袁永偉+弋景剛+吳紅雷+孔德剛+劉江濤

摘要：針對國內(nèi)設施農(nóng)業(yè)主要以人工作業(yè)為主、勞動強度大、相應配套機型較少、性能較差、自動化水平不高、農(nóng)機農(nóng)藝不匹配等問題，提出一種前中后均可懸掛農(nóng)機具、離地間隙可調(diào)、履帶式行駛系的多功能農(nóng)用底盤，該底盤集滑移轉(zhuǎn)向、底盤升降、全液壓驅(qū)動等技術(shù)于一體。為滿足底盤的功能要求，該底盤采用四履帶獨立驅(qū)動系統(tǒng)，通過對行駛工況下的動力學分析，驗證了底盤的接地比壓，計算了附著牽引力、直線行駛與滑移轉(zhuǎn)向阻力；對行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)進行了設計，確定了液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)。本課題致力于設計的多功能底盤，能夠促進設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高設施農(nóng)業(yè)機械化水平，進一步降低農(nóng)民的勞動強度。

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

中圖分類號： S224.4文獻標志碼： A[HK]

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

收稿日期：2016-09-23

基金項目：河北省科技支撐計劃（編號：15227209D）。

作者簡介：袁永偉（1987—），男，河北任丘人，碩士，助教，主要從事機械設計及機電一體化相關(guān)教學與科研。E-mail：yyw0314@126.com。

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

[ZK）]

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從20世紀90年代中期開始，中國設施產(chǎn)業(yè)中的設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]。中國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展在面積規(guī)模上大，但自動化水平、機械化程度比較低，主要依靠人工，勞動強度大。動力機械及配套機具已是現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)不可缺少的重要裝備[2]?，F(xiàn)有的溫室作業(yè)機具的底盤行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜，轉(zhuǎn)彎半徑大，作業(yè)不夠靈活，作業(yè)效率低。設施農(nóng)業(yè)機械化技術(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，溫室作業(yè)的機械化問題日益突出顯現(xiàn)。

該項目的實施一方面使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)得到改造，開發(fā)出新型農(nóng)用車底盤，促進設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高資源利用率；另一方面，本課題致力于設計一款在底盤的前、中、后均可懸掛農(nóng)機具的通用底盤，改變設施機械化程度低、勞動強度大的現(xiàn)狀，提高設施農(nóng)業(yè)機械化水平。

1多功能底盤總體結(jié)構(gòu)設計

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

多功能底盤結(jié)構(gòu)主要包括三角履帶組、雙扭平行四連桿獨立懸架、車架主體結(jié)構(gòu)、發(fā)動機、靜液壓傳動系統(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多功能底盤功能

設施農(nóng)用四驅(qū)多功能作業(yè)底盤可以實現(xiàn)直線行駛、滑移轉(zhuǎn)向、底盤升降等運動形式，操作者可以在操作臺實現(xiàn)對整機功能的所有操作。行走系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動，操作者通過控制其左右兩側(cè)的4個三角履帶組，可以實現(xiàn)直線前進與倒退；控制左右兩側(cè)履帶的差速，可以實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)向、向右轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向。底盤升降系統(tǒng)采用由液壓缸作驅(qū)動的雙扭平行四連桿獨立懸架，操作者通過控制4個升降液壓缸的伸縮可以實現(xiàn)底盤的垂直升降、傾斜升降等動能。底盤前、中、后均可懸掛農(nóng)機具，懸掛方式分別為裝載機連桿作業(yè)臂式、橫梁固定式、三點懸掛式，其工作裝置的驅(qū)動力均為液壓動力，本研究對農(nóng)機具的懸掛和驅(qū)動暫不作設計，只是對其車架前中后留出安裝空間，液壓系統(tǒng)預留出相應管路接口。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)設施農(nóng)業(yè)農(nóng)藝參數(shù)對底盤功能的要求，經(jīng)理論分析初步確定的底盤技術(shù)性能參數(shù)見表1。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1行駛阻力分析

2.1.1底盤行駛系接地比壓的驗算

查閱有關(guān)履帶式底盤文[CM（25]獻發(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為單個履帶接地寬度，mm；L為單個履帶接地長度，mm。

由式（1）計算得到本底盤的接地比壓值約為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入地面對土壤擠壓的反力產(chǎn)生的附著力。為簡化附著力計算[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)見表2。由此估算出，該多功能底盤在干路面上行駛時，最大附著力為 12 800 N。

2.1.3直線行駛時受力情況

直線行駛時單個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關(guān)的土壤參數(shù)。在初步計算驅(qū)動力大小時，采用估算的方法。即：

[JZ（]F1=fmg。[JZ）][JY]（4）

式中：f為滾動阻力系數(shù)（表3）。

由于本課題設計的多功能底盤通過的路面多細沙土或松軟沙質(zhì)土，故f取0.10，估算可得，外部滾動阻力為1 280 N。

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

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

2.1.4滑移轉(zhuǎn)向時驅(qū)動力計算

估算轉(zhuǎn)向受力時，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)向方式計算，此時轉(zhuǎn)向半徑等于零。此時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）]

設單履帶接地長度為y，受到的阻力為x，履帶接地單位長度上阻力為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摩擦系數(shù)，取0.7。

則單條三角履帶相對轉(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)動力為：F=[SX（]Fz4[SX）]=[SX（]3 3663.74[SX）]=841.68 N。

2.1.5牽引力的計算

多功能底盤實現(xiàn)正常啟動和行駛，四履帶驅(qū)動力必須大于或等于各阻力之和（本底盤的設計速度較低，忽略空氣阻力和加速阻力，只考慮滾動阻力和爬坡阻力）。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為履帶傳動效率，取值0.95；Mk為履帶驅(qū)動齒輪輸出力矩，N·m；rd為驅(qū)動齒輪動力半徑，mm；α為路況坡度角，取值20°；f為滾動阻力系數(shù)。

底盤滿載作業(yè)時，在坡道行駛時需要的驅(qū)動力最大，因此底盤的最大牽引力應滿足下式：

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

計算得Fqmax=5 469 N。

3行駛液壓系統(tǒng)設計

3.1行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)的設計

本研究提出的多功能底盤，行走系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動閉式回路、雙向變量泵、低速大扭矩馬達。無需設置行車和駐車制動裝置，只需將與行走液壓馬達相連的液壓泵斜盤處于中位狀態(tài)，則液壓泵不供油，馬達停止轉(zhuǎn)動，達到停車制動和駐車制動目的。全液壓傳動具有占用空間小、結(jié)構(gòu)布置方便等優(yōu)點；但缺點是4個三角履帶的傳動比及同步性不易準確控制。因此，液壓傳動系統(tǒng)需要合理的設計。

閉式液壓系統(tǒng)：變量泵的進油管與驅(qū)動馬達的出油口相連，變量泵的高壓油口與馬達的進油口相連，液壓油在系統(tǒng)管路中循環(huán)。其優(yōu)點是空氣不易滲入，無換向閥，傳動較平穩(wěn)，液壓沖擊和能量損失較??；管路較少，布置方便。但是閉式系統(tǒng)較開式系統(tǒng)復雜，需要另設一個定量補油泵和油箱為閉式系統(tǒng)補油和改善長期循環(huán)的液壓油質(zhì)量。借鑒現(xiàn)用滑移裝載機液壓系統(tǒng)[9-11]，最終確定的行走驅(qū)動液壓系統(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)動液壓傳動系統(tǒng)采用2個大排量雙向變量液壓泵（1）和1個小排量補油泵（9），三泵串聯(lián)。2個大排量雙向變量液壓泵（1）將壓力油供給液壓馬達（6）后轉(zhuǎn)換為機械能，由液壓馬達（6）直接驅(qū)動三角履帶；補油泵（9）補充行走液壓系統(tǒng)滲漏造成的油液損失，同時通過多路閥供給液壓油缸等液壓執(zhí)行元件和為先導控制油路提供控制所需壓力油。

先導控制閥由4個先導閥集成，可由操作手柄控制上的按鈕控制。手動按下不同先導閥的觸頭，對應先導閥得電，壓力油到達伺服缸的內(nèi)腔，控制雙向變量液壓泵的轉(zhuǎn)速與方向。按下先導閥A的觸頭，兩側(cè)雙向變量液壓泵轉(zhuǎn)速同時增加，直行加速；按下先導閥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；按下先導閥D的觸頭，兩側(cè)雙向變量液壓泵同時減速，直行減速。

行走控制電磁閥（12）和駐車制動電磁閥（13）分別在行走和執(zhí)行作業(yè)時相應得電，起到安全保護作用。

雙向定量馬達內(nèi)部集成沖洗閥（7）和背壓閥（8），沖洗閥（7）的開啟由雙向定量馬達進出油口壓差決定，其中進油口為負載壓力，出油口為補油背壓閥（5）的設定值，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液壓馬達負載轉(zhuǎn)矩計算

本設計采用4條三角履帶全驅(qū)，取底盤總阻力的30%作為單條三角履帶的驅(qū)動阻力計算，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)動齒輪輸出扭矩Mk和馬達負載扭矩Mm的關(guān)系：

[JZ（]Mknk=Mmnmηm。[JZ）][JY]（15）

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

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

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

3.4液壓馬達參數(shù)計算

對于液壓驅(qū)動系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的工作壓力是設定中最重要的參數(shù)之一，多功能底盤屬于農(nóng)用機械，液壓馬達的工作壓力設定值為12 MPa。液壓馬達的主要性能參數(shù)包括輸出扭矩、排量、轉(zhuǎn)速、工作壓力4個基本參數(shù)，下面就本多功能底盤的液壓驅(qū)動系統(tǒng)對各參數(shù)進行計算確定。

液壓馬達排量的計算公式：

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

式中：Δp為馬達進出口壓差，取12 MPa；ηmm為馬達的機械效率，取0.9。

計算可得液壓馬達的排量：Vm=110.5 mL/r。

液壓馬達的最大轉(zhuǎn)速即底盤最高行駛速度工況，底盤最大行駛速度：

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

式中：δ為履帶相對地面的滑轉(zhuǎn)率，取0.07。

液壓馬達的最大轉(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為馬達的容積效率，取0.95。

由式（18）計算得到馬達的最大流量qm=10.56 L/min。

根據(jù)以上參數(shù)，加上整機質(zhì)量較小，因此無需設計減速機，而由液壓馬達直接驅(qū)動三角履帶。最終選擇泰勒姆斯擺線式液壓馬達，主要技術(shù)參數(shù)見表4。

[FK（W4][HT6H][JZ]表4擺線馬達技術(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

針對國內(nèi)設施農(nóng)業(yè)主要以人工作業(yè)為主，勞動強度大，相應配套機型較少，性能較差，自動化水平不高，農(nóng)機農(nóng)藝不匹配等問題，設計了一種履帶式四驅(qū)多功能農(nóng)用底盤，該底盤具有前中后均可懸掛農(nóng)機具、滑移轉(zhuǎn)向、底盤升降等功能。

通過對底盤的接地比壓、附著牽引力、直線行駛與轉(zhuǎn)向阻力進行詳細分析計算，驗證了多功能底盤驅(qū)動系統(tǒng)設計的合理性，同時為四履帶獨立驅(qū)動底盤驅(qū)動力的理論計算提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

針對滑移轉(zhuǎn)向并參考現(xiàn)有滑移裝載機技術(shù)設計了閉式靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)，對行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)做了嚴謹?shù)脑O計計算，為后續(xù)的樣機制作和零部件選型提供了依據(jù)。

[HS2]參考文獻：[HJ1.73mm]

[1][ZK（#]郭世榮，孫錦，束勝，等. 我國設施園藝概況及發(fā)展趨勢[J]. 中國蔬菜，2012（18）：1-14.

[2]秦國成，秦貴，張艷紅. 設施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012（3）：8-11.

[3]王恒一，鄒雪劍，王濤. 我國設施農(nóng)業(yè)機械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2015（2）：61-62.

[4]蒲宏武，邢俊文，孟祥政，等. 基于RecurDyn的履帶式三角形車輪通過性仿真研究[J]. 湖南理工學院學報（自然科學版），2013，26（2）：24-27.

[5]唐經(jīng)世. 工程機械底盤學[M]. 成都：西南交通大學出版社，2011.

[6]吳朋濤. 履帶拖拉機液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設計[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2013.

[7]陳蝶，胡永彪. 四履帶驅(qū)動車輛附著牽引性能分析[J]. 西安公路交通大學學報，1999，19（3）：97-100.

[8]蔡崗礎. 油茶果采摘機三角橡膠履帶輪底盤的設計與力學分析[D]. 長沙：中南林業(yè)科技大學，2014.

[9]范斌. 滑移裝載機行走閉式液壓系統(tǒng)研究[D]. 長春：吉林大學，2011.[ZK）]

[10][ZK（#]劉勃良. 滑移裝載機行走系統(tǒng)功率特性研究[D]. 長春：吉林大學，2015.

[11]胡昌云. 滑移裝載機液壓系統(tǒng)分析與設計[D]. 上海：上海交通大學，2011.endprint