多功能農(nóng)用底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

袁永偉+弋景剛+吳紅雷+孔德剛+劉江濤

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)主要以人工作業(yè)為主、勞動(dòng)強(qiáng)度大、相應(yīng)配套機(jī)型較少、性能較差、自動(dòng)化水平不高、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不匹配等問(wèn)題，提出一種前中后均可懸掛農(nóng)機(jī)具、離地間隙可調(diào)、履帶式行駛系的多功能農(nóng)用底盤(pán)，該底盤(pán)集滑移轉(zhuǎn)向、底盤(pán)升降、全液壓驅(qū)動(dòng)等技術(shù)于一體。為滿足底盤(pán)的功能要求，該底盤(pán)采用四履帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)行駛工況下的動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了底盤(pán)的接地比壓，計(jì)算了附著牽引力、直線行駛與滑移轉(zhuǎn)向阻力；對(duì)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)。本課題致力于設(shè)計(jì)的多功能底盤(pán)，能夠促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，進(jìn)一步降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；底盤(pán)；滑移轉(zhuǎn)向；履帶；液壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： S224.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2017）13-0173-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-09-23

基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：15227209D）。

作者簡(jiǎn)介：袁永偉（1987—），男，河北任丘人，碩士，助教，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電一體化相關(guān)教學(xué)與科研。E-mail：yyw0314@126.com。

通信作者：弋景剛，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備的教學(xué)與科研工作。E-mail：yjg@hebau.edu.cn。

[ZK）]

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，中國(guó)設(shè)施產(chǎn)業(yè)中的設(shè)施蔬菜種植面積就一直穩(wěn)居世界第一位，種植面積約占世界總面積的90%[1]。中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展在面積規(guī)模上大，但自動(dòng)化水平、機(jī)械化程度比較低，主要依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大。動(dòng)力機(jī)械及配套機(jī)具已是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)不可缺少的重要裝備[2]。現(xiàn)有的溫室作業(yè)機(jī)具的底盤(pán)行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎半徑大，作業(yè)不夠靈活，作業(yè)效率低。設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)水平已經(jīng)制約了可控條件下的集約化、高效化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，溫室作業(yè)的機(jī)械化問(wèn)題日益突出顯現(xiàn)。

該項(xiàng)目的實(shí)施一方面使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)得到改造，開(kāi)發(fā)出新型農(nóng)用車底盤(pán)，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高資源利用率；另一方面，本課題致力于設(shè)計(jì)一款在底盤(pán)的前、中、后均可懸掛農(nóng)機(jī)具的通用底盤(pán)，改變?cè)O(shè)施機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的現(xiàn)狀，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平。

1多功能底盤(pán)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1多功能底盤(pán)總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

多功能底盤(pán)結(jié)構(gòu)主要包括三角履帶組、雙扭平行四連桿獨(dú)立懸架、車架主體結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及其附屬結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2多功能底盤(pán)功能

設(shè)施農(nóng)用四驅(qū)多功能作業(yè)底盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)直線行駛、滑移轉(zhuǎn)向、底盤(pán)升降等運(yùn)動(dòng)形式，操作者可以在操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)功能的所有操作。行走系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，操作者通過(guò)控制其左右兩側(cè)的4個(gè)三角履帶組，可以實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)與倒退；控制左右兩側(cè)履帶的差速，可以實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)向、向右轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向。底盤(pán)升降系統(tǒng)采用由液壓缸作驅(qū)動(dòng)的雙扭平行四連桿獨(dú)立懸架，操作者通過(guò)控制4個(gè)升降液壓缸的伸縮可以實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的垂直升降、傾斜升降等動(dòng)能。底盤(pán)前、中、后均可懸掛農(nóng)機(jī)具，懸掛方式分別為裝載機(jī)連桿作業(yè)臂式、橫梁固定式、三點(diǎn)懸掛式，其工作裝置的驅(qū)動(dòng)力均為液壓動(dòng)力，本研究對(duì)農(nóng)機(jī)具的懸掛和驅(qū)動(dòng)暫不作設(shè)計(jì)，只是對(duì)其車架前中后留出安裝空間，液壓系統(tǒng)預(yù)留出相應(yīng)管路接口。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)農(nóng)藝參數(shù)對(duì)底盤(pán)功能的要求，經(jīng)理論分析初步確定的底盤(pán)技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1行駛阻力分析

2.1.1底盤(pán)行駛系接地比壓的驗(yàn)算

查閱有關(guān)履帶式底盤(pán)文[CM（25]獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)不同裝備的合理接地比壓[4-5]有所區(qū)別，履帶式拖[CM）] [JZ（]ρ=[SX（]G4bL[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：G為車輛總質(zhì)量，kg；b為單個(gè)履帶接地寬度，mm；L為單個(gè)履帶接地長(zhǎng)度，mm。

由式（1）計(jì)算得到本底盤(pán)的接地比壓值約為59.26，屬于合理值。

2.1.2附著牽引力

履帶式底盤(pán)的附著力包括履帶支撐面與土壤地表的摩擦力產(chǎn)生的附著力和履帶輪的履齒進(jìn)入地面對(duì)土壤擠壓的反力產(chǎn)生的附著力。為簡(jiǎn)化附著力計(jì)算[6-7]，附著力可以按下式表示：

[JZ（]Ffz=φ·G。[JZ）][JY]（2）

式中：φ為附著系數(shù)；G為車輛總質(zhì)量，kg。

履帶式車輛在不同路況下的附著系數(shù)見(jiàn)表2。由此估算出，該多功能底盤(pán)在干路面上行駛時(shí)，最大附著力為 12 800 N。

2.1.3直線行駛時(shí)受力情況

直線行駛時(shí)單個(gè)三角履帶組的受力分析如圖2所示。

[FK（W13][TPYYW2.tif][FK）]

由圖2受力分析[8]可知，需滿足Fq≥F1+F2，才能實(shí)現(xiàn)直線或加速行駛。其中，外部阻力可以用下式表示：

[JZ（]F1=[SX（]（mg）24（[SX（]kcb[SX）]+k）bL2[SX）]。[JZ）][JY]（3）

式中：L為履帶和土壤的接觸長(zhǎng)度，mm；b為履帶接地寬度，mm；kc、k為與承載面積大小和形狀無(wú)關(guān)的土壤參數(shù)。在初步計(jì)算驅(qū)動(dòng)力大小時(shí)，采用估算的方法。即：

[JZ（]F1=fmg。[JZ）][JY]（4）

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)（表3）。

由于本課題設(shè)計(jì)的多功能底盤(pán)通過(guò)的路面多細(xì)沙土或松軟沙質(zhì)土，故f取0.10，估算可得，外部滾動(dòng)阻力為1 280 N。

內(nèi)部阻力，由于本機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，履帶式底盤(pán)的內(nèi)部阻力與整機(jī)質(zhì)量以及行履帶組的結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般情況下，采用粗略估計(jì)的方法。即：F2=0.05 mg，內(nèi)部阻力估算值為640 N。endprint

假定整機(jī)在勻速直線行駛工況，驅(qū)動(dòng)力與阻力建立的平衡方程為：Fq=F1+F2，粗略估算得到底盤(pán)直線行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于1 920 N。

2.1.4滑移轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

估算轉(zhuǎn)向受力時(shí)，為了保證有足夠的滑移轉(zhuǎn)向功率，以最消耗功率的兩側(cè)履帶完全差速的轉(zhuǎn)向方式計(jì)算，此時(shí)轉(zhuǎn)向半徑等于零。此時(shí)4條三角履帶受到轉(zhuǎn)向阻力分析如圖3所示。

[FK（W9][TPYYW3.tif][FK）]

設(shè)單履帶接地長(zhǎng)度為y，受到的阻力為x，履帶接地單位長(zhǎng)度上阻力為P·b·μ，則x與y之間的關(guān)系可以表示為：

[JZ（]y=[SX（]L2pbμ[SX）]·x。[JZ）][JY]（5）

式中：L為三角履帶端部到旋轉(zhuǎn)中心的長(zhǎng)度，mm；P為接地比壓，mm；b為三角履帶的寬度，mm；μ為履帶式車輛的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.7。

則單條三角履帶相對(duì)轉(zhuǎn)向中心收到的摩擦阻力矩為：

[JZ（]M=∫0.80.3xydy=∫0.80.3[SX（]2pbμL[SX）]·y2dy。[JZ）][JY]（6）

則4條履帶的摩擦力Fz為：

[JZ（]Fz=[SX（]4MB[SX）]。[JZ）][JY]（7）

解得，F(xiàn)z=3 366.7 N，單條三角履帶需提供的驅(qū)動(dòng)力為：F=[SX（]Fz4[SX）]=[SX（]3 3663.74[SX）]=841.68 N。

2.1.5牽引力的計(jì)算

多功能底盤(pán)實(shí)現(xiàn)正常啟動(dòng)和行駛，四履帶驅(qū)動(dòng)力必須大于或等于各阻力之和（本底盤(pán)的設(shè)計(jì)速度較低，忽略空氣阻力和加速阻力，只考慮滾動(dòng)阻力和爬坡阻力）。牽引力滿足下式：

[JZ（]Fq≥Fi+Ff。[JZ）][JY]（8）

[JZ（]Fq=ηkMk/rd。[JZ）][JY]（9）

[JZ（]Fi=mgsinα。[JZ）][JY]（10）

[JZ（]Ff=mgf。[JZ）][JY]（11）

式中：ηk為履帶傳動(dòng)效率，取值0.95；Mk為履帶驅(qū)動(dòng)齒輪輸出力矩，N·m；rd為驅(qū)動(dòng)齒輪動(dòng)力半徑，mm；α為路況坡度角，取值20°；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

底盤(pán)滿載作業(yè)時(shí)，在坡道行駛時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力最大，因此底盤(pán)的最大牽引力應(yīng)滿足下式：

[JZ（]Fqmax=mg（sinα+fcosα）。[JZ）][JY]（12）

計(jì)算得Fqmax=5 469 N。

3行駛液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本研究提出的多功能底盤(pán)，行走系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)閉式回路、雙向變量泵、低速大扭矩馬達(dá)。無(wú)需設(shè)置行車和駐車制動(dòng)裝置，只需將與行走液壓馬達(dá)相連的液壓泵斜盤(pán)處于中位狀態(tài)，則液壓泵不供油，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到停車制動(dòng)和駐車制動(dòng)目的。全液壓傳動(dòng)具有占用空間小、結(jié)構(gòu)布置方便等優(yōu)點(diǎn)；但缺點(diǎn)是4個(gè)三角履帶的傳動(dòng)比及同步性不易準(zhǔn)確控制。因此，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)需要合理的設(shè)計(jì)。

閉式液壓系統(tǒng)：變量泵的進(jìn)油管與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的出油口相連，變量泵的高壓油口與馬達(dá)的進(jìn)油口相連，液壓油在系統(tǒng)管路中循環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是空氣不易滲入，無(wú)換向閥，傳動(dòng)較平穩(wěn)，液壓沖擊和能量損失較?。还苈份^少，布置方便。但是閉式系統(tǒng)較開(kāi)式系統(tǒng)復(fù)雜，需要另設(shè)一個(gè)定量補(bǔ)油泵和油箱為閉式系統(tǒng)補(bǔ)油和改善長(zhǎng)期循環(huán)的液壓油質(zhì)量。借鑒現(xiàn)用滑移裝載機(jī)液壓系統(tǒng)[9-11]，最終確定的行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。[FL）]

[FK（W22][TPYYW4.tif][FK）]

[FL（2K2]3.2行走液壓系統(tǒng)原理介紹

行走驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用2個(gè)大排量雙向變量液壓泵（1）和1個(gè)小排量補(bǔ)油泵（9），三泵串聯(lián)。2個(gè)大排量雙向變量液壓泵（1）將壓力油供給液壓馬達(dá)（6）后轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，由液壓馬達(dá)（6）直接驅(qū)動(dòng)三角履帶；補(bǔ)油泵（9）補(bǔ)充行走液壓系統(tǒng)滲漏造成的油液損失，同時(shí)通過(guò)多路閥供給液壓油缸等液壓執(zhí)行元件和為先導(dǎo)控制油路提供控制所需壓力油。

先導(dǎo)控制閥由4個(gè)先導(dǎo)閥集成，可由操作手柄控制上的按鈕控制。手動(dòng)按下不同先導(dǎo)閥的觸頭，對(duì)應(yīng)先導(dǎo)閥得電，壓力油到達(dá)伺服缸的內(nèi)腔，控制雙向變量液壓泵的轉(zhuǎn)速與方向。按下先導(dǎo)閥A的觸頭，兩側(cè)雙向變量液壓泵轉(zhuǎn)速同時(shí)增加，直行加速；按下先導(dǎo)閥B的觸頭，左側(cè)雙向變量液壓泵減速，右側(cè)雙向變量液壓泵加速，左轉(zhuǎn)向；按下先導(dǎo)閥C的觸頭，左側(cè)雙向變量液壓泵加速，右側(cè)雙向變量液壓泵減速，右轉(zhuǎn)向；按下先導(dǎo)閥D的觸頭，兩側(cè)雙向變量液壓泵同時(shí)減速，直行減速。

行走控制電磁閥（12）和駐車制動(dòng)電磁閥（13）分別在行走和執(zhí)行作業(yè)時(shí)相應(yīng)得電，起到安全保護(hù)作用。

雙向定量馬達(dá)內(nèi)部集成沖洗閥（7）和背壓閥（8），沖洗閥（7）的開(kāi)啟由雙向定量馬達(dá)進(jìn)出油口壓差決定，其中進(jìn)油口為負(fù)載壓力，出油口為補(bǔ)油背壓閥（5）的設(shè)定值，回路油液經(jīng)沖洗閥（7）和背壓閥（8）回油箱，起到冷卻油液的作用。

3.3液壓馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用4條三角履帶全驅(qū)，取底盤(pán)總阻力的30%作為單條三角履帶的驅(qū)動(dòng)阻力計(jì)算，即每條三角履帶的牽引力為：

[JZ（]Fqs=0.3 Fqmax。[JZ）][JY]（13）

[JZ（]Mk=Fqsrd/ηk。[JZ）][JY]（14）

則驅(qū)動(dòng)齒輪輸出扭矩Mk和馬達(dá)負(fù)載扭矩Mm的關(guān)系：

[JZ（]Mknk=Mmnmηm。[JZ）][JY]（15）

式中：nk為驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min；nm為馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；ηm為馬達(dá)的傳動(dòng)效率，取0.95。

在最大牽引力工況，聯(lián)立式（13）、（14）、（15）計(jì)算馬達(dá)需輸出扭矩：endprint

[JZ]Mmmax=[SX（]0.3Fqmaxrdηm[SX）]=[SX（]0.3×5 469×0.110.95[SX）]=190 N·m。

3.4液壓馬達(dá)參數(shù)計(jì)算

對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的工作壓力是設(shè)定中最重要的參數(shù)之一，多功能底盤(pán)屬于農(nóng)用機(jī)械，液壓馬達(dá)的工作壓力設(shè)定值為12 MPa。液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)包括輸出扭矩、排量、轉(zhuǎn)速、工作壓力4個(gè)基本參數(shù)，下面就本多功能底盤(pán)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定。

液壓馬達(dá)排量的計(jì)算公式：

[JZ（]Vm=[SX（]2πMmmaxΔpηmm[SX）]。[JZ）][JY]（16）

式中：Δp為馬達(dá)進(jìn)出口壓差，取12 MPa；ηmm為馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.9。

計(jì)算可得液壓馬達(dá)的排量：Vm=110.5 mL/r。

液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速即底盤(pán)最高行駛速度工況，底盤(pán)最大行駛速度：

[JZ（]vmax=0.12π（1-δ）nmmaxrd。[JZ）][JY]（17）

式中：δ為履帶相對(duì)地面的滑轉(zhuǎn)率，取0.07。

液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速為：nmmax=[SX（]vmax0.12π（1-δ）rd[SX）]=[SX（]80.12×3.14×（1-0.07）×0.11[SX）]=207 r/min。

在作業(yè)工況下，行駛速度為3.5 km/h，則馬達(dá)最大作業(yè)轉(zhuǎn)速為：

nmax=[SX（]vmax0.12π（1-δ）rd[SX）]=[SX（]3.50.12×3.14×0.93×0.11[SX）]=[JP]90.8 r/min。

馬達(dá)在最大作業(yè)轉(zhuǎn)速工況下為全排量，即可推算其最大流量qm為：

[JZ（]qm=[SX（]nmaxVm1 000 ηmv[SX）]。[JZ）][JY]（18）

式中：ηmv為馬達(dá)的容積效率，取0.95。

由式（18）計(jì)算得到馬達(dá)的最大流量qm=10.56 L/min。

根據(jù)以上參數(shù)，加上整機(jī)質(zhì)量較小，因此無(wú)需設(shè)計(jì)減速機(jī)，而由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)三角履帶。最終選擇泰勒姆斯擺線式液壓馬達(dá)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

[FK（W4][HT6H][JZ]表4擺線馬達(dá)技術(shù)參數(shù)[HTSS][STBZ]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK4。3，WK5，WK3*2。2，WK5W]排量（mL/r）轉(zhuǎn)速（r/min）流量（L/min）扭矩（N·m）壓力（Bar）質(zhì)量（kg）允許背壓（Bar）

[BHDG1*2]1007427529520511.170[HT][HJ][BG）F][FK）]

4結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)主要以人工作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，相應(yīng)配套機(jī)型較少，性能較差，自動(dòng)化水平不高，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不匹配等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種履帶式四驅(qū)多功能農(nóng)用底盤(pán)，該底盤(pán)具有前中后均可懸掛農(nóng)機(jī)具、滑移轉(zhuǎn)向、底盤(pán)升降等功能。

通過(guò)對(duì)底盤(pán)的接地比壓、附著牽引力、直線行駛與轉(zhuǎn)向阻力進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，驗(yàn)證了多功能底盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)為四履帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)底盤(pán)驅(qū)動(dòng)力的理論計(jì)算提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

針對(duì)滑移轉(zhuǎn)向并參考現(xiàn)有滑移裝載機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了閉式靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)做了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算，為后續(xù)的樣機(jī)制作和零部件選型提供了依據(jù)。

[HS2]參考文獻(xiàn)：[HJ1.73mm]

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