西南丘陵山區(qū)套作小型多功能底盤通過(guò)性的研究

呂小榮，丁為民

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014； 2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031； 3 農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130)

西南丘陵山區(qū)套作小型多功能底盤通過(guò)性的研究

呂小榮1，2，3，丁為民2

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014； 2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031； 3 農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130)

【目的】研究西南丘陵山區(qū)套作小型多功能底盤的通過(guò)性.【方法】分別從西南山區(qū)套作種植農(nóng)藝角度和地形特點(diǎn)入手，結(jié)合評(píng)價(jià)車輛輪廓通過(guò)性的相關(guān)幾何參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型. 【結(jié)果和結(jié)論】參數(shù)測(cè)試證明理論值與實(shí)測(cè)值基本吻合.確定了底盤越過(guò)最高垂直障礙為190 mm，跨越最寬壕溝為280 mm.對(duì)底盤樣機(jī)的爬坡能力的試驗(yàn)結(jié)果表明多功能底盤具有良好的爬坡能力和翻越起伏地況的能力，在丘陵山區(qū)具有良好的通過(guò)性能.

西南丘陵山區(qū); 套作； 小型多功能底盤； 通過(guò)性能； 越障； 爬坡

四川、貴州、廣西、云南等在內(nèi)的西南6省區(qū)是我國(guó)南方典型的丘陵山區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，為了充分利用土地、發(fā)揮早種早育的農(nóng)時(shí)作用、延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期、提高糧食產(chǎn)量，該區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)以套作種植為主[1- 4].西南丘陵山區(qū)地勢(shì)起伏不平、交通不便利，加之四川等地人多地少，其套作一直沿用手工作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度極大.近年隨著農(nóng)村外出務(wù)工人員增加，農(nóng)村勞動(dòng)力減少，且多為老人婦女，迫切需要機(jī)械化種植方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工種植方式.在這種情況下，研制微小型、輕便、經(jīng)濟(jì)、適用于丘陵山區(qū)種植的機(jī)具就顯得尤為重要.

由于西南丘陵山區(qū)的特點(diǎn)加之套作種植方式的限制，研制小型農(nóng)用機(jī)械最突出的問(wèn)題之一是通過(guò)性.在不同的環(huán)境下，通過(guò)性有其不同的含義，本文以四川省丘陵山區(qū)為研究背景，從農(nóng)藝種植和丘陵山區(qū)地況特點(diǎn)兩方面重點(diǎn)研究小型多功能底盤的通過(guò)性.

1 種植農(nóng)藝對(duì)通過(guò)性的要求

目前，西南丘陵山區(qū)正在廣泛示范推廣旱地新3熟“麥/玉/豆”套作種植模式，其實(shí)質(zhì)是在集成免、耕秸稈覆蓋、作物直播技術(shù)的條件下以大豆代替原旱3熟制中的甘薯進(jìn)行的連年套種輪作多熟種植制度[3- 4].其種植方式采用帶狀2 m 開廂模式，即1 m種5行小麥，1 m種2行玉米，小麥?zhǔn)蘸蠓N3行大豆，第2年換茬輪作.

這種種植方式限定了作業(yè)機(jī)具寬度最好在1.0 m以內(nèi)，最寬處不能超過(guò)1.2 m.顯然小型多功能底盤要在這種模式下作業(yè)，其最寬處必須小于1.2 m才能符合套作種植的農(nóng)藝要求，即其在田間作業(yè)時(shí)不能碾壓旁側(cè)的農(nóng)作物莖葉，要求有一定的農(nóng)藝間隙，使機(jī)器能順利地的從套作種植的窄行距中通過(guò).圖1所示為種植農(nóng)藝要求和機(jī)器在套作田間作業(yè)的設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖.

圖1 種植農(nóng)藝和底盤設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖

Fig.1 A schematic diagram of planting technology and chassis design parameters

2 西南丘陵山區(qū)地況通過(guò)性能

西南丘陵山區(qū)地勢(shì)起伏不平，帶有坡度，因此設(shè)計(jì)出的機(jī)具必須具有良好的爬坡能力和翻越起伏地況的地面越障能力[5-15].本文重點(diǎn)研究多功能底盤在起伏地面的越障能力和山地的爬坡能力.

2.1 整機(jī)參數(shù)測(cè)量

多功能底盤在丘陵山區(qū)套作田間作業(yè)時(shí)，由于外形結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合適，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法通過(guò)的現(xiàn)象，因此，對(duì)多功能底盤樣機(jī)進(jìn)行外形參數(shù)測(cè)量，長(zhǎng)、寬、高為2 000 mm×1 100 mm×1 520 mm，軌距720 mm，履帶接地長(zhǎng)度和板寬分別為900、180 mm，最小離地間隙為200 mm.由此可知：樣機(jī)最寬處為1 100 mm,小于“麥/玉/豆”套作種植農(nóng)藝要求的1 200 mm；樣機(jī)離地間隙為200 mm大于西南丘陵山區(qū)田間地表起伏落差180 mm.表明樣機(jī)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足西南丘陵山區(qū)套作田間作業(yè)要求.2012年，樣機(jī)在套作田間試驗(yàn)順利地通過(guò)窄行距的作業(yè)區(qū)，證明了樣機(jī)外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.

2.2 多功能底盤接近角和離去角的確定

接近角與離去角是機(jī)器接近或離開障礙物時(shí)不產(chǎn)生碰撞的可能性表示，接近角與離去角越大通過(guò)性越好[5,16- 20].

測(cè)量方法：從樣機(jī)前后突出點(diǎn)向前、后輪引切線，切線與路面間的夾角分別為樣機(jī)的接近角和離去角，如圖2所示.

圖2 接近角、離去角的簡(jiǎn)化計(jì)算圖Fig.2 A simplified figure of approach angles and departure angles

在直角三角形(圖2)AEF中，有：

解得：

式中，α為接近角；r為前后輪的半徑；h1為接近角測(cè)量點(diǎn)到地面的距離；L1為接近角測(cè)量點(diǎn)到前輪中心的水平距離.

同理，求得離去角為：

式中,β為離去角；r為前后輪的半徑；h2為離去角測(cè)量點(diǎn)到地面的距離；L2為離去角測(cè)量點(diǎn)到后輪中心的水平距離.

由接近角公式可知，當(dāng)r和h1一定時(shí)，L1越短，接近角α越大，底盤通過(guò)性越好.同理，由離去角公式可知，當(dāng)r、h2值一定，L2越短，β越大，底盤的通過(guò)性越好.

理論計(jì)算接近角α=52°，離去角為β=42°.經(jīng)過(guò)樣機(jī)測(cè)量得到接近角α=50°，離去角為β=45°，與設(shè)計(jì)基本吻合，且它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25°(國(guó)家規(guī)定種植農(nóng)作物的坡度)，因此樣機(jī)的輪廓通過(guò)性能良好.

2.3 多功能底盤橫向通過(guò)半徑的確定

橫向通過(guò)是多功能底盤在橫向平面內(nèi)通過(guò)2個(gè)相交平面形成凸起構(gòu)成障礙時(shí)，多功能底盤與障礙間的相對(duì)位置變化情況[5,7-10]，如圖3所示.

西南丘陵山區(qū)凸丘較多，特別是地頭轉(zhuǎn)向時(shí)，底盤需要順利通過(guò)地頭的凸丘，橫向通過(guò)半徑成為制約其通過(guò)性的重要因素之一.

圖3 橫向通過(guò)半徑和通過(guò)角簡(jiǎn)化計(jì)算圖

Fig.3 A simplified calculation figure of horizontal radius and pass angles

計(jì)算底盤橫向通過(guò)半徑時(shí)，由于其側(cè)向變形小忽略，近似的通過(guò)下面的三角函數(shù)的幾何關(guān)系計(jì)算：

式中,h3為橫向地隙；L3為車輪內(nèi)側(cè)距離；Rh為橫向通過(guò)半徑.

令ρ1為橫向通過(guò)半徑，代入上式，得到：

分析可知，L3一定時(shí)，h3越大，ρ1越小，在通過(guò)田間小丘及凸起的田面時(shí)，不易發(fā)生車輛中間低部零件與障礙的碰擦.本研究的兩履帶內(nèi)側(cè)邊緣距L3為540 mm，根據(jù)丘陵地區(qū)田間凸丘高度小于180 mm，理論計(jì)算其橫向通過(guò)半徑ρ=292.5 mm.當(dāng)?shù)妆P橫向通過(guò)半徑為292.5 mm時(shí)，最大可翻越凸丘高度為180 mm.橫向通過(guò)半徑越小，機(jī)器通過(guò)性越好[9].多功能底盤橫向通過(guò)半徑為282.25 mm，滿足無(wú)碰撞通過(guò)丘陵山區(qū)田間凸丘等障礙物的作業(yè)要求.

3 通過(guò)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

2012年10月，在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)試制基地和后山進(jìn)行通過(guò)性能試驗(yàn).所用的試驗(yàn)儀器設(shè)備主要包括：多功能底盤樣機(jī)、轉(zhuǎn)數(shù)表、遠(yuǎn)程溫度計(jì)、坡度儀、皮尺、照相機(jī)、秒表等.

參照汽車地形通過(guò)性試驗(yàn)方法(GB/T 12541—90)中相關(guān)規(guī)定[21- 23]，設(shè)置垂直障礙、水平壕溝2種地形特征進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示.

a、b分別表示垂直、水平壕溝.

垂直障礙物試驗(yàn)時(shí)，多功能底盤低速駛近垂直障礙物，油門全開，爬越垂直障礙物，障礙高度設(shè)置為100、150、170、190和200 mm.測(cè)試3次，以通過(guò)1次為合格.觀察樣機(jī)翻越垂直障礙物時(shí)的情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄.

跨越壕溝試驗(yàn)時(shí),多功能底盤低速駛近水平壕溝，油門全開，駛過(guò)壕溝，壕溝寬度設(shè)置為180、200、270、280和300 mm.測(cè)試3次，以通過(guò)1次為合格.觀察樣機(jī)翻越垂直障礙物時(shí)的情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄.

參照GB/T 3871農(nóng)業(yè)輪式和履帶拖拉機(jī)試驗(yàn)方法[24]中相關(guān)規(guī)定，對(duì)機(jī)器縱向爬坡性能進(jìn)行試驗(yàn).爬坡試驗(yàn)按設(shè)計(jì)的爬坡指標(biāo)選擇縱坡道，坡度設(shè)置為6°、10°、15°、20°、26°和31°.樣機(jī)停止坡底平直路段用低速起步，油門加到最大，使樣機(jī)達(dá)到坡底速度穩(wěn)定，然后以該穩(wěn)定速度進(jìn)行爬坡，速度設(shè)置為2.5、1.4、1.0和0.8 km·h-1.3次測(cè)試，以通過(guò)1次為合格.觀察樣機(jī)爬坡時(shí)的情況，記錄數(shù)據(jù).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

多功能底盤通過(guò)垂直障礙和水平壕溝試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)垂直障礙的高度最高為190 mm，通過(guò)水平壕溝最寬為280 mm，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]通過(guò)垂直障礙的高度為(2/3～4/3)R(其中R為輪子的半徑，mm)，通過(guò)水平壕溝的寬度為(1～4/3)R，按此計(jì)算本樣機(jī)通過(guò)垂直高度應(yīng)在100～200 mm，通過(guò)水平壕溝范圍為150～200 mm，因此樣機(jī)通過(guò)垂直障礙、水平壕溝的能力符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

多功能底盤爬坡試驗(yàn)結(jié)果如表1.結(jié)果表明樣機(jī)可以順利通過(guò)坡度為30°的路面，根據(jù)《水土保持法》規(guī)定‘開荒限制坡度即開荒種植農(nóng)作物的坡度應(yīng)<25°[25]，而樣機(jī)爬坡能力已超過(guò)25°，因此樣機(jī)具有良好的爬坡能力.

表1 爬坡能力試驗(yàn)

4 結(jié)論

本文從套作農(nóng)藝、四川丘陵山區(qū)特殊地況以及多功能底盤的實(shí)際情況出發(fā)，分析了多功能底盤通過(guò)性的幾何參數(shù)，該機(jī)的接近角為52°、離去角為42°和橫向通過(guò)半徑為282.25 mm，表明多功能底盤在西南丘陵山區(qū)具有良好的輪廓通過(guò)性.多功能底盤的通過(guò)性試驗(yàn)測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)制造的樣機(jī)有良好越障、爬坡性能，能夠在<25°的坡上穩(wěn)定通過(guò)，較好的滿足了農(nóng)業(yè)機(jī)械在西南丘陵山區(qū)行走作業(yè)的基本要求.

[1] 楊文鈺，張含彬，牟錦毅，等．南方丘陵地區(qū)旱地新三熟麥/玉/豆高效栽培技術(shù)[J] ． 作物雜志, 2006(5)：43- 44．

[2] 雍太文，任萬(wàn)軍，楊文鈺，等. 旱地新3熟“ 麥/玉/豆”模式的內(nèi)涵、特點(diǎn)及栽培技[J]．耕作與栽培, 2006(6)： 48-50．

[3] 呂小榮，劉麗娜，呂小蓮．套作模式下小型農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的運(yùn)用前景[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(12)：245- 248．

[4] 王小春，楊文鈺，雍太文．西南丘陵旱地農(nóng)作制現(xiàn)狀及旱地新3 熟“麥/玉/豆”發(fā)展優(yōu)勢(shì)分析[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(9)：3962-3963．

[5] 李文哲，許綺川．汽車拖拉機(jī)學(xué)[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006．

[6] 張申，郭璽，高維，等．輪式裝甲車輛的幾何通過(guò)性建模與仿真[J]． 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25(5)：75-78．

[7] 郭占軍，張為公，龐罕．越野車輛典型地形通過(guò)性建模與仿真[J]．汽車技術(shù)，2008(11)：31-33．

[8] 龐罕，張為公，王霞，等．載重越野車地形通過(guò)性仿真研究[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2008(6)：22- 24．

[9] 邱威，丁為民，申寶營(yíng)，等．3WZ—700型果園噴霧機(jī)通過(guò)性能分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(6)：63- 67．

[10]沈嶸楓，劉晉浩，陳瑞洪．履帶式采伐機(jī)履帶通過(guò)性[J]．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24(5)：157-160．

[11]舒慶，劉晉浩．防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人通過(guò)性研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(7)： 99-102．

[12]王建政．小麥免耕播種機(jī)通過(guò)性能分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(8)：151-153．

[13]魏道高，區(qū)穎剛，楊丹彤，等.多橋驅(qū)動(dòng)車輛越障時(shí)軸載荷動(dòng)態(tài)分配研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(2)：39- 42．

[14]魏道高，周孔亢，區(qū)穎剛，等．灘涂車輛的性能分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33(5)：31-34．

[15]YANG Huaifeng，Lü Xiaorong．Dynamic Simulation of Small Crawler Chassis Turning Based on RecurDyn [J]．Adv Mater Res，2012(774/775/776)：195-198．

[16]戴耀輝，范國(guó)山．農(nóng)用運(yùn)輸車接近角與離去角的計(jì)算方法[J]．農(nóng)機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督農(nóng)機(jī)試驗(yàn)與推廣，1999(1)：18-19．

[17]林金術(shù)．汽車接近角、離去角和縱向通過(guò)角的測(cè)量[J]．汽車技術(shù)，1994(11)：22- 24．

[18]王忠良．高床客車通過(guò)性幾何參數(shù)的分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004(7)：82- 84．

[19]WONG J Y，PRESTON-THOMAS J． Parametric analysis of tracked vehicle performance using an advanced computer simulation model [C]∥Anon. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part D. Charleston: Biblio Bazaar, 1986：101-114．

[20]WONG J Y，GAO Y．Applications of a computer aided method to parametric study of tracked vehicles with rigid links [C]∥Anon. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part D. Charleston: Biblio Bazaar,1994：251- 257．

[21]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局． GB/T 12541—1990汽車地形通過(guò)性試驗(yàn)方法[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990．

[22]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局．GB/T 3871—2006農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

[23]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局．GB/T 15833—2007林業(yè)輪式和履帶拖拉機(jī)試驗(yàn)方法[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．

[24]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局．GB /T 3 871—2004農(nóng)業(yè)輪式和履帶拖拉機(jī)試驗(yàn)方法[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004．

[25]全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)．中華人民共和國(guó)水土保持法[M]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．

【責(zé)任編輯霍 歡】

Astudyofpass-abilityofsmallmulti-functionchassisforintercroppinginSouthwesthills

Lü Xiaorong1,2,3, DING Weimin2

(1 College of Information & Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya′an 625014, China;2 College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China;3 Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of the People’s Republic of China, Chengdu 611130, China)

【Objective】 To study pass-ability of small multi-function chassis for intercropping in Southwest hills. 【Method】 The mathematical model was established by evaluating related geometric parameters of vehicle contour and analyzing the Southwest mountainous areas marked by intercropping cultivation agronomic angle and terrain features.【Result and conclusion】 Parametric test results showed that the theoretical and measured values were consistent. The highest vertical obstacles and the widest trench were 190 and 280 mm respectively. Chassis prototype climbing ability tests results showed that the multifunctional chassis prototype had a good climbing ability and it showed a good passing performance to climb under undulating ground conditions.

Southwest hills; intercropping; small multi-function chassis; pass-ability; cross obstacle; climbing

2013- 04- 23優(yōu)先出版時(shí)間2014- 07- 17

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20140717.0921.039.html

呂小榮(1972—)，女，副教授，博士，E-mail: lxrxj2008@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(51105261)；四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)資金資助項(xiàng)目

呂小榮，丁為民.西南丘陵山區(qū)套作小型多功能底盤通過(guò)性的研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(5):108- 111.

S226.4

A

1001- 411X(2014)05- 0108- 04