煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的研制

范沿沿 張幸博 李建華 林智宗

1、河南省煙草公司許昌市公司煙葉生產(chǎn)技術(shù)中心 2、許昌同興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司

煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的研制

范沿沿1張幸博1李建華1林智宗2

1、河南省煙草公司許昌市公司煙葉生產(chǎn)技術(shù)中心 2、許昌同興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司

本文研制了一種煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車，更大程度克服煙葉生產(chǎn)周期性強(qiáng)、環(huán)節(jié)多造成的煙草機(jī)械動(dòng)力浪費(fèi)、適應(yīng)性差和閑置問題。其結(jié)構(gòu)主要包括多功能作業(yè)平臺(tái)車車身和升降懸掛部分，傳動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，利用catia對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)建模仿真，為煙草機(jī)械功能整合提供了參考。

煙草；多功能；機(jī)械；液壓

引言

煙草機(jī)械化生產(chǎn)是促進(jìn)煙葉生產(chǎn)技術(shù)水平提升的重要手段，是降低勞動(dòng)成本、減少畝均用工量的重要措施。煙草種植可分為兩個(gè)階段，工廠化育苗和大田管理。工廠化育苗階段需要人工操作的環(huán)節(jié)有育種育苗、剪葉，大田管理階段需要人工操作的環(huán)節(jié)有起壟、移栽、覆膜、中耕培土、植保、打頂、采收、拔稈等幾個(gè)環(huán)節(jié)[1]。工廠化育苗階段環(huán)節(jié)的操作幾乎被機(jī)械替代，代表的機(jī)器有煙葉裝盤播種機(jī)、多功能跨池剪葉機(jī)。大田管理階段除了打頂抑芽、煙葉采收環(huán)節(jié)沒有普及機(jī)械化外，其余環(huán)節(jié)市場上都有成熟的專用機(jī)械。

煙葉生產(chǎn)周期性強(qiáng)，大田管理環(huán)節(jié)多，煙草機(jī)械出現(xiàn)動(dòng)力浪費(fèi)、適應(yīng)性差和閑置的問題。煙株大田生長高度變化大，從移栽后距離地面0.1米左右，到后期成熟后1.7米左右，導(dǎo)致很多煙草機(jī)械通過性差，不能適應(yīng)煙葉不同時(shí)期的作業(yè)要求，造成煙草機(jī)械閑置。為了解決這個(gè)問題，研制一種多功能作業(yè)平臺(tái)車，目的在于整合多種煙草機(jī)械作業(yè)功能。

1 設(shè)計(jì)思路

為更大程度克服煙草機(jī)械的周期性、適應(yīng)性和降低功耗等問題，利用catia進(jìn)行煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的模塊化設(shè)計(jì)[2]，如圖1。即設(shè)計(jì)一種新型低功耗的高地隙多功能作業(yè)平臺(tái)車，通過懸掛能夠掛載移栽[3]、覆膜、中耕、培土、植保、拔稈等低功耗環(huán)節(jié)的煙草機(jī)械。車輛行走速度在1～10km/h之間，發(fā)動(dòng)機(jī)為20馬力汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，整車具有1km/h的低速，保證移栽、覆膜、培土等良好的作業(yè)效果。

2 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的結(jié)構(gòu)原理

煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的基本車身結(jié)構(gòu)為高地隙作業(yè)平臺(tái)車。車身最低處距離地面860mm，輪距為1000mm，能夠滿足煙草種植農(nóng)藝要求。多功能作業(yè)平臺(tái)車整合了六大功能[4]，分別為移栽、覆膜、中耕、培土、植保、拔稈等。其結(jié)構(gòu)分為兩部分，車身部分和后動(dòng)力輸出部分。車身部分包括車身機(jī)行走、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力及液壓傳動(dòng)、機(jī)架等[5]，后動(dòng)力輸出部分包括液壓升降懸掛及升降裝置、液壓動(dòng)力輸出馬達(dá)，如圖2。

圖2 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車組成圖

3 機(jī)架的設(shè)計(jì)

圖3 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的機(jī)架結(jié)構(gòu)

煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于機(jī)架設(shè)計(jì)。機(jī)架的設(shè)計(jì)要考慮整車在煙葉生產(chǎn)過程中的煙田通過性，特別是植保環(huán)節(jié)，煙株正處于旺長期，煙株高度變化大。到中期植保，煙株生長高度會(huì)達(dá)到500～700mm。煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車要保證通過性，車身底部離地高度不能少于700mm。另外還要考慮整車的節(jié)能因素，要盡量降低機(jī)架的自身重量，降低車輛油耗，減少不必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)架設(shè)計(jì)如圖3，上部主要為兩個(gè)縱向的承重件和五個(gè)橫向的承重件，外圍主要安裝其他結(jié)構(gòu)如外殼、發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、液壓傳動(dòng)部分等的支撐架。下部為兩個(gè)縱向承重件、附件安裝支架和輪胎的安裝機(jī)構(gòu)。中間部分為上下承重件的連接件，也是保證煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車良好通過性的主要設(shè)計(jì)。

4 機(jī)架的有限元分析

4.1 機(jī)架的3D建模

本文運(yùn)用建模軟件catia對(duì)煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車進(jìn)行建模，并對(duì)主要結(jié)構(gòu)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析。catia的建模功能比較強(qiáng)，其建模的主要優(yōu)勢是曲面建模，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用幫助非常大。其仿真分析功能使用比較方便，在進(jìn)行載荷應(yīng)力分析時(shí)，可以根據(jù)需求在點(diǎn)、線、面上施加力和力矩，在幾何體上定義重力；最后可以輸出比較直觀的“幅值”圖；載荷可以依照需要來變化，并可以跟隨物體的運(yùn)動(dòng)，來計(jì)算大的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了做好有限元分析，在catia里需要對(duì)裝配體進(jìn)行一定運(yùn)算。機(jī)架的3D建模如圖3，catia有限元分析需要對(duì)零件幾何體（partbody）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但是裝配體是不能抓取的。本文運(yùn)用布爾運(yùn)算，將機(jī)架的所有零件添加到了partbody。

4.2 網(wǎng)格劃分

多功能作業(yè)平臺(tái)車機(jī)架的材料選擇為冷軋方管，材質(zhì)為普碳鋼Q235。在catia的材料庫里選擇相對(duì)應(yīng)的材料，以大小為20mm的四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4.3 系統(tǒng)約束

在多功能作業(yè)平臺(tái)車機(jī)架工作過程中，其輪胎安裝機(jī)構(gòu)和下部承重件輕微的上下位移，基本保持不動(dòng)。在添加系統(tǒng)約束時(shí)，可以看作將機(jī)架的下部承重固定不動(dòng)，自由度為0。

4.4 載荷條件

車架受力主要為4個(gè)主要部分。第一個(gè)為機(jī)架后半部所承載所有機(jī)構(gòu)的重量以及駕駛員的部分重量,第二個(gè)為機(jī)架上前半部車身重量和駕駛員的部分重量，第三個(gè)部分為機(jī)架外圍附件支撐架的承載重量，第四部分為輪胎傳動(dòng)軸對(duì)其安裝機(jī)構(gòu)的斜向上的壓力。

4.5 有限元的分析結(jié)果

在catia的仿真結(jié)果，可以顯示有限元分析的應(yīng)力圖和位移圖。輸出的應(yīng)力圖為馮米斯應(yīng)力圖，輸出的位移圖為變形位移圖。根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)可以直觀地看到結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力變化和位移變化，為設(shè)計(jì)提供參考。多功能作業(yè)平臺(tái)車的馮米斯應(yīng)力圖如圖4。

圖4 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的應(yīng)力圖

由圖可知，多功能作業(yè)平臺(tái)車機(jī)架的上部前端、輪胎安裝位置和下部承重件前段為主要的最大應(yīng)力位置。在第二代煙草多功能作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該優(yōu)先考慮這三個(gè)主要受力區(qū)域，在設(shè)計(jì)中增加縱向的支撐件，保證機(jī)架的承載能力。

圖5 第二代煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的機(jī)架圖

圖6 第二代煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的機(jī)架位移圖

煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車機(jī)架第二代在第一代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5，增加了前半部分的承重件。優(yōu)化后，進(jìn)行有限元分析得出機(jī)架變形位移圖，如圖6?？梢钥闯?，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)位移變形量比較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。最后根據(jù)設(shè)計(jì)，完成了打樣生產(chǎn)。

5 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車的傳動(dòng)系統(tǒng)

多功能作業(yè)平臺(tái)車的動(dòng)力為20馬力的汽油機(jī)，傳動(dòng)部分為全液壓驅(qū)動(dòng)，液壓圖如圖7。液壓動(dòng)力傳動(dòng)分為兩路，一路為柱塞泵和手動(dòng)換向閥控制的行走部分；一路為雙聯(lián)齒輪泵控制的轉(zhuǎn)向和液壓懸掛部分，其中轉(zhuǎn)向部分，轉(zhuǎn)向器控制轉(zhuǎn)向油缸控制方向盤轉(zhuǎn)向[6]，液壓懸掛部分，分流閥控制液壓懸掛升降液壓缸和液壓動(dòng)力輸出馬達(dá)。

圖7 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車液壓示意圖

圖8 煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車樣車

6 結(jié)論

通過將煙草大田管理專用機(jī)械進(jìn)行模塊化整合設(shè)計(jì)，利用catia進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)和裝配，完成了煙草多功能平臺(tái)作業(yè)車的研發(fā)（圖8）。在試驗(yàn)田試驗(yàn)時(shí)，多功能平臺(tái)車達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，得到了現(xiàn)場人員的肯定。從試驗(yàn)情況看，此煙草多功能作業(yè)平臺(tái)車在實(shí)際使用中，操作方便，能夠掛載起壟、覆膜、移栽、培土、植保、拔稈等煙草機(jī)械，能夠降低畝均用工，降低生產(chǎn)投入。

[1]程功,王滿.豫中煙葉生產(chǎn)專用農(nóng)機(jī)的篩選試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2014(04)∶49～51.

[2]張曉東.基于CATIA的應(yīng)用開發(fā)研究[J].航空計(jì)算技術(shù),1999(04)∶6～9.

[3]崔嵬,劉雙喜,高麗娟等.2ZFS-1A型多功能煙草移栽機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(26)∶202～207.

[4]孫恒,陳作模.機(jī)械原理[M].北京∶高等教育出版社,2000.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[6]左建民.液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

范沿沿，男，1988年出生，河南虞城人，碩士，研究方向：煙草農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)。

河南省煙草公司許昌市公司科技項(xiàng)目（XYKJ2015M07）。