规律十分必要以自主研发的青贮收获机为研究对象建立爬坡、越沟、越障等典型工况力学模型研究该机的行驶性能及影响因素建立收获机
4、多体动力学模型分别在混凝土路面和粘土路面对模型的行驶性能进行仿真分析仿真数据验证理论模型的准确性 履带底盘式青贮收获机设计.设计指标结合山地地区作业环境确定该机主要技术指标为:()整机空载质量 满载质量 ()在松软路面上有较好稳定性和通过性接地比压 随着坡度不断变大当机体发生倾翻时此时的坡度就是极限坡度即 可得:()即纵向上坡时极限倾翻角为:()同理可得纵向下坡时极限倾翻角为:()极限下滑角是收获机在坡道上驻车不产生滑动的最大坡度角极限下滑角计算公式为:()式中:为路面附着系数经过简单计算收获机在各种路面上的极限下滑角度如表 所示在保证安全的情况下收获机纵坡行驶极限角度为:纵 ()()表 不同
5、路面上的极限下滑角路面类型极限下滑角/泥泞路面.细沙土路面.干土路面.砾石路面.铺装路面.粘土.横坡行驶稳定性分析收获机横坡行驶稳定性评价指标主要有横坡行驶极限坡度角和横向侧滑角等方面 收获机在横坡行驶稳定性同样也与自身重力、履带和地面之间的摩擦力以及坡地支撑力的大小有关受力分析如图 所示当机体在坡地上发生侧翻此时坡角为横坡行驶极限坡度由于受力平衡根据平衡方程可得:.()()式中:为左侧履带地面支撑力 为重心到收获机横向中心的横向距离此时可得左侧地面支撑力为:.()()图 横坡行驶收获机受力示意图收获机发生侧翻临界条件是 并假设 可得极限坡度为:.()收获机在横坡驻车时不发生滑移的坡角为横向极
6、限滑移角 由力平衡方程式可得:()()()式中:为坡地上的横向附着系数 为左侧履带与地面之间横向附着力 为右侧履带与地面之间横向附着力横坡驻车不产生滑移现象条件为:()()可见横向极限滑移角与坡地上的横向附着系数 有关随着横向坡度的增加到达一定角度后收获机会出现滑移现象影响正常行驶 经过简单计算收获机在各种路面上的横向极限滑移角如表 所示 所以在保证行驶安全情况下收获机横坡行驶极限角为:横 ()()表 不同路面上的横向滑移角路面类型横向极限滑移角/泥泞路面.细沙土路面.干土路面.砾石路面铺装路面.粘土路面.越障通过性分析.翻越垂直壁性能分析由于丘陵山地地形复杂收获机经常会在坡地第 期潘伟阳等:
7、履带底盘式青贮收获机行驶性能的研究上工作本节将研究坡度、极限仰角和越障高度之间的关系 收获机在翻越垂直壁时其翻越过程包括三个阶段:()第一阶段指前轮与垂直壁边缘产生接触时履带在驱动轮作用下转动直至履带接地段与垂直壁接触()第二阶段指随着收获机不断前进履带支持段不断与垂直壁接触底盘与地面夹角逐渐增大收获机质心呈现缓慢向前且上升运动趋势直至重心与垂直壁的垂直面重合此时也称为临界状态如图 所示()第三阶段指从底盘落到垂直壁上表面到越障完成图 坡地越障示意图通过几何关系分析可得垂直壁高度 与收获机结构参数之间的表达式为 ()()()()()式中:为底盘仰角 为后支重轮半径当履带底盘处于临界平衡状态时:
8、()()()式中:为支撑力此时收获机可翻越的障碍物高度达到临界值临界条件为 代入上式得:()()由此可得底盘极限仰角为:()通过上式计算得到底盘最大仰角为 为了更加直观地展现俯仰角和坡度角变化对爬坡性能的影响取仰角范围为斜坡角度为通过 数值分析得到俯仰角、坡度和越障高度关系曲线如图 所示 通过上述分析可以得到的结论是:当收获机参数确定后翻越垂直壁极限高度只与坡地角度和底盘极限仰角有关当坡度一定时翻越垂直壁极限高度随机体的仰角增大而增大到达极限仰角后随仰角增大而减小当仰角一定时极限越障高度随着坡度增大而减小相同越障高度下随着坡度增大极限仰角随之增大但不同坡度对应的极限高度几乎一致图 俯仰角、坡度
9、与越障高度关系示意图.跨越沟壕性能分析丘陵山地履带底盘跨越沟壕的能力主要指标为通过沟壕的最大宽度其关键的边界线为沟壕两侧的边界线 要求收获机底盘在跨越沟壕时其重心越过沟壕近侧边缘线时底盘前端要接触在远侧边缘线上当底盘重心跨过远侧边缘线时其后端不能与近侧边缘线脱离接触这说明底盘重心位置决定了林业机械与木工设备第 卷能通过沟壕的最大宽度 本节将研究该收获机在坡地上的最大跨沟宽度以及分析不同坡度对跨沟性能的影响收获机跨越沟壕过程大体可分为三个阶段:()第一阶段收获机在坡道上缓慢行驶底盘前端逐渐进入沟壕随着底盘重心逐渐越过近侧边缘线底盘前端向沟内倾斜如果沟壕太宽机体前端将会下沉()第二阶段收获机继续缓
10、慢前进当前端与远侧边缘线接触底盘前端逐渐抬起车体姿态由前倾过渡到后仰()第三阶段机体后端完全驶离近侧边缘线继续前进至机体完全越过沟壕 在此过程中极限位置在重心与近侧边缘线和远侧边缘线的重合位置上在此针对上、下坡分别讨论 图 给出了上、下坡机体能够跨越沟壕最大宽度的示意图图 收获机上、下坡越沟示意图 由图 和图 可见上坡时能够跨越沟壕最大宽度为:()()()()()()由图 和图 可见下坡时能够跨越沟壕最大深度为:()()()()()()则该底盘在坡地上能够跨越沟壕的最大宽度为:()()由此可见坡度的大小很大程度上决定了最大沟壕跨度 经数值分析得到不同坡度上极限越沟宽度变化曲线如图 所示可知:随
11、着坡度增大收获机所能跨越的沟壕极限宽度越小越沟能力随之减弱图 坡度与极限越沟宽度关系曲线 仿真分析结合实际情况利用 多体动力学仿真软件分别对包括收获机直线行驶、横坡行驶、纵坡行驶、越障行驶及越沟行驶在内的五种不同工况下进行仿真分析验证理论分析结果第 期潘伟阳等:履带底盘式青贮收获机行驶性能的研究.稳定性仿真.平地直线行驶偏移量对该履带底盘式收获机分别在硬质(混凝土)路面和软质(粘土)路面上的直线行驶偏移量进行仿真分析 仿真环境设置如下:将道路长度设置为 以./的速度匀速向前行驶偏移量曲线如图所示图 直线行驶偏移量曲线 可见在硬质和软质路面上收获机的最大侧向偏移量分别为.和.偏移率分别为.和.根
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