HN 4GDL-132型甘蔗收割机输送臂仿真及试验验证

为提高甘蔗收获机工作效率,将切断后的甘蔗段通过输送臂实时输送到田间运输车装斗中,输送臂结构的静力学分析至关重要。为此,针对HN4GDL-132型甘蔗收割机样机,利用ANSYS仿真软件对输送臂进行了结构静力学分析和振动模态分析,得到了输送臂小臂、大臂和连接轴的应力、应变云图。其中,小臂承受负载应力最大值为113.11MPa,最大变形量为4.24mm;大臂承受负载应力最大值为225.86MPa,最大变形量为5.30mm;连接轴承受负载应力最大值为232.38MPa,最大变形量为0.09mm,并分别分析了输送臂前4阶模态下的振动特性。采用应变片试验对静力学仿真结果进行验证,两者数值结果相对误差为20%以内,变化趋势一致。研究结果可为输送臂结构的优化设计提供参考。     

果园仿形喷杆施药装置设计与动力学仿真

针对矮砧密植果园山地梯田台面果树外侧冠层常规喷药药液不易穿透等着药难问题,对仿树形果园施药装置进行参数化设计、动力学建模与仿真,并结合场地样机试验,探究药液喷杆作业的稳定性与可靠性。仿真结果表明:果园仿树形喷杆施药装置依树形结构进行喷杆位置参数实时调整,展开状态与果树冠层包络线吻合;药液喷杆折叠状态时的最大应力为3.324MPa,最大变形为0.038m;展开状态时最大应力为6.994MPa,最大变形为0.118m,结构强度满足工作要求。试验结果表明:升降架与喷杆组液压缸伸出时间分别为36s和32s,在误差允许范围内,整个机构升降展开过程流畅,行驶过程结构稳定性良好,满足设计要求。     

基于双预瞄纯追踪算法的丘陵山区农机差分导航系统研究

针对丘陵山区农业机械因体积小、种类多,难以无人作业改造的问题,搭建基于双预瞄纯追踪算法的丘陵山区农机差分导航系统,完成导航系统结构、路径规划策略和追踪控制器的设计。使用Ntrip DTU和北斗定位板卡完成差分定位。采用平滑转向方式,提出适用于丘陵山区的全局路径规划策略,可有效适配不同转弯半径的农机,减少地头区域。设计双预瞄纯追踪模糊控制器,开展与纯追踪控制器的对比仿真试验,并搭建试验样机完成测试。实际测试结果显示：控制器在追踪直线时,在s=2.9 m处收敛,在之后的直线追踪中平均绝对误差保持在0.01 m;在追踪曲线时,两段弯道最大误差分别为0.08 m和0.75 m,平均绝对误差0.04 m。     

基于自抗扰控制的双重转向运动控制系统设计与试验

为进一步提升农业机器人底盘田间转向效率,设计了一种基于自抗扰控制的农业机器人底盘双重转向运动控制系统。根据苹果种植农艺需求和行驶环境,确定了底盘组成和主要技术参数,开展了硬件系统搭建和部件选型。建立了底盘4自由度动力学模型,明确了衡量转向效率的状态空间方程。提出了一种基于自抗扰控制的双重转向控制策略,建立了Simulink动力学仿真模型,并进行了转向仿真模拟。仿真结果表明,自抗扰双重转向运动控制模型横摆角速度为0.241rad/s,转弯半径为1.96m,扰动恢复时间为1.04s,相较于传统PID双重转向控制模型,该模型横摆角速度更大、转弯半径更小、恢复稳定状态更快。田间试验结果表明,底盘平均横向偏移距离为18.5cm,滑移率为4.84%,大半径转弯测试中双重转向控制底盘的转弯半径平均值相比阿克曼转向控制分别减少0.60、0.57m,平均转向时间减少4.70、3.41s。小半径转弯测试中双重转向控制底盘的转弯半径平均值比阿克曼转向控制分别减少0.52、0.49m,平均转向时间减少10.27、8.22s。     

基于高斯混合模型的履带拖拉机转弯半径控制方法

履带拖拉机采用差速转向，转向可控性差，影响自动导航性能，为提高履带拖拉机自动导航的性能，以液压传动控制行星差速转向履带拖拉机为研究对象，建立履带拖拉机转弯半径数学模型。构建每个控制量下转弯半径均值和方差计算方法，建立基于卡尔曼滤波和局部加权回归的转弯半径均值和方差更新方法。分别针对直线路径跟踪和掉头建立基于高斯混合模型的履带拖拉机转弯半径控制方法。采用纯跟踪算法分别以不同的初始位置偏差进行自动导航仿真试验，得到导航轨迹、位置偏差和角度偏差。以农夫NF-702型履带拖拉机为平台，分别以不同车速进行导航试验，试验结果表明，在初始航向角为0，车速分别为1.0、1.5m/s时，导航平均误差分别为-0.62cm和0.28cm，导航误差绝对值极值分别为10.14cm和8.10cm，导航误差绝对值均值分别为2.34cm和2.57cm，导航均方根误差分别为3.77cm和3.99cm。本文提出的基于高斯混合模型的履带拖拉机转弯半径控制方法可应用到液压传动控制行星差速转向履带拖拉机自动导航领域，满足实际田间作业需求。     

园艺拖拉机前桥倍速机构设计及仿真研究

转弯半径的大小影响四驱园艺拖拉机的转弯性能,是园艺拖拉机的一个重要参数。设计一种新型的拖拉机前桥倍速机构,采用电液结合控制实现拖拉机转向倍速,能够在相同转角下使转弯半径为3 455 mm的园艺拖拉机的转弯半径减小至3 215 mm。根据园艺拖拉机的整体参数,设计倍速齿轮传动比为0.598、确定摩擦片参数大小。进行齿轮模型的建立,使用有限元前处理软件HyperMesh对齿轮进行网格划分,并通过Workbench进行传动齿轮的静力学分析。得出在载荷作用之下齿面接触应力分布情况,最大接触应力为432.71 MPa。采用有限元分析的结果与传统接触应力计算结果以及实际检测相比较,从而验证倍速机构齿轮的安全可靠性。并对倍速前桥进行试验,得出实际最小转弯半径为3 157 mm。该倍速机构结构安全可靠,能够实现减小转弯半径,使园艺拖拉机转向灵活。     

基于多维感知的玉米大田巡检平台设计与试验

为了提高对大田种植玉米生长动态、干旱胁迫和病虫害等方面的智能巡检监测能力，设计了一种基于多维感知的移动巡检平台。首先，对底盘总成的转向系统、驱动系统和控制系统进行设计，并基于Arduino UNO控制器实现了巡检平台的转向及行驶功能。其次，搭建了包括GNSS/INS(Global navigation satellite system/inertial navigation system)组合导航系统、激光雷达(Light detection and ranging, LiDAR)和工业相机的多维感知系统，对感知系统时间同步方案、数据通信结构和信息采集软件进行设计，实现了巡检平台对环境的感知和数据可视化。最后，在玉米大田对巡检平台进行了底盘行驶性能试验和感知系统环境感知试验。试验结果表明：巡检平台左转平均最小转弯半径为2 922 mm,右转平均最小转弯半径为2 736 mm,最大爬坡度大于26.7%,位置PID控制下直线行驶平均速度为0.523 m/s,与期望速度0.5 m/s的误差为4.6%,行驶15 m平均偏移量为0.636 m,平均偏移率为4.24 cm/m,满足田间行驶性能要求...     

基于有限元分析的扭力梁后桥疲劳寿命研究

为研究汽车扭力梁后桥疲劳寿命,以某商用车扭力梁后桥为研究对象,应用Hyper Mesh软件进行扭力梁后桥有限元建模和仿真,对扭力梁后桥进行静强度分析,确定应变片测点。采集汽车扭力梁后桥各种路况下的工作载荷,分别采用n Code软件和随机载荷谱下计算汽车扭力梁后桥疲劳寿命,均与实际试验结果吻合。通过多通道台架试验对其进行验证,结果表明该仿真方法较为准确。对扭力梁后桥的精准建模,进一步提升其疲劳寿命预测准确性,为零部件的设计提供参考,从而提高车辆行驶安全。     

新型甘蔗剥叶机结构分析及实验研究

对研发的新型甘蔗剥叶机机架进行了结构分析和实验验证。按照总体设计建立有限元分析模型进行结构分析,表明新型甘蔗剥叶机机架强度满足设计要求。为了进一步验证分析结果,进行了动态应变应力测试,将测试结果与仿真计算结果进行对比,验证了新型甘蔗剥叶机结构分析的正确性,为该新型甘蔗剥叶机设计的合理性提供了理论支撑。     

基于HyperMesh的某发动机连杆应力及模态研究

针对某发动机连杆部分变形与整体变形的问题,通过UG NX12.0软件对发动机连杆结构建立逆向三维实体模型,基于有限元分析方法,利用HyperMesh软件对发动机连杆结构模型进行有限元仿真研究,以该模型为基础完成了连杆在实际工况下的应力和模态的仿真研究。试验结果表明：将实际载荷施加到连杆,得到实际工况下最大应力,通过LMS信号采集仪得到的测量点处的应变数值为6.1×10^-6,相应的应力为1.28 MPa,仿真得到该部件的测量点应力为1.26 MPa,误差为1.5%,仿真与试验结果基本一致,进一步证明了有限元仿真的可靠性。完成上述工作后,对发动机连杆进行模态仿真,得到连杆自由模态下的固有频率和振型,为发动机连杆进一步优化和应力、模态仿真提供可靠的理论和应用依据。     

前桥摆转式四轮底盘转向系统的转向机理研究

四轮底盘在小地块水田作业时,减少地头空行转弯时间是提高作业时间利用率的重要环节。为实现四轮底盘小半径转弯,以提高水田播插底盘作业率为主要研究目标,对四轮底盘在90°、180°等不同转弯形式下进行分析,得出适合小地块水稻播插作业时以较小转弯半径的转弯方式;前桥摆转四轮底盘在转向时,通过控制前桥驱动轮的转动,使前驱动桥主动围绕着转向装置转动,可以带动底盘以任意角度转向。采用ADAMS软件对四轮底盘后轮轨迹进行模拟,在确保后轮完全不吃入已完成作业区的倒U转弯方式的情况下,提出设计前桥摆转式四轮底盘转向系统的可行性。     

果园多功能动力底盘设计与试验

为解决果园作业机械适应性差、配套动力小、地隙高、转弯半径大、通过性差等问题,结合果园栽培模式和农艺等要求,设计了一种果园多功能动力底盘。对果园多功能动力底盘的整机结构和工作原理进行了阐述,设计了行走动力系统和后动力输出系统以及3路双作用液压快速挂接系统;对整机的转向性能、稳定性能、越埂性能进行了理论分析。对机架进行了有限元仿真分析,结果表明,在满载四轮着地状态下,车架最大变形发生在中间横梁部位,总变形量为5.08mm,最大等效弹性应变为0.0035,最大等效应力发生在前桥和车架铰接处,为390.52MPa;在满载三轮着地状态下,车架最大变形发生在侧梁部位,总变形量为20.74mm,最大等效弹性应变为0.0058,最大等效应力发生在前桥和车架铰接处,为805.46MPa。整机果园田间试验结果表明,果园多功能动力底盘行驶速度为0~35km/h,田间作业速度为1~6km/h,最小转弯半径为2m,最大爬坡角为24°,最大越埂高度为235mm,可挂接多种农具,能够满足果园的田间生产管理作业要求。     

微型喷药机构型设计与仿真分析

针对三轮高地隙喷药机田间运行稳定性差和后轮轮距调整不方便等问题,设计了万向节动力转向机构、可伸缩车架及后轮转向机构等部件组成的微型高地隙喷药机。对机架进行了仿真模型建立、有限元应力-应变分析和响应曲面拟合优化设计,并对优化后模型进行了模态分析。结果表明:机架在满足性能和强度要求前提下实现了轻量化,整机各个机构匹配性能均满足设计要求,且车体运行平稳,后轮轮距调整方便,有利于三轮高地隙喷药机的应用与推广。     

三轴车辆转向性能分析

建立了多轴车辆定比例转向系统理想模型和多轴车辆侧向动力学模型,通过对两模型定比例转向时的低速转向半径进行比较,验证了多轴车辆侧向动力学模型的合理性.基于该模型,分别分析了定比例转向系统和变比例转向系统的低速转向半径和高速操纵稳定性.结果表明:定比例转向的多轴转向系统低速机动性不够好,且高速稳定性很差;变比例转向的多轴转向系统在提高车辆机动性的同时,还能改善车辆的高速稳定性.     

拖拉机自动转向试验台研制

农业机械自动转向是实现农业机械自动化和智能化的关键技术之一,农田作业工况较为复杂,拖拉机自动转向装置的现场安装调试费时费力。针对这一问题,本研究研制了一种拖拉机自动转向试验台,对拖拉机自动转向装置进行模拟调试与测试以保证其控制的准确性和可靠性,从而减少田间测试时间,降低安装使用成本。本研究选用120马力拖拉机前桥,通过对机械结构、液压系统和电气控制系统的设计计算,搭建了拖拉机自动转向试验台。利用惯性测量单元对转向系统工作性能进行测试,试验结果表明方向盘平均转向间隙为16.48°,车轮平均转角延迟时间为0.14s,响应速度和稳定性符合农业机械转向要求。所研制的拖拉机自动转向试验台能够用于测试拖拉机前桥的工作状态,并对其转向性能参数进行准确采集和记录,可为农业机械自动转向装置的调试和性能检测提供一个高效可靠的测试平台。     

四轮菱形布置农用高地隙作业机设计与试验

针对玉米和甘蔗等高秆作物生长中后期田间管理缺乏有效作业机械的问题,设计了一种四轮菱形布置的农用高地隙作业机。该机采用门架式结构,具有离地间隙高、重心低、转向半径小和抗侧翻能力强的优点。左右两轮与中部机身的连接采用调整机构实现轮距大范围的精确调节,能适应不同的种植行距,减少作物根部的压实。左右两轮在高度方向也采用调整机构,在斜坡上作业时可调平车身。设计了相应的液压传动与机械传动系统,以满足驱动行走、机构调整与辅助装置工作的要求。试验结果显示,该机最大通过高度为2.8 m,最小转向半径为1.6 m,抗侧翻能力是提高车桥方案的2.4倍,轮距调节范围为0~1 000 mm,能在倾斜角小于等于25°的斜坡上调平车身。     

农用运输车后桥壳体的结构强度分析

运用有限元分析和应力电测技术对某农用运输车驱动后桥壳体的结构强度和刚度进行了研究，分析了农用运输车在直线行驶、倒车制动以及转向时后桥壳体在相应载荷作用下的变形和压力分布状况，并分析了后桥壳体上牙包和半轴套管过渡处的圆弧半径对该区域应力的影响及夹持钢板弹簧的U螺栓的预紧力对桥壳局部结构强度的影响。结果表明：在倒车制动时，后桥壳体上的应力数量最大；3种工况下桥壳上的高压力区均出现在过渡区域；加大过渡圆弧半径并不能普遍减小桥壳的应力，某些局部区域的应力还会有所增加。研究结果为桥壳结构设计提供了一定依据。     

高地隙喷雾机自转向电动底盘控制系统设计与试验

针对传统机械传动式高地隙喷雾机底盘在水田环境行走时容易陷入泥泞和深沟的问题，设计了一种四轮独立电驱动自转向电动底盘。底盘转向机构由可自转向的前后桥构成，根据自转向机构特点，提出了底盘部分动力学建模方法，将未建模动态以及外部扰动合并为总扰动，构建扩张状态观测器（Extended state observer, ESO），实时估计总扰动并进行扰动补偿，再对无扰动的线性模型设计串级比例控制器，进行模型参数辨识与控制验证。仿真结果表明，采用阶跃信号模拟扰动，ESO扰动观测值可在0.5s内收敛到实际扰动；扰动观测器收敛后，当期望转角从0°突加至20°时，得到转角跟踪控制响应曲线的上升时间为1.9s，超调量为2.3%。试验表明，喷雾机以1m/s的速度行驶在平坦路面时，前转向桥转角上升时间为3.1s，后转向桥转角上升时间为2.0s，说明本控制方法具有较好的控制效果；喷雾机在满载的情况下工作在泥泞田间时，可以越过宽20cm、深40cm的泥泞深沟，说明其在田间具有良好的通过性。     

自适应式丘陵山地拖拉机底盘传动及转向系统设计

针对丘陵山地拖拉机田间地头转向困难及已作业地块易被压紧压实的难题,设计了一种自适应式丘陵山地拖拉机底盘。其采用机械传动方式,发动机横向布置于车架上,动力由发动机一端经过皮带输送到变速器等传动部件用于底盘驱动行驶,另一端输出用于田间收割等作业。转向系统为断开式梯形结构设计,采用前轮偏转和四轮偏转两种转向方式,可实现全液压四轮异相位转向。结果表明：底盘最高及最低行驶速度分别为10.98 Km/h及0.91 Km/h,最大传动比为370.37,最小传动比为61.38,底盘前轮偏转时的最小转弯半径为2003mm,四轮偏转时的最小转弯半径为1494mm。该丘陵山地拖拉机具有良好的小地块作业适应能力。     

四轮驱动拖拉机牵引性能预测模型建立与试验

针对现有拖拉机牵引性能预测模型未包含前后轮附着差异、载荷转移和前后桥运动不协调等因素对滑转效率和滚动阻力的影响，导致四轮驱动拖拉机的田间牵引性能预测精度较低。为此本文从拖拉机轮胎的驱动特性和载荷特性入手，通过引入轮胎指数、机动指数等特征参数，分别建立了土壤-轮胎驱动模型与包含轴荷转移的前后轮胎载荷模型；在牵引受力分析的基础上，考虑实际前后桥运动不协调性对总体底盘作业的影响，分别建立了整机滚动效率与滑转效率的预测模型，导出了包含轮胎规格、土壤特性、整机前后桥运动不协调特性、传动效率的四轮驱动拖拉机牵引性能预测模型。针对模型多变量、非线性产生的求解难题，基于双维度迭代法设计了预测算法与流程；采用研究的方法开展了实例分析应用；针对预测模型的有效性验证需求，设计并开展了实车田间牵引试验，结果表明：最大牵引力与特征滑转率对应的牵引力的仿真值误差分别为1.41%与1.74%,滚动阻力误差为0.64%,较对照组准确度提升较大，总体误差较小。