1、農業機械學報圓形和平移式噴灌機塔架車的縱向穩定性嚴海軍金宏智李軍葉何建強為衡量塔架車爬坡能力和抗翻傾能力的指標，推導出縱向坡度角與驅動力、塔架車結構尺寸、地面狀況等因素之間的關系式及塔架車質心高度的計算公式，通過試驗測得塔架車的縱向穩定性特性曲線。結果表明，適當增大塔架車的輪距、降低質心高度、減小驅動輪動力半徑，合理匹配驅動功率，提高減速器傳動效率、增大傳動比，均可提高塔架車的爬坡能力和縱向穩定性。國家863高技術研究發展計劃資助項目（項目編號： 2002AA2Z1）嚴海軍中國農業大學水利與土木工程學院講師博士， 100083北京市金宏智中國農業機械化科學研究院研究員博士生導師， 100083

2、北京市李軍葉中國農業機械化科學研究院工程師何建強美國佛羅里達州大學博士生， 32611Gainesville， Florida引言由于圓形和平移式噴灌機經常在泥濘的農田里或起伏不平的坡地上運行，惡劣的作業環境使噴灌機塔架車的通過性能變差，甚至發生塔架車沿坡地下滑或翻傾現象，破壞灌溉系統的同步性，嚴重時造成桁架坍塌，耽誤農時，因此塔架車的縱向穩定性極其重要 1， 2.由于塔架車的特殊結構、驅動形式和工作環境，其受力狀況與分析不同于常見四輪或多輪驅動的地面車輛，迄今為止，尚未見到國內外對此的研究報道。本文利用地面車輛動力學理論對塔架車的縱向穩定性進行研究1塔架車的動力學雙輪驅動的圓形和平移式噴灌機

3、塔架車噴灑作業時在平地和坡地上等速運行，本文重點討論塔架車在坡地上作業時的縱向穩定性。1. 1坡地上作業時作用在塔架車上的外力塔架車前后驅動輪的動力半徑相同，在坡地上等速噴灑作業時，其縱向平面內的受力情況如圖1所示。圖中G塔架車作用的重力前、后驅動輪驅動力前、后驅動輪滾動阻力前、后驅動輪滾動阻力矩驅動輪動力半徑前、后驅動輪上的土壤垂直反作用力塔架車質心高度塔架車輪距v塔架車行走速度A坡度角1. 2坡地上作業時塔架車的牽引平衡方程式塔架車行走速度圍內，忽略空氣阻力，則牽引平衡方程式為其中式中f塔架車的滾動阻力系數2塔架車縱向穩定性分析當塔架車停放或運行在縱向坡地上時，抵抗沿縱向前后翻傾或滑移的能

4、力，通常用坡度角來評價。2. 1塔架車抗縱向翻傾極限坡度角A塔架車的結構特點是沿中心線前后對稱，蝸輪蝸桿式車輪減速器具有自鎖性能。當塔架車被制動停在縱向坡地上， Z=0，而且G通過驅動輪與地面切線上點時，前后不發生翻傾的最大坡度角A稱為塔架車抗縱向翻傾極限坡度角，如圖2所示。圖中F地面制動力對則從式（ 2）看出塔架車抗翻傾縱向極限坡度角A只與塔架車的質心高度h和輪距L有關。在相同工況下，輪距長、質心低的塔架車縱向穩定性好。2. 2塔架車抗縱向滑移極限坡度角A當塔架車的制動力F與塔架車重力的水平分力相平衡而不發生滑移的最大坡度角稱為抗縱向滑移極限坡度角A U.當塔架車被制動停在剛結束灌溉的坡地上

5、時，不發生滑移的條件是式中U坡地最大附著系數則從式（ 4）看出，塔架車抗縱向滑移極限坡度角只與地面附著系數有關，所以塔架車應停放在附著系數較大的坡地上。塔架車坡地作業的最大附著系數可取U=0. 50.7，其抗縱向滑移極限坡度角在2. 3塔架車抗縱向翻傾臨界坡度角A如圖1所示，塔架車在坡地上運行中，不發生后翻傾的條件是前驅動輪的土壤反作用力嚴海軍等：圓形和平移式噴灌機塔架車的縱向穩定性過對O點取矩，得到式（ 5）中滾動阻力矩M可表示成q，并將式（ 1）得到的F經整理得由式（ 6）可看出，當A值增大到A值時，因以A為橫坐標畫出的f（ A）曲線稱為塔架車縱向穩定性特性曲線。塔架車抗縱向翻傾臨界坡度角

6、可用圖解法求出，即驅動力F與f（ A）曲線交點的橫坐標值，當塔架車實際爬坡坡度角滿足AA時，就不會發生向后翻傾。2. 4塔架車爬坡能力臨界坡度角A塔架車最大驅動力不但受土壤附著條件限制，而且也受到滾動阻力和塔架車重力的水平分力的制約，因此滿足塔架車行走的充分必要條件是式中F最大附著力在滿足坡地最大附著系數條件下，驅動力必須滿足條件由式（ 8）可看出，當A值增大到A值時，因滾動阻力系數為零，則式（ 8）變成塔架車爬坡能力坡度角受驅動力的限制，爬坡能力臨界坡度角A也可用圖解法求出，即最大驅動力F與f（ A）曲線交點的橫坐標值。2. 5塔架車質心高度的測定從式（ 6）看出，塔架車的質心高度對抗縱向翻

7、傾的穩定性影響很大。根據車輛質心位置的測試方法，推導出塔架車質心高度計算公式，如圖3所示。對O點取矩，得式中后輪的載荷墊塊高度輪距在水平地面上的投影長度2. 6最大驅動力F當塔架車在F滿足f時，其縱向穩定性就有保障， F表達式為式中電動機功率電動機轉速K電動機最大轉矩過載倍數i塔架車驅動裝置的總傳動比塔架車驅動裝置的總傳動效率3試驗研究3. 1試驗方案根據試驗標準里對圓形噴灌機40 m跨、50 m跨和平移式噴灌機4050 m跨的塔架車進行了質心高度測定，測試現場為干茬麥地，滾動阻力系數取0.075.同時對DJ W型和DJ C型電動機減速器進行了效率測定測定原理圖見圖4.效率的測定簡圖1.數據采

8、集儀2.霍爾光電儀3. AKC 2005B 300型動態扭矩儀4.粘貼應變片儀5.車輪減速器6.短軸7.聯軸套8.聯軸套9.短軸10.電動機減速器3. 2試驗結果與分析圓形和平移式噴灌機的主要結構尺寸、質心高度和兩級減速器的性能測定結果如表1和表2所示。根據表1、表2、式（ 6）、式（ 8）及公式f分別繪制出40 m、4050 m、50 m跨長塔架農業機械學報車的縱向穩定性特性曲線，如圖5所示。和是1. 1 kW電動機分別配備DJ W和DJC電動機減速器時產生的最大跨長/m輪距輸水管規格驅動輪動力半徑使用質量質心高度驅動力。由圖5的縱向穩定性特性曲線用圖解法可求出不同驅動功率、電動機減速器和跨

9、長的塔架車的A和A參數電動機減速器傳動效率G傳動比i電動機功率N / kW電動機轉速n/ r？min和A值電動機功率電動機減速器型號塔架車最大驅動力由表3可看出，在電動機功率一定條件下，塔架車配備的電動機減速器傳動效率越高，則塔架車最大驅動力越大質量小的短跨塔架車的抗縱向翻傾極限坡度角A大于質量大的長跨塔架車當塔架車最大驅動力一定，質量小的短跨塔架車的爬坡能力臨界坡度角A大于質量大的長跨塔架車滾動阻力系數低的塔架車的爬坡能力臨界坡度角A大于滾動阻力系數高的塔架車。4結論（ 1）利用地面車輛力學理論，對坡地上的圓形和平移式噴灌機塔架車進行受力分析，推導出塔架車抗縱向翻傾極限坡度角A和臨界坡度角A

10、、抗縱向滑移極限坡度角A、爬坡能力臨界坡度角A及塔架車質心高度h的理論計算公式。（2）通過理論計算和試驗結果分析表明，增大塔架車的輪距、降低質心高度、減小驅動輪動力半徑q，可以提高塔架車縱向穩定性。（ 3）通過試驗表明，塔架車在驅動功率一定的條件下，質量小的短跨塔架車比質量大的長跨塔架車爬坡能力強塔架車配備傳動效率高的電動機減速器比配備傳動效率低的爬坡能力強滾動阻力系數低的塔架車比滾動阻力系數高的爬坡能力強。（ 4）當塔架車在F滿足條件時，塔架車的縱向穩定性即得到保障。嚴海軍等：圓形和平移式噴灌機塔架車的縱向穩定性始點，并將車身參考減速度調整為式中v車身參考減速度點對應的車輪速度和時刻A點對應

11、的車輪速度和時刻同理，從C點到D點過程中按斜率法估計車輛參考車速，從D點到E點過程中將車輪速度作為參考車速估計值，將E點調整為斜率法計算參考車速的初始點，并對車身參考減速度進行調整，依次類推。自適應參考斜率法解決了斜率法初始點選擇困難和車身參考減速度適應性差的問題，除少數點外，在常遇路面、對開路面和對接路面上都可以得到較為準確的參考車速估計，具有較強的自適應性，圖8為在平直對接路面上確定參考車速的示例。而且，自適應斜率法適用于單、兩、三和四通道ABS系統。在實際應用過程中，可以通過在自適應斜率法的基礎上進行補償來進一步提高參考車速估計的精度，補償方法與斜率法相同。4結束語自適應斜率法避開了傳統

12、斜率法初始點的選擇，實時調整車身參考減速度，在常遇路面、對開路面和對接路面上都可以得到較為準確的參考車速，且不受駕駛員操作行為的影響，具有較強的自適應性。在實際應用中各車輪利用自身的輪速信息確定與之對應的參考車速，因此無論在直道還是在彎道制動工況下，均可以取得較好的效果，該方法具有較大的實際應用價值。車身參考速度的準確計算大大提高了車輪滑移率的計算精度，為進一步提高汽車制動防抱系統的控制效果提供了基礎。1日ABS株式會社。汽車制動防抱裝置（ ABS ）構造與原理。劉榮華譯。北京：機械工業出版社， 1995.2余志生。汽車理論。北京：機械工業出版社， 1989.3項承寨，夏群生，何樂。 ABS控制量的計算研究。汽車技術， 2001（ 1） ： 1013 4余卓平。 ABS中參考車速計算方法的研究。中國汽車工程學會第11屆年會S