高地隙履帶作業(yè)車的設(shè)計(jì)研究

王龍飛，趙 明，王云力，范沿沿，王寶山，王萬章

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002； 2.河南省煙草公司許昌市公司，河南 許昌 461000；3.鄭州容大科技股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視對煙草的研究。煙草的高經(jīng)濟(jì)價(jià)值歷來舉世公認(rèn)，在增加國民經(jīng)濟(jì)方面意義重大[1-2]。近年來，煙草專用機(jī)械發(fā)展迅速，其田間管理多數(shù)環(huán)節(jié)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，這些先進(jìn)的專用機(jī)械的使用，有效減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了用功投入[3-5]；但也存在著不少問題，特別是在煙葉生根后期到采摘期，對高通過性的煙草專用動(dòng)力機(jī)械研究比較薄弱[6,7]，在煙草植保、打頂、采摘環(huán)節(jié)還未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。煙葉植保、打頂、采摘環(huán)節(jié)是煙葉生產(chǎn)過程中，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)、費(fèi)工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]，嚴(yán)重制約了我國煙草規(guī)模化及機(jī)械化種植[9]。本文根據(jù)平原地區(qū)煙草種植農(nóng)藝和作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一種能夠在煙草全生育周期內(nèi)進(jìn)田作業(yè)的全液壓驅(qū)動(dòng)高地隙履帶作業(yè)車，可搭配中耕施肥、噴藥及打頂?shù)茸鳂I(yè)部件，實(shí)現(xiàn)煙草田間管理作業(yè)。

1 作業(yè)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作業(yè)車針對煙草田間作業(yè)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮煙草的種植模式、作業(yè)期作物長勢等因素，在分析現(xiàn)有高地隙作業(yè)機(jī)械研究現(xiàn)狀和煙草農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，決定采用龍門架式高地隙車架結(jié)構(gòu)、履帶式行走地盤，并充分考慮更換不同作業(yè)農(nóng)具的便捷性，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的機(jī)具掛接架。其發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓元件、電池等器件布置在兩側(cè)履帶的上方，作業(yè)車兩側(cè)履帶中心距設(shè)定為1 200mm，單側(cè)履帶及車架上方各部件最大寬度均低于450mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.液壓泵 2.發(fā)動(dòng)機(jī) 3.液壓油箱 4.履帶總成 5.液壓馬達(dá) 6.啟動(dòng)蓄電池立車架 7.電磁閥蓄電池 8.蓄能器 9.伺服閥液壓閥塊總成

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)原理

液壓原理圖如圖2所示。液壓系統(tǒng)由液壓泵、比例伺服閥、液壓馬達(dá)、電磁閥及溢流閥等組成，包括行走和作業(yè)兩個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)采用開環(huán)布置，行走和作業(yè)均由雙聯(lián)液壓泵提供動(dòng)力；行走過程中，由伺服閥控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速大小和方向，如忽略履帶車行走過程中阻力以及滑移等因素時(shí)，履帶車可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。其左側(cè)是工作部分，回路中包括一個(gè)液壓缸回路和一個(gè)液壓馬達(dá)回路，為配套的施肥鏟、噴霧藥泵及去雄刀片提供動(dòng)力。

1.三位四通電磁閥 2.二位四通電磁閥 3. 溢流閥 4.液壓馬達(dá) 5.伺服閥 6.單向閥 7.蓄能器 8.冷卻器 9.壓力表 10.過濾器 11.雙聯(lián)泵 12.二位四通電磁閥 13.液壓馬達(dá) 14.液壓缸

2.2 液壓系統(tǒng)選型計(jì)算

液壓系統(tǒng)所需要提供的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)不小于各工況下最大阻力，選取最大負(fù)載爬坡、滿負(fù)載中耕施肥作業(yè)和滿負(fù)載轉(zhuǎn)向3種工況進(jìn)行計(jì)算，以確定最大阻力，則有

FY=(m+mz)gf1+(m+mz)gf2+(m+mz)gsinα

FS=(m+mz)gf1+(m+mz)gf2+Ff

其中，α為最大爬坡角度；f1為滾動(dòng)阻力系數(shù)；f2為摩擦阻力系數(shù)；Ff為中耕作業(yè)施肥鏟阻力(N)；Fz為原地轉(zhuǎn)向阻力(N)；μmax為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；L為履帶接地長度(mm)；B為履帶中心距(mm)。

對比以上3種工況下的阻力值，選用最大阻力對液壓元件選型計(jì)算。將最大阻力值代入為行走液壓馬達(dá)所受扭矩計(jì)算公式，即

其中，Mm為單個(gè)行走液壓馬達(dá)所受扭矩(N·m)；R為驅(qū)動(dòng)輪半徑(mm)；n為行走液壓馬達(dá)個(gè)數(shù)；η1為行走液壓馬達(dá)機(jī)械效率(%)；Vm為行走液壓馬達(dá)的理論排量(mL/r)；Pm為行走液壓馬達(dá)工作壓力(MPa)；η2為液壓馬達(dá)容積效率(%)。

液壓馬達(dá)應(yīng)滿足最高行駛速度的要求，由于作業(yè)車采用遙控操作，操作者需要步行跟隨作業(yè)車，成年人步行速度約為4～7km/h，將作業(yè)車最大速度設(shè)定為1.5m/s(即5.4km/h),考慮到作業(yè)車僅靠一個(gè)液壓泵作為液壓動(dòng)輸出元件，以及液壓油路的系統(tǒng)損失和油液的泄露等，取系統(tǒng)泄漏系數(shù)為1.1。液壓泵流量計(jì)算公式為

其中，nmax為液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速(r/min)；Vm為作業(yè)車最大行駛速度(m/s)；j為液壓馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)輪間的傳動(dòng)比；Qp為液壓泵的輸出流量(mL/r)；kn為泄漏系數(shù)，Vp為液壓泵理論排量(mL/r)；nf為液壓泵轉(zhuǎn)速(r/min)；η3為液壓泵的容積效率。

3 車架強(qiáng)度仿真分析

作業(yè)車車架是作業(yè)車的主體結(jié)構(gòu)，起到安裝和承載其他零部件及連接兩側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)的作用。車架主要受到作業(yè)車零部件及作業(yè)機(jī)具質(zhì)量、作業(yè)機(jī)具工作阻力以及履帶行走機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的作用力。為驗(yàn)證作業(yè)車車架強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求，選取作業(yè)車在最大負(fù)荷狀態(tài)下拖動(dòng)作業(yè)機(jī)具作業(yè)、最大負(fù)載爬坡，以及懸掛作業(yè)機(jī)具快速轉(zhuǎn)向時(shí)3種負(fù)載工況。為簡化模型，3種工況下，車架上方作業(yè)機(jī)具液壓缸、液壓閥塊等零部件重量取值為600N，并均勻分布中間位置的上方橫車架上表面；忽略軸承與立車架導(dǎo)軌間的摩擦力和鏈條重力；使用SolidWorks軟件中的Simulation插件對其強(qiáng)度進(jìn)行校核。綜合考慮軸承型號(hào)、常見矩形管規(guī)格及定位需要，上方橫車架選用尺寸為40mm×80mm×3mm的矩形管，立車架由40mm×80mm×5mm的矩形管切去一個(gè)側(cè)面加工而成。

最大負(fù)荷狀態(tài)下拖動(dòng)作業(yè)機(jī)具作業(yè)時(shí)，車架受力包括：車架上方零部件重力、機(jī)具掛接架軸承對立車架導(dǎo)軌壓力、鏈條支撐座對后側(cè)上方橫車架壓力，以及液壓缸端部對前側(cè)上方橫車架拉力。對以鏈條和機(jī)具掛接架整體為研究對象，在常見的土壤條件、作業(yè)速度和開溝深度條件下，中耕施肥時(shí)各類開溝器阻力介于30～800N之間?？紤]到田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為提高設(shè)計(jì)可靠性，將單個(gè)施肥鏟阻力選定為900N，施肥作業(yè)時(shí)設(shè)置2個(gè)施肥鏟，因此施肥鏟總阻力為1 800N,代入數(shù)據(jù)得Ft為98N，F(xiàn)N為138.6N，F(xiàn)N1為4 500N，F(xiàn)N2為6 300N，Gz為2 940N。因此，單個(gè)鏈條支撐座對上方橫車架壓力為49N,機(jī)具掛接架單個(gè)上側(cè)軸承對導(dǎo)軌壓力為2 250N、單個(gè)下側(cè)側(cè)軸承對導(dǎo)軌壓力為3 150N，液壓缸對前側(cè)上方橫車架拉力為49N。

Ft-Gg=0

FN-2Ftcos45°=0

FN1+Ff-FN2=0

FND-GZ=0

其中，F(xiàn)t為作業(yè)工況下鏈條拉力(N)；Gg為機(jī)具掛接架質(zhì)量(kg)；FN為作業(yè)工況下上方橫車架對鏈條支撐力(N)；FN1為作業(yè)工況下機(jī)具掛接架上方兩軸承對導(dǎo)軌壓力(N)；FN2為作業(yè)工況下機(jī)具掛接架下方兩軸承對導(dǎo)軌壓力(N)；Ff為施肥鏟總阻力(N)；Lg為上下側(cè)軸承中心距(m)；LZ1為懸掛機(jī)具質(zhì)心到機(jī)具掛接架距離(m)；LZ2為施肥鏟阻力作用點(diǎn)到機(jī)具掛接架水平中心線距離(m)；GZ掛接機(jī)具質(zhì)量(kg)。

圖3 牽引工況鏈條和機(jī)具掛接架示意圖

立車架與車架安裝板接觸處設(shè)置為“固定”約束，Simulation插件中約束和負(fù)載添加情況及Simulation強(qiáng)度分析其應(yīng)力、位移如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知：車架最大應(yīng)力為73.15MPa,最大位移為0.65mm。

懸掛作業(yè)機(jī)具快速轉(zhuǎn)向時(shí)，車架所受作用力包括車架上方零部件重力、機(jī)具掛接架軸承對立車架導(dǎo)軌壓力、鏈條支撐座對后側(cè)上方橫車架壓力、液壓缸端部對前側(cè)上方橫車架拉力及履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力對車架的扭轉(zhuǎn)力。假定機(jī)具掛接架被抬升到較高的位置，上方軸承作用點(diǎn)距車架上端面距離為200mm，鏈條和機(jī)具掛接架受力示意圖如圖6所示。

圖4 施肥工況車架應(yīng)力圖

圖5 施肥工況車架位移圖

將數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式得Ft′為2 842N，F(xiàn)N′為4 019.2N，F(xiàn)N1＇和FN2＇均為7 370N。因此，單個(gè)鏈條支撐座對上方橫車架壓力為2 009.6N,機(jī)具掛接架單個(gè)上側(cè)、下側(cè)軸承對導(dǎo)軌壓力壓力均為3 685N，液壓缸對前側(cè)上方橫車架拉力為1 421N；由公式知轉(zhuǎn)向總阻力3 508.54N，每塊車架安裝板處轉(zhuǎn)向阻力取值877N。

Ft′-Gg-GZ=0

FN′-Ft′cos45°=0

FN1′-FN2′=0

其中，F(xiàn)t′為轉(zhuǎn)向工況下鏈條拉力(N)；FN′為轉(zhuǎn)向工況下上方橫車架對鏈條支撐力(N)；FN1′為轉(zhuǎn)向工況下機(jī)具掛接架上方兩軸承對導(dǎo)軌壓力(N)；FN2′為轉(zhuǎn)向工況下機(jī)具掛接架下方兩軸承對導(dǎo)軌壓力(N)。

圖6 轉(zhuǎn)向工況鏈條和機(jī)具掛接架示意圖

將中間位置上方橫車架的中部位置設(shè)為“固定”約束，兩側(cè)兩立車架與車架安裝板接觸部位設(shè)為“滾柱/滑桿”約束，以釋放其水平面內(nèi)移動(dòng)的自由度，車架上方零部件質(zhì)量按照施肥工況中簡化方法加載，應(yīng)力、位移如圖7和圖8所示。其最大應(yīng)力為116.4MPa，最大位移為0.70mm。

最大負(fù)載爬坡時(shí)，鏈條和機(jī)具掛接架受力示意圖如圖9所示。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：Ft′為2 854.8N，F(xiàn)N′為4 037.3N，F(xiàn)N1″和FN2″分別為7 426.3N和6 387.2N。因此，單個(gè)鏈條支撐座對上方橫車架壓力為2 018.7N,機(jī)具掛接架單個(gè)上側(cè)、下側(cè)軸承對導(dǎo)軌壓力分別為3 713.2N和3 193.6N，液壓缸對前側(cè)上方橫車架拉力為2 854.8N。

Ft′-Ggcos20°=0

FN1″-FN2″-Ggsin20°-GZsin20°=0

其中，F(xiàn)t″為轉(zhuǎn)向工況下鏈條拉力(N)；FN″為轉(zhuǎn)向工況下上方橫車架對鏈條支撐力(N)；FN1″為轉(zhuǎn)向工況下機(jī)具掛接架上方兩軸承對導(dǎo)軌壓力(N)；FN2″為轉(zhuǎn)向工況下機(jī)具掛接架下方兩軸承對導(dǎo)軌壓力(N)。

最大負(fù)載爬坡時(shí)，車架所受負(fù)載與轉(zhuǎn)向時(shí)所受負(fù)載相似，但車架安裝板處不施加載荷，添加的約束與施肥工況相同。其應(yīng)力位移圖如圖10、圖11所示，最大應(yīng)力為107.5MPa、最大位移為1.33mm。

圖7 轉(zhuǎn)向工況車架應(yīng)力圖

圖9 爬坡工況鏈條和機(jī)具掛接架示意圖

圖10 滿負(fù)載爬坡車架應(yīng)力圖

圖11 滿負(fù)載爬坡車架位移圖

綜合以上3種極限工況，車架最大應(yīng)力為116.4MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況機(jī)具掛接架下側(cè)軸承與導(dǎo)軌接觸處，小于材料的屈服強(qiáng)度235MPa，車架不會(huì)產(chǎn)生塑性變形或者斷裂；最大位移為1.33mm，出現(xiàn)在滿負(fù)載爬坡工況作業(yè)機(jī)具液壓缸與車架鉸接處，位移變化較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由計(jì)算及仿真過程可知：作業(yè)車機(jī)具掛接架軸承應(yīng)力較大，且其受力大小受掛接機(jī)具質(zhì)量、重心距掛節(jié)點(diǎn)長度等因素影響較大。此外，考慮的作業(yè)車作業(yè)環(huán)境惡劣，各零部件常處在交變載荷下，因此在后期掛接機(jī)具設(shè)計(jì)及使用過程中，需要著重考慮作業(yè)機(jī)具質(zhì)量、重心距掛節(jié)點(diǎn)距離等因素，選用強(qiáng)度較大的軸承，并對軸承做強(qiáng)度校核和定期檢查。

4 樣機(jī)行走試驗(yàn)

為驗(yàn)證該履帶車負(fù)載行駛跑偏量，依據(jù)GB/T 15370.4-2012 《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件第4部分:履帶拖拉機(jī)》中規(guī)定，對履帶車進(jìn)行直線型樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)在較為平整的水泥地上進(jìn)行，履帶車上裝兩種不同質(zhì)量的配重，取50m為行駛距離，期間履帶車行駛速度約為1.5m/s，左右跑偏量均按正值，其中跑偏量公式為

其中，ξ為偏移率(%)；△S為跑偏量(m)；S為標(biāo)定距離(m)。

行駛過程中，空載、負(fù)載1、負(fù)載2，分別做3次行走試驗(yàn)取平均值。其行走效果如表1所示。

表1 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)可以看出：3種情況下履帶車的平均偏駛率為4.12%、4.28%、4.62%，此偏駛率滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，作業(yè)車采用伺服閥控制方案可行。履帶車的偏駛率隨著負(fù)載的增加而逐漸增大，這是由于履帶車本身的結(jié)構(gòu)以及安裝形式?jīng)Q定的，要使履帶車能夠完成玉米田間管理作業(yè)，需對履帶車的負(fù)載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)而確定履帶車在不同的負(fù)載量下行駛的狀態(tài)。

5 結(jié)論

1)履帶車采用龍門架的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)于煙草田間跨壟作業(yè)，能較好地滿足煙草生長全程的田間管理作業(yè)需求。

2)采用伺服閥來控制履帶車行走大大簡化了履帶車的液壓系統(tǒng)，增加了履帶車的可控性，便于搭載各種傳感器系統(tǒng)對履帶車的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，提高了履帶車控制的靈活性。

3)試驗(yàn)表明：履帶車在空載、負(fù)載1、負(fù)載2的狀態(tài)下行走滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，該履帶行走方案可行，可為后期的噴霧、施肥、去雄等作業(yè)部件的設(shè)計(jì)和制作提供一定的理論依據(jù)。