自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)虛擬設(shè)計(jì)及仿真分析

簡鴻亮，張 靜，劉 昱，鄭德聰，李志偉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷 030801）

丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)水平低，是制約我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化整體技術(shù)發(fā)展的短板，主要原因是丘陵山地拖拉機(jī)工作性能不能滿足生產(chǎn)要求，表現(xiàn)為側(cè)翻穩(wěn)定性和復(fù)雜地形的適應(yīng)性差。為此，開展了自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)研究，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和仿真，為樣機(jī)試制提供理論支撐[1-2]。

國外開展丘陵山地拖拉機(jī)研究較早，奧地利的Geotrac4ep 系列山地拖拉機(jī)底盤就配備32 個(gè)前進(jìn)和后退檔位，各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪裝有減震裝置[3]。其馬力強(qiáng)勁、體積大，但不適合小地塊作業(yè)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉平義等[4]研發(fā)出一種根據(jù)地形進(jìn)行調(diào)整的動(dòng)態(tài)調(diào)平底盤，具有良好的地面仿形功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的動(dòng)態(tài)調(diào)平，保證整機(jī)車身的穩(wěn)定性[5]。

自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)的機(jī)身采用吊掛式結(jié)構(gòu)，整機(jī)的平衡通過各機(jī)構(gòu)的配合及調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械式傳動(dòng)，穩(wěn)定可靠，旨在解決適應(yīng)性差的技術(shù)難題。通過SolidWorks軟件建立三維實(shí)體模型，利用ADAMS 軟件對(duì)拖拉機(jī)的翻傾穩(wěn)定性、越障能力進(jìn)行模擬仿真分析[6-7]，并利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)機(jī)架及關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析，為樣機(jī)試制提供技術(shù)支撐。

1 總體方案

1.1 自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of adaptive hilly mountain tractor

從圖1 可以看出，自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)主要由動(dòng)力輸出軸1、后驅(qū)動(dòng)輪2、齒輪傳動(dòng)箱3、后輪邊傳動(dòng)箱4、轉(zhuǎn)向分動(dòng)箱5、后驅(qū)動(dòng)橋6、上梁7、連接架8、制動(dòng)裝置9、車架縱梁10、前驅(qū)動(dòng)橋11、前輪邊傳動(dòng)箱12、發(fā)動(dòng)機(jī)13、前驅(qū)動(dòng)輪14、機(jī)架15、無級(jí)變速箱16、齒輪減速控制箱17、減速器18 等組成。其工作原理為發(fā)動(dòng)機(jī)13 輸出的動(dòng)力通過無級(jí)變速箱16進(jìn)行變速，再經(jīng)過齒輪減速控制箱17 及減速器18進(jìn)行減速提升動(dòng)力，增大的動(dòng)力通過齒輪傳動(dòng)箱3、轉(zhuǎn)向分動(dòng)箱5 和制動(dòng)裝置9 至車架縱梁10。整機(jī)的H 型結(jié)構(gòu)和縱梁10 內(nèi)部雙傳動(dòng)軸再把動(dòng)力分布至車身兩側(cè)，然后通過前輪邊傳動(dòng)箱12 和后輪邊傳動(dòng)箱4 把動(dòng)力傳動(dòng)至兩側(cè)車輪，驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)前進(jìn)。制動(dòng)時(shí)通過液壓裝置控制底盤的左右側(cè)輸出動(dòng)力，進(jìn)行剎車制動(dòng)。轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)向分動(dòng)箱5 進(jìn)行調(diào)整方向，利用其內(nèi)部的牙嵌式離合器在不同工況下的連接與分離進(jìn)而控制內(nèi)外雙軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of adaptive hilly mountain tractors

2 底盤建模及越障性能仿真分析

2.1 三維模型的建立

使用SolidWorks 軟件對(duì)丘陵山地拖拉機(jī)底盤進(jìn)行三維模型的建立，建模過程中采用實(shí)際尺寸等比例設(shè)計(jì)拖拉機(jī)底盤的軸距、輪距和質(zhì)心等核心參數(shù)。在整機(jī)模型設(shè)計(jì)時(shí)簡化車架、發(fā)動(dòng)機(jī)、前后驅(qū)動(dòng)橋、輪邊傳動(dòng)箱等零部件模型。同時(shí)，進(jìn)行約束裝配和干涉檢查。建模結(jié)果如圖2 所示。

圖2 自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)底盤三維簡化模型Fig.2 Simplified 3D model of adaptive hilly mountain tractor chassis

2.2 基于ADAMS 的仿真模型建立

將整機(jī)裝配體導(dǎo)入ADAMS 軟件，在ADAMS/View 中對(duì)整機(jī)關(guān)鍵連接部位運(yùn)用布爾運(yùn)算求和，檢查裝配合理性。在ADAMS 軟件中構(gòu)建與實(shí)際路況一致的可傾斜的平臺(tái)進(jìn)行模擬，將整機(jī)裝配體放置平臺(tái)中心，使全部輪胎和平面保持相切狀態(tài)。模擬丘陵山地拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)的2 種狀態(tài)，一是不使用調(diào)平裝置的裝配體模型，二是使用有調(diào)平裝置的裝配體模型。如圖3 和表2 所示，根據(jù)整機(jī)在工作時(shí)的狀態(tài)，對(duì)各個(gè)核心部件進(jìn)行受力約束，進(jìn)一步測驗(yàn)穩(wěn)定性，伴隨平臺(tái)傾斜角度的增加，與平面相切的輪胎脫離平面，即整機(jī)側(cè)翻，測得丘陵山地拖拉機(jī)的最大側(cè)傾穩(wěn)定角[8]。

表2 底盤模型約束和驅(qū)動(dòng)數(shù)量Tab.2 Chassis model constraints and drive quantity

2.3 越障仿真與性能分析

拖拉機(jī)在山地崎嶇不平的路面上行駛中，面對(duì)各種各樣的地形條件，比如田埂、土坡、凹坑等一系列路面變化，這對(duì)丘陵山地拖拉機(jī)的穩(wěn)定性、越障性、安全性是一個(gè)考驗(yàn)[9]。根據(jù)朱閱等[10]研發(fā)的六輪多自由度底盤的越障性仿真研究情況，結(jié)合丘陵山地拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)遇到的典型路況工況，建立單輪越障與雙輪越障的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。使用ADAMS 軟件建立單側(cè)和雙側(cè)對(duì)稱障礙模型，設(shè)定高度100 mm,對(duì)拖拉機(jī)裝配模型進(jìn)行配合約束，給驅(qū)動(dòng)輪添加驅(qū)動(dòng)力，模擬真實(shí)路況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。再利用ADAMS 軟件分析拖拉機(jī)車輪質(zhì)心位移在調(diào)平和非調(diào)平狀況下隨時(shí)間的變化情況。

圖4 為模擬拖拉機(jī)行進(jìn)中遇到單側(cè)障礙的簡化模型，當(dāng)單側(cè)越障時(shí)，拖拉機(jī)在平行四桿調(diào)平機(jī)構(gòu)的作用下，整體車身保持水平和四輪同時(shí)著地的狀態(tài)。圖5 為模擬拖拉機(jī)行進(jìn)時(shí)雙輪遇到障礙的簡化模型，當(dāng)雙輪越障時(shí)，左右兩邊車輪同時(shí)同步平穩(wěn)越障。

圖4 單側(cè)車輪越障仿真模型Fig.4 Unilateral wheel obstacle crossing simulation model

圖5 雙輪越障仿真模型Fig.5 Two-wheel obstacle crossing simulation model

如圖6、7 所示，丘陵山地拖拉機(jī)在調(diào)平的情況下進(jìn)行單側(cè)越障，底盤車輪質(zhì)心與實(shí)際狀況基本一致。未進(jìn)行調(diào)平狀態(tài)下的質(zhì)心沒有發(fā)生明顯變化，原因是在模擬仿真過程中未越障的一側(cè)車輪發(fā)生傾斜，導(dǎo)致拖拉機(jī)易發(fā)生側(cè)翻。在調(diào)平狀態(tài)單輪越障中，時(shí)間在2 s 附近時(shí)，拖拉機(jī)開始越障，前右輪質(zhì)心升高到425 mm 附近，6.5 s 附近完成越障，前右輪質(zhì)心回到最初狀態(tài)。當(dāng)時(shí)間在9 s 附近時(shí)，后右輪開始越障，質(zhì)心升高，14 s 附近完成越障。質(zhì)心回到初始位置，整車底盤質(zhì)心趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 調(diào)平和非調(diào)平狀態(tài)拖拉機(jī)底盤單輪越障重心對(duì)比Fig.6 Comparison of the center of gravity of the single-wheel obstacle crossing chassis in the states of levelling and unlevelling

圖7 調(diào)平狀態(tài)單輪越障各車輪質(zhì)心隨時(shí)間變化Fig.7 Change of the mass center of each wheel with time in one-wheeled obstacle crossing in the levelling state

如圖8 所示，在雙輪仿真越障中，2 s 附近時(shí)，兩前輪同步越障，車輪質(zhì)心升高，9 s 附近兩后輪開始越障，質(zhì)心升高，14 s 附近整車完成越障作業(yè)。對(duì)比普通拖拉機(jī)的性能，丘陵山地拖拉機(jī)底盤對(duì)地面的仿形效果更好，在調(diào)平過程中，四輪始終貼合地面，增加了穩(wěn)定性、安全性、可靠性[11]。

圖8 調(diào)平狀態(tài)雙輪越障各車輪質(zhì)心隨時(shí)間變化Fig.8 Changes of the mass center of each wheel with time in two-wheeled obstacle crossing in the levelling state

3 關(guān)鍵零部件的有限元分析

3.1 車架縱梁有限元分析

3.1.1 車架縱梁有限元模型 車架縱梁承載拖拉機(jī)各個(gè)零部件的靜載荷和在作業(yè)時(shí)的動(dòng)載荷，設(shè)計(jì)時(shí)要保證足夠的強(qiáng)度和剛度，保證整機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。拖拉機(jī)車架類型多種多樣，主要有中梁式、邊梁式、全梁架式、半梁架式、無梁架等[12]。根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求和進(jìn)一步考慮各種車架樣式的優(yōu)缺點(diǎn)，丘陵山地拖拉機(jī)底盤選用中梁式型車架。相對(duì)于其他車架，占用空間小，抗扭轉(zhuǎn)剛度較好，而且有較大的前輪轉(zhuǎn)向角，特別是在機(jī)體結(jié)構(gòu)上便于拖拉機(jī)調(diào)平機(jī)構(gòu)位置的放置和獨(dú)立懸架的安裝，提高了拖拉機(jī)的越野性能，在布局結(jié)構(gòu)上給驅(qū)動(dòng)輪充足的活動(dòng)范圍。進(jìn)一步利用ANSYS Workbench 分析軟件對(duì)車架縱梁、輪邊傳動(dòng)箱等關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度和剛度是否滿足實(shí)際工況的使用要求，再進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。配置上發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、減速器，使拖拉機(jī)的重心低，在崎嶇不平的地塊作業(yè)時(shí)，不易發(fā)生側(cè)翻，整機(jī)穩(wěn)定性增加。由于傳動(dòng)軸在車梁內(nèi)運(yùn)動(dòng)，避免了灰塵的進(jìn)入。前后驅(qū)動(dòng)橋和縱梁采用鉸接方式，更加靈活適應(yīng)路面的變化，增加對(duì)路面的仿形能力。車架的縱梁為管形，外徑140 mm，內(nèi)徑130 mm。圖9-A 為車架縱梁二維模型示意。采用SolidWorks建立車架縱梁三維模型[13-14]，如圖9-B 所示。

圖9 車架縱梁示意Fig.9 Schematic diagram of frame rail

3.1.2 材料設(shè)置和網(wǎng)格劃分 將車架縱梁的三維模型另存為Parasolid（*.x_t）格式導(dǎo)入ANSYS Work?bench軟件對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定邊界條件，分析車架縱梁變形情況和最大應(yīng)力值，對(duì)底盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等做出驗(yàn)證分析。其次對(duì)車架縱梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，驗(yàn)證車架縱梁的剛度和強(qiáng)度的合理性。丘陵山地拖拉機(jī)底盤材料采用Q235普通碳素鋼，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.33，抗拉強(qiáng)度極限為235 MPa，材料密度為7 850 kg/m3。

對(duì)拖拉機(jī)底盤車架縱梁進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，用四面體單元，網(wǎng)格設(shè)置5 mm，車架縱梁被劃分成252 171 個(gè)單元，425 361 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖9-C 所示。

3.1.3 邊界條件處理 表3 為丘陵山地拖拉機(jī)底盤車架縱梁布置各部件的載荷大小。

表3 拖拉機(jī)底盤車架承受載荷情況Tab.3 load conditions of tractor chassis frame

如圖10-A 所示，利用ANSYS Workbench 分析軟件對(duì)車架縱梁整體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析，在車架縱梁上施加均布載荷，簡化邊界條件施加約束，取前后驅(qū)動(dòng)橋和車架縱梁的連接處為約束面[15]，分析拖拉機(jī)底盤車架縱梁在較為復(fù)雜地形所承受的沖擊載荷，為樣機(jī)的加工制造提供理論依據(jù)。對(duì)拖拉機(jī)底盤的車架縱梁進(jìn)行簡化處理，暫不考慮焊接對(duì)機(jī)架材料的影響[16]。

3.1.4 仿真結(jié)果及分析 根據(jù)仿真分析的結(jié)果，確定了丘陵山地拖拉機(jī)底盤車架縱梁各個(gè)部分的載荷分布狀況，為下一步的改進(jìn)提供了依據(jù)，加強(qiáng)對(duì)車架縱梁薄弱區(qū)改進(jìn)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的知識(shí)運(yùn)用，在模擬仿真中進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際工作狀況，設(shè)定參數(shù)，減少在生產(chǎn)檢查過程中和實(shí)際測驗(yàn)時(shí)的不合理問題，進(jìn)一步使整機(jī)往輕量化設(shè)計(jì)[17-19]。

如圖10-B 所示，在車橋和車架縱梁的連接部分的應(yīng)力最大，為3.871 4 MPa，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理分析。如圖10-C 所示，連接處的最大應(yīng)力為4.355 5 MPa，由于該處為邊界約束條件，即該點(diǎn)是應(yīng)力奇異點(diǎn)，不計(jì)其應(yīng)力奇異性，單獨(dú)對(duì)其危險(xiǎn)部分車架縱梁中間部分動(dòng)力傳輸進(jìn)行分析[20-21]。如圖10-D、E 所示，由于車架縱梁中間動(dòng)力傳輸連接處應(yīng)力為3.002 2 MPa，小于該材料的屈服極限235 MPa，滿足作業(yè)的強(qiáng)度要求。此外，中間動(dòng)力連接處形變?yōu)?.289 6×10-3mm，幾乎可以忽略不計(jì)，由此可以得出均符合安全要求，剛度和強(qiáng)度符合要求[22]。

3.2 輪邊傳動(dòng)箱有限元分析

3.2.1 輪邊傳動(dòng)箱有限元模型 輪邊傳動(dòng)箱起著傳遞動(dòng)力給驅(qū)動(dòng)輪和支撐機(jī)架的作用。同時(shí)輪邊傳動(dòng)箱支撐梁、連接架、驅(qū)動(dòng)橋和上梁構(gòu)成平行四桿機(jī)構(gòu)，使整機(jī)在田間坡地作業(yè)時(shí)及時(shí)調(diào)整左右兩側(cè)的高度差，保證4 個(gè)輪子始終都能同時(shí)著地，不易側(cè)翻。圖11-A 為輪邊傳動(dòng)箱三維模型。

圖11 輪邊傳動(dòng)箱示意Fig.11 Schematic diagram of wheel transmission box

3.2.2 材料設(shè)置和網(wǎng)格劃分 選取Q235 普通碳素鋼為輪邊傳動(dòng)箱的材料，選用四面體單元，設(shè)置網(wǎng)格長度為5 mm，其被劃分289 957個(gè)節(jié)點(diǎn)，170 035個(gè)單元，如圖11-B 所示。

3.2.3 邊界條件處理 由圖12-A 可知，將約束添加至輪邊傳動(dòng)箱和驅(qū)動(dòng)橋的連接位置，再添加壓力載荷和車輪驅(qū)動(dòng)力載荷到其連接處，得出壓力載荷為5 000 N，輪邊傳動(dòng)箱所承受的單輪驅(qū)動(dòng)力為2 695 N，簡化傳動(dòng)箱殼體，忽略焊接所造成的影響[23-25]。

圖12 輪邊傳動(dòng)箱應(yīng)力位移分布云圖Fig.12 Distribution nephogram of stress and displacement of wheel transmission box

3.2.4 仿真結(jié)果與分析 由圖12-B、C 可知，在輪邊傳動(dòng)箱與驅(qū)動(dòng)橋鉸接位置應(yīng)力最大為30.229 MPa，小于其材料的屈服極限235 MPa，在輪邊傳動(dòng)箱與驅(qū)動(dòng)橋鉸接位置存在最大變形，其位移量為2.810 4×10-2mm，均符合強(qiáng)度和剛度安全要求[26]。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)自適應(yīng)丘陵山地拖拉機(jī)底盤越障性能、翻傾性能的仿真分析和主要工作部件的有限元模擬，結(jié)果表明，丘陵山地拖拉機(jī)調(diào)平狀態(tài)下最大側(cè)傾角為37.5°。在100 mm 障礙條件下，單側(cè)車輪越障時(shí)，在四桿調(diào)平裝置配合下，一側(cè)抬起，另一側(cè)與水平地面平行接觸，四輪緊貼地面。雙輪越障時(shí)，左右同時(shí)同步越障，仿形效果好，穩(wěn)定性良好。車架縱梁最大變形位于縱梁和動(dòng)力輸入位置，總位移量為1.289 6×10-3mm，最大應(yīng)力發(fā)生在中間動(dòng)力傳輸連接處，為3.002 2 MPa。輪邊傳動(dòng)箱和驅(qū)動(dòng)橋的鉸接處應(yīng)力最大為30.229 0 MPa，最大變形發(fā)生在輪邊傳動(dòng)箱與輪轂連接處，位移量為2.810 4×10-2mm，強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。丘陵山地拖拉機(jī)可滿足實(shí)際工況的穩(wěn)定性及可靠性需求。