丘陵山地履带式多功能底盘的设计

2021-11-09周汉林陈中武黄雄辉

现代农业装备 2021年5期

周汉林，刘华，陈中武，何林，黄雄辉，张轩

（广东省现代农业装备研究所，广东广州 510630）

0 引言

我国丘陵山地分布广阔，占国土面积的 2/3 以上，据有关资料统计，平原地区仅占我国土地资源的34%左右，全国有 19 个省份（包含台湾地区）50%以上的辖区是山地丘陵[1]。同时，我国的耕地主要集中在高原、山地和丘陵地区，山区粮食产量及油料作物产量均占全国总产量的 1/2 左右[2-3]。由于丘陵山地地形复杂、地面坡度大、形状不规则，目前适合丘陵山地使用的农业机械非常少，主要依靠人工作业，劳动强度大，机械化程度比较低。针对丘陵山区林果种植环境农机作业难度大的问题，基于多功能、轻型化、适应性好的设计思路，设计一种多功能轻型底盘，具有坡地自适应调平、农机具姿态自动调整等功能，可配置运输、除草、旋耕、打药等多种农机具作业[4]，在一定程度上解决了丘陵山地农业机械在行驶、作业过程中存在的操作难度大、作业质量差等问题，提高了我国丘陵山地农业机械的作业质量和安全性。

1 总体布置

1.1 总体结构

丘陵山地自适应多功能底盘采用橡胶履带行走机构[5]，底盘轨距750 mm。动力采用双缸柴油机，功率为14 kW，柴油机安置在机架前端，这样机架的中后端可以有足够的位置安装运输、喷药和其他农机具。柴油机横向布置，方便对各种农机具进行动力传递。行走机构采用双联变量泵、双液压马达的全液压驱动结构。柴油机用皮带带动双联泵，双联泵通过油管与马达相连。由于本底盘采用全液压驱动方式，没有行走变速箱占用的空间位置，使整机的布置更紧凑，如图1 所示。

图1 多功能底盘总体结构

柴油机动力分成三路：一路带动双联变量泵驱动底盘行走，一路带动液压泵为自动调平或农机具的升降油缸供油，还有一路通过过渡传动或直接为农机具提供动力。

1.2 技术参数

多功能底盘的技术参数如表1 所示。

表1 机器技术参数

2 履带行走机构

履带行走机构由底盘机架、液压驱动系统、橡胶履带、支重轮、导向轮等组成[6]。液压驱动系统包括双联泵、液压马达和控制部分。液压马达固定在底盘机架上，其输出轴安装有履带驱动轮，通过驱动轮带动履带行走。采用宽为200 mm、节距为72 mm、41 节的橡胶履带，底部设置4 组支重轮，由导向轮调节履带的松紧。履带底盘的行走速度由变量泵的流量来控制，通过控制变量泵的输入油量和方向来控制液压马达的转速和正反转，实现履带底盘的前进、后退和转向。由于2 个液压马达是由双联泵分别控制，在转弯时两边履带可以1 个前进、1 个后退，所以行走底盘可以原地转向。

2.1 履带缠绕约束设定

多功能底盘的质量约300 kg，加上机具或运输质量，其行走质量在600 kg 左右。其最大行走功率为

式中：

N行——行走功率，kW；

G——整机质量，kg，本机按600 kg 计算；

f——履带滑动阻力系数，取0.2；

v——行走速度，m/s，取1.39；

η——传动效率，包括皮带传动、液压传动的传动效率，本机约为0.7。

计算可得N行=2.33 kW，本底盘的柴油机功率约14 kW，行走功率不到总功率的20%，农机具可用功率占80%，功率分配比较合理。

2.2 液压系统的选用

多功能底盘的行走机构采用全液压驱动，由双联变量泵和液压马达组成。发动机动力通过皮带传递给双联泵，双联泵再通过油管分别输送到液压马达，由液压马达带动驱动轮驱动履带行走。

履带行走阻力包括内部阻力和外部阻力。

内部阻力主要有：①支重轮、导向轮转动时轴承、密封件内部产生的摩擦力；②支重轮在履带上的滚动摩擦力；③驱动轮与履带铁齿啮合时的摩擦力等。一般履带内摩擦阻力系数f1为0.05～0.07。

履带的外部阻力主要是地面土壤由于受到履带挤压而产生的变形阻力。这是履带行驶阻力的主要部分。其滚动阻力系数与土壤的性质直接相关，不同土质路面的滚动阻力系数如表2 所示。

表2 滚动阻力系数

履带正常行走的行走阻力F为

式中：

f1——内摩擦阻力系数，取0.07；

f2——滚动阻力系数，取0.15；

m——机器质量，kg，取600。

其行走阻力为

F＝（f1+f2)·m·g=（0.17+0.15)×600×9.8=1 294 N

本行走驱动轮的节距为72 mm，10 个齿，其节圆直径为230 mm，半径为115 mm，所以驱动轮的驱动扭矩为

考虑到实际作业环境经常要在坡地行走，机器在上坡和转弯时的阻力要大于正常行走阻力，同时还考虑要有一定的储备功率，故选用输出扭矩为300 N·m、排量为160 mL/r 的液压马达，以适应复杂工况条件，满足多功能底盘的行走要求。

考虑到本多功能底盘最大速度为5 km/h，约1.39 m/s，要达到这个速度，驱动轮的转速为

选择双联泵的排量为12 mL/r，液压马达的容积效率按70%计算，多功能底盘要达到最大速度，双联泵的输入转速为

由于发动机的转速为3 000 r/min，柴油机通过皮带带动双联泵工作，皮带轮传动比为1.36，故选用一级皮带传动。

3 底盘多功能的实现

多功能底盘是集成各种农具的基本单元。农机具根据其功能和传动特点，可以设计成不同的功能模块和传动模块，用螺栓与多功能底盘联接。多功能底盘可以集成运输、除草、旋耕、喷药等多个农机具。

3.1 车架调平系统

车架调平系统由调平机架、调平控制器、倾斜检测装置和调平执行机构等组成。调平执行机构采用液压驱动方式，由电磁液压阀控制油缸的伸缩[8]，通过油缸推动调平机架进行自动调平，如图2 所示。倾斜检测装置采用姿态角度传感器，角度传感器安装在调平机架上，可以设置报警阈值，在调平机架发生倾斜时能及时发送信号。调平控制器接收信号后进行计算校正，过滤掉瞬间的起伏无效信号，向执行机构输出校正过的有效执行信号，从而完成自动调平动作。车架调平系统可实现横向和纵向2 个方向在150°斜坡上的调平，横向和纵向的调平可以组合操作，也可以单独操作，从而满足不同农机具的需求。

图2 车架调平系统

3.2 多功能底盘与旋耕机的集成

旋耕机的集成模块由过渡传动、旋耕机、液压升降装置、操纵装置等组成，如图3 所示。旋耕机工作幅宽约800 mm，安装在底盘的后面。旋耕刀轴转速约280 r/min，旋耕机传动箱输入转速约1 250 r/min，所以柴油机到传动箱的传动比为3 000/1 250=2.4。根据传动比和过渡传动的传动路线，采用2 级皮带传动就能达到传动要求。旋耕机动力离合采用皮带松紧传动方式，安全可靠。旋耕机的升降采用液压升降形式，考虑到耕深的稳定性，液压油缸采用双作用油缸，使旋耕机不会随地型变化上下起伏，保证作业质量。操作上可以采用乘座式人工操作，也可以配置遥控操作。

图3 多功能底盘与旋耕机的集成

3.3 多功能底盘与除草机的集成

除草机与多功能底盘的集成与旋耕机相似。集成模块也是由过渡传动、液压升降装置、操纵装置和除草机等组成，如图4 所示。由于除草机与旋耕机的工作原理不一样，所以除草机的传动模块和液压升降装置都不同。除草机工作幅宽约800 mm，采用锤片式刀片，除草刀轴转速约2 800 r/min，所以柴油机到除草机的传动比为3 000/2 800=1.07。根据柴油机与除草机的相对位置，采用2 级皮带传动，其动力的离合采用皮带松紧传动方式。由于除草机在工作时刀片不能碰到地面，所以除草机采用限位轮进行限位和对地面仿形，同时液压升降采用单作用油缸，保证除草机工作时处于浮动状态。操作上可以用手柄人工操作，也可以配置遥控操作。

图4 多功能底盘与除草机的集成

3.4 多功能底盘与喷药设备的集成

喷药设备的集成模块由柱塞泵、药箱、过渡传动装置、操纵装置等组成，如图5 所示。柱塞泵安装在柴油机后面，位于底盘偏前的位置，方便动力传递。柱塞泵的输入转速约900 r/min，所以柴油机到柱塞泵的传动比为3 000/900=3.33。根据传动比和过渡传动的传动路线，采用2 级皮带传动就能达到传动要求。药箱容积约300 L，长度约800 mm。药箱安装在柱塞泵后面，方便喷药胶管的安放和喷药操作。在喷药设备集成后，整机的重心较为合理。