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摘要：通过对三轮田间高架作业车转向系统运动学和动力学的建模分析，得出三轮田间高架作业车转向的特点，了解作业车后轮距变化以及搭载不同农机具时产生的质心变化对车辆转向的影响。同时，运用机械系统动力学软件ADAMS对前轮机械转向机构进行仿真优化，以液压杆受力为优化目标，优化了液压缸的安装位置。研究结果为三轮田间高架作业车转向系统的设计及分析提供了理论依据。
关键词：三轮；作业车；转向系统；参数化分析；优化
中图分类号： S219.032.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0376-04
随着高秆作物作业机具现代化进程的加快，如何提升高秆作物作业机具的作业水平、减轻驾驶员的劳动强度、有效发挥高秆作物作业机具在促进玉米、烟草、甘蔗等作物生产现代化中的作用，是当前国内外高秆作物机具研究领域一个新的课题。国外针对高秆作物的作业车辆技术研究较多，例如意大利SPAPPERI公司生产的JS-820型自走式喷雾机、JS-120型烟叶打顶机；荷兰DAMCON公司生产的Multitrike330、Multitrike355、Multitrike370型号的果树田间管理机；法国TECNOMA公司生产的TRH65、AXH110、TXH1400型号的苗圃管理车等，均采用了三轮车架结构和液压驱动技术。在中国，玉米、烟草等高秆作物的田间管理作业车辆研究较晚，目前国内已有个别地区研制出针对高秆作物的液压自走式田间作业车[1]、高秆作物喷雾机等。
液压技术在高秆作物作业车辆上的应用，使得全液压转向在农业机械作业车辆上的应用成为一种发展趋势。液压转向的应用减轻了驾驶员的劳动强度，提高了高秆作物作业机具的生产效率。本研究分析了1种行距可变的三轮全液压驱动田间高架作业车辆的转向部分，并对其转向部分进行了参数化分析及ADAMS仿真优化，分析了作业车后轮距变化以及搭载不同农机具时产生的质心变化对车辆转向的影响，验证了作业车结构设计的合理性，研究结果可为三轮高架作业车转向系统的设计及分析提供理论依据。
1作业车整体结构与工作原理
该作业车是针对玉米、烟草等高秆作物植保、中耕、烟叶打顶、滴灌管路铺设等作业环节而设计的1种全液压驱动田间高架作业车，田间高架作业车主要有三轮车“M”形高架结构、中置动力系统、后轮轮距调整系统、液压系统、驾驶室等部分组成，其中三轮车“M”形高架结构、后轮轮距调整系统和液压系统是主要的核心部件。整车的结构如图1所示。
作业车机架由三轮车“M”形高架结构组成，提高了行间通过性，减小了作物的损伤[2]。发动机等动力系统中置，便于液压泵和管路的连接，重心较低且始终处于整车中间位置，可以使三轮型式的车辆转弯半径相对变小，同时也增大了行驶的稳定性[3-4] 。作业车采用三轮全液压驱动，3个液压马达同时提供扭矩，动力性能好。转向系统采用全液压转向，转向时无噪声且滞后时间短。后轮轮距调整系统通过同步分流
马达作用实现作业车田间作业状态和道路行驶状态的切换，进而变换后轮轮距。同时，通过轮距调整，作业车也可适用于苗圃的田间管理作业，实现作业车一机多用的功能。
2作业车转向系统模型建立
2.1作业车整体转向动力学模型分析
为分析三轮田间高架作业车的转向操纵特性，了解作业车后轮距变化以及搭载不同农机具时产生的质心变化对车辆转向的影响，将三轮田间高架作业车的转向系统简化为线性二自由度平面运动，建立了三轮田间高架作业车平面转向运动模型，如图2所示。模型以作业车后轮轴线中点O为原点，建立XOY坐标系，2个自由度分别为整车沿X轴的侧移和绕转动中心O的转动，且作业车的前进速度恒定。在模型中，以前轮的转角作为输入；忽略作业车在行驶过程中的车架振动作用，认为作业车整体只做平行于地面的平面运动。
质心位置是车辆设计的重要参数，其位置不同会影响车辆的动力性、制动性和安全性，所以设计过程中要严格控制。由计算可知，高架作业车处于停止状态时，质心位置位于发动机上方水平机架上；处于田间作业状态时，由于作业车后轮轮距变宽，坐标系原点的位置会纵向向前偏移；当加300 kg药液时，质心纵向向后偏移；当悬挂机具时，质心纵向向后偏移。药箱加水和后置悬挂机具均会使质心位置产生一定量的偏移，但质心始终位于作业车前部2/3轴距内[5-6] 。
为得出质心变化对作业车转向性能的影响，根据牛顿力学原理，建立多功能烟田作业车2个自由度转向动力学方程，并对动力学方程进行处理，得到作业车转向运动微分方程：
m（Vx-Vyω）=-Cfδ-Cr-CfVyVx （L-L1）Cr L1CfVy；（1）
Iω=L1Cfδ-（L-L1）Cr L1CfVyVx （L-L1）2Cr L12CfVyω。（2）
式中：m为多功能烟田作业车车体质量，kg；Vx为作业车车身侧向速度，m/s；Vy为作业车车身前进速度，m/s；ω为作业车车体横摆角速度，rad/s；Cf为前轮轮胎侧偏刚度，N/rad；Cr为后轮轮胎侧偏刚度，N/rad；I为作业车转动惯量；δ为作业车前轮转向角度，rad；L为作业车前后轮轮距，m；L1为作业车质
心距前轮的距离，m。
作业车最小转弯半径是指前轮转向平面的轴线与后轮偏转轴线的交点到质心的距离。为得到质心的变化对转弯半径的影响，根据图2可知，前轮转向平面与车辆纵向平面的夹角为
关键词：三轮；作业车；转向系统；参数化分析；优化
中图分类号： S219.032.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0376-04
随着高秆作物作业机具现代化进程的加快，如何提升高秆作物作业机具的作业水平、减轻驾驶员的劳动强度、有效发挥高秆作物作业机具在促进玉米、烟草、甘蔗等作物生产现代化中的作用，是当前国内外高秆作物机具研究领域一个新的课题。国外针对高秆作物的作业车辆技术研究较多，例如意大利SPAPPERI公司生产的JS-820型自走式喷雾机、JS-120型烟叶打顶机；荷兰DAMCON公司生产的Multitrike330、Multitrike355、Multitrike370型号的果树田间管理机；法国TECNOMA公司生产的TRH65、AXH110、TXH1400型号的苗圃管理车等，均采用了三轮车架结构和液压驱动技术。在中国，玉米、烟草等高秆作物的田间管理作业车辆研究较晚，目前国内已有个别地区研制出针对高秆作物的液压自走式田间作业车[1]、高秆作物喷雾机等。
液压技术在高秆作物作业车辆上的应用，使得全液压转向在农业机械作业车辆上的应用成为一种发展趋势。液压转向的应用减轻了驾驶员的劳动强度，提高了高秆作物作业机具的生产效率。本研究分析了1种行距可变的三轮全液压驱动田间高架作业车辆的转向部分，并对其转向部分进行了参数化分析及ADAMS仿真优化，分析了作业车后轮距变化以及搭载不同农机具时产生的质心变化对车辆转向的影响，验证了作业车结构设计的合理性，研究结果可为三轮高架作业车转向系统的设计及分析提供理论依据。
1作业车整体结构与工作原理
该作业车是针对玉米、烟草等高秆作物植保、中耕、烟叶打顶、滴灌管路铺设等作业环节而设计的1种全液压驱动田间高架作业车，田间高架作业车主要有三轮车“M”形高架结构、中置动力系统、后轮轮距调整系统、液压系统、驾驶室等部分组成，其中三轮车“M”形高架结构、后轮轮距调整系统和液压系统是主要的核心部件。整车的结构如图1所示。
作业车机架由三轮车“M”形高架结构组成，提高了行间通过性，减小了作物的损伤[2]。发动机等动力系统中置，便于液压泵和管路的连接，重心较低且始终处于整车中间位置，可以使三轮型式的车辆转弯半径相对变小，同时也增大了行驶的稳定性[3-4] 。作业车采用三轮全液压驱动，3个液压马达同时提供扭矩，动力性能好。转向系统采用全液压转向，转向时无噪声且滞后时间短。后轮轮距调整系统通过同步分流
马达作用实现作业车田间作业状态和道路行驶状态的切换，进而变换后轮轮距。同时，通过轮距调整，作业车也可适用于苗圃的田间管理作业，实现作业车一机多用的功能。
2作业车转向系统模型建立
2.1作业车整体转向动力学模型分析
为分析三轮田间高架作业车的转向操纵特性，了解作业车后轮距变化以及搭载不同农机具时产生的质心变化对车辆转向的影响，将三轮田间高架作业车的转向系统简化为线性二自由度平面运动，建立了三轮田间高架作业车平面转向运动模型，如图2所示。模型以作业车后轮轴线中点O为原点，建立XOY坐标系，2个自由度分别为整车沿X轴的侧移和绕转动中心O的转动，且作业车的前进速度恒定。在模型中，以前轮的转角作为输入；忽略作业车在行驶过程中的车架振动作用，认为作业车整体只做平行于地面的平面运动。
质心位置是车辆设计的重要参数，其位置不同会影响车辆的动力性、制动性和安全性，所以设计过程中要严格控制。由计算可知，高架作业车处于停止状态时，质心位置位于发动机上方水平机架上；处于田间作业状态时，由于作业车后轮轮距变宽，坐标系原点的位置会纵向向前偏移；当加300 kg药液时，质心纵向向后偏移；当悬挂机具时，质心纵向向后偏移。药箱加水和后置悬挂机具均会使质心位置产生一定量的偏移，但质心始终位于作业车前部2/3轴距内[5-6] 。
为得出质心变化对作业车转向性能的影响，根据牛顿力学原理，建立多功能烟田作业车2个自由度转向动力学方程，并对动力学方程进行处理，得到作业车转向运动微分方程：
m（Vx-Vyω）=-Cfδ-Cr-CfVyVx （L-L1）Cr L1CfVy；（1）
Iω=L1Cfδ-（L-L1）Cr L1CfVyVx （L-L1）2Cr L12CfVyω。（2）
式中：m为多功能烟田作业车车体质量，kg；Vx为作业车车身侧向速度，m/s；Vy为作业车车身前进速度，m/s；ω为作业车车体横摆角速度，rad/s；Cf为前轮轮胎侧偏刚度，N/rad；Cr为后轮轮胎侧偏刚度，N/rad；I为作业车转动惯量；δ为作业车前轮转向角度，rad；L为作业车前后轮轮距，m；L1为作业车质
心距前轮的距离，m。
作业车最小转弯半径是指前轮转向平面的轴线与后轮偏转轴线的交点到质心的距离。为得到质心的变化对转弯半径的影响，根据图2可知，前轮转向平面与车辆纵向平面的夹角为