呂　瑩，張　靜，李志偉

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云浮　527200；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州　510642）

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前橋擺轉(zhuǎn)式四輪底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)理研究

呂瑩1，張靜2，李志偉2

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云浮527200；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州510642）

摘要：四輪底盤在小地塊水田作業(yè)時(shí)，減少地頭空行轉(zhuǎn)彎時(shí)間是提高作業(yè)時(shí)間利用率的重要環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)四輪底盤小半徑轉(zhuǎn)彎，以提高水田播插底盤作業(yè)率為主要研究目標(biāo)，對(duì)四輪底盤在90°、180°等不同轉(zhuǎn)彎形式下進(jìn)行分析，得出適合小地塊水稻播插作業(yè)時(shí)以較小轉(zhuǎn)彎半徑的轉(zhuǎn)彎方式；前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤在轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)控制前橋驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使前驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)圍繞著轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，可以帶動(dòng)底盤以任意角度轉(zhuǎn)向。采用ADAMS軟件對(duì)四輪底盤后輪軌跡進(jìn)行模擬，在確保后輪完全不吃入已完成作業(yè)區(qū)的倒U轉(zhuǎn)彎方式的情況下，提出設(shè)計(jì)前橋擺轉(zhuǎn)式四輪底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：四輪底盤，轉(zhuǎn)向，前橋擺轉(zhuǎn)式，小轉(zhuǎn)彎半徑

0　前言

由于水田對(duì)土地平整度要求比較高，田塊面積增大時(shí)會(huì)增加平整的難度，故水田耕作地塊面積一般都比較小，特別是山區(qū)丘陵因地形影響，田塊大多小于0.133 hm2（2畝），還有很多0.067 hm2（1畝）以下的小田塊。不規(guī)整的小塊水田對(duì)田間作業(yè)機(jī)械機(jī)動(dòng)性與操縱性要求較高，轉(zhuǎn)彎半徑大的水田機(jī)械不能滿足要求，限制了水田機(jī)械的推廣應(yīng)用，使得大部分地區(qū)的水田機(jī)械化程度不高，特別是水稻播插機(jī)械化水平難以提高，嚴(yán)重影響著水稻生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展。

1　我國(guó)水田機(jī)械的狀況

1.1不同轉(zhuǎn)彎方式對(duì)時(shí)間利用率影響

現(xiàn)今水田中所使用的拖拉機(jī)主要是引進(jìn)于日本。這種底盤在進(jìn)行播插作業(yè)時(shí)，主要采用偏轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向[1-4]，需要助力裝置進(jìn)行輔助轉(zhuǎn)向。這種底盤需要3.5～4.0 m的地頭寬度才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，作業(yè)時(shí)增加了空行時(shí)間，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入下一畦作業(yè)，影響了播插作業(yè)時(shí)間利用率，如表1。表1中主要以偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤為例，不同轉(zhuǎn)彎方式下的工作行程率與底盤的轉(zhuǎn)彎半徑有著密切的關(guān)系，轉(zhuǎn)彎半徑越大，工作行程率越小，而工作行程率越小，工作的時(shí)間利用率就越低，并且需要多次換擋操作，增大了轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱難度。在我國(guó)南方小地塊水田中使用的底盤，由于地塊面積小而短，空行時(shí)間率一般都在30%以上，高者竟達(dá)50%～70%。在這種小地塊中，底盤的尺寸愈大，工作速度愈高，其空行時(shí)間率也愈高。這不但要影響作業(yè)時(shí)間利用率，而且也會(huì)影響底盤及其機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和使用成本。故以實(shí)現(xiàn)播插底盤能夠在地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)直接進(jìn)入下一畦為目標(biāo)，減少空行時(shí)間，減小轉(zhuǎn)彎半徑是提高我國(guó)現(xiàn)階段不規(guī)整、小地塊水田作業(yè)機(jī)械適應(yīng)性的關(guān)鍵技術(shù)難題。

表1　不同轉(zhuǎn)彎下的工作行程率Table 1 Operation working stroke rate under different turning

1.2我國(guó)水田機(jī)械研究現(xiàn)狀

迄今為止，以日本插秧機(jī)為代表的插秧機(jī)構(gòu)、以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水稻直播機(jī)系列及農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的毯狀秧苗播種機(jī)系列等播插機(jī)具已可實(shí)現(xiàn)水稻播插機(jī)械化作業(yè)，但是仍缺少能夠在小地塊水田中進(jìn)行水稻播插的同時(shí)具有輕型、打滑率低、不雍泥雍水、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)的水田農(nóng)機(jī)底盤。日本所使用的插秧機(jī)底盤采用中高花紋輪胎和汽油機(jī)作為動(dòng)力，雖然解決了底盤要具有輕型、打滑率底、不雍泥雍水等問(wèn)題，但采用的前輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向方式仍無(wú)法解決在水田中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑小的問(wèn)題。因此，根據(jù)我國(guó)水田的特點(diǎn)，需研究適用于小地塊水田，具有較小轉(zhuǎn)彎半徑，在較小的地頭寬度能進(jìn)行180°轉(zhuǎn)彎模式的四輪底盤，應(yīng)用于掛接水稻播插機(jī)具作業(yè)，同時(shí)，底盤還要達(dá)到輕型、離地間隙大、轉(zhuǎn)向靈活（可在地頭寬度小的地方自由轉(zhuǎn)向）、方便進(jìn)出入田地或過(guò)田埂的要求。

圖1　底盤結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure principle diagram of chassis

2　前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式四輪底盤轉(zhuǎn)向機(jī)理分析

2.1前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤的轉(zhuǎn)向機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有所用的四輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤、前后輪同時(shí)偏轉(zhuǎn)以及折腰式偏轉(zhuǎn)的四輪行走底盤的轉(zhuǎn)彎半徑的分析，可得出轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)底盤工作效率有著重要的影響。因此，為了滿足底盤在小地塊旱地和水田中實(shí)現(xiàn)底盤轉(zhuǎn)向不進(jìn)入已完成作業(yè)區(qū)，并具有轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)彎操作簡(jiǎn)單的高效率轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等功能。要研究一種高效率轉(zhuǎn)向的四輪行走底盤，就一定要解決轉(zhuǎn)彎半徑的問(wèn)題，即盡量減少轉(zhuǎn)彎半徑。最理想的轉(zhuǎn)彎半徑是底盤寬度的一半，即轉(zhuǎn)動(dòng)方向一邊的輪子的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是零。這樣底盤車架轉(zhuǎn)彎的時(shí)候其前橋的外側(cè)輪就會(huì)圍繞內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)側(cè)輪是原地轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在原地的連續(xù)轉(zhuǎn)彎180°如圖2所示的倒U型轉(zhuǎn)向，而不需要倒退等的輔助轉(zhuǎn)彎。因此，需研究一種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使底盤車架在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車架能夠和前橋中心進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)，一個(gè)前輪停止行走，另一個(gè)前輪繼續(xù)行走帶動(dòng)前橋繞停轉(zhuǎn)的前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)前橋中部與車架的連接鉸鏈帶動(dòng)車架轉(zhuǎn)向。這種底盤的車架要確保前橋的中心可作任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還具有橫向浮動(dòng)功能，這就能確保底盤的四個(gè)輪子均能同時(shí)著地，實(shí)現(xiàn)四輪底盤在小地塊中能以小的轉(zhuǎn)彎半徑、在小的地頭寬度能進(jìn)行輕便和靈活地轉(zhuǎn)向。當(dāng)該系統(tǒng)底盤在水田作業(yè)時(shí)，由于行走輪陷入土壤中一定深度，此底盤在水田轉(zhuǎn)向時(shí)免除了前輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向方式存在的轉(zhuǎn)向力的問(wèn)題，只需控制前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向底盤一側(cè)輪的停轉(zhuǎn)，另一側(cè)輪的繞轉(zhuǎn)，就能輕易的實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑的轉(zhuǎn)向，并且后橋在轉(zhuǎn)向時(shí)可以保證不進(jìn)入已完成作業(yè)區(qū)等要求。

圖2　倒U型轉(zhuǎn)彎模式Fig.2 Inverted U curve model

圖3　90°轉(zhuǎn)彎時(shí)各輪胎軌跡模型Fig.3 The tire trace model under 90°turning

2.2前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤行走輪軌跡模擬

為了更好驗(yàn)證前橋擺轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向四輪底盤在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中能否實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑的目標(biāo)，通過(guò)軟件ADAMS對(duì)底盤進(jìn)行模擬仿真。ADAMS/View[13-18]具有較為強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，能夠?qū)α慵|(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，并能加入材料、色澤等特征信息。對(duì)于外形不是很復(fù)雜的零件，用ADAMS/View建模較為方便。

在ADAMS中建立前橋和后橋以及鉸接點(diǎn)等，鉸接點(diǎn)的位置設(shè)置在前橋的中點(diǎn)處，具體尺寸是：輪距為1 440 mm，軸距為900 mm，前輪半徑350 mm，后輪半徑250 mm。考慮到重心前置的要求，模型中球的位置代表底盤車身的重心，球心位于距地面高度650 mm、距前橋300 mm的對(duì)稱平面上，車身質(zhì)量為350 kg。分別建立底盤在90°、180°轉(zhuǎn)向時(shí)后輪軌跡，如圖3和圖4；通過(guò)ADAMS軟件模擬可得出前橋擺轉(zhuǎn)四輪底盤在轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑小，所需要的地頭寬度比較小，滿足設(shè)計(jì)要求，適合小地塊水田的播插作業(yè)。

圖4　180°轉(zhuǎn)彎時(shí)各輪胎軌跡模型Fig.4 The tire trace model under 180°turning

3　小結(jié)

前橋擺轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)采用前橋中部通過(guò)垂直轉(zhuǎn)軸與縱向水平轉(zhuǎn)軸相結(jié)合的鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可確保前橋繞垂直轉(zhuǎn)軸作任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)前橋在水平方向作一定角度的浮動(dòng)，確保四輪能夠同時(shí)著地；通過(guò)ADAMS簡(jiǎn)化模型，驗(yàn)證了前橋擺轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向方案滿足設(shè)計(jì)要求，為物理樣機(jī)能夠滿足直接作倒U形連續(xù)轉(zhuǎn)彎掉頭進(jìn)入下一畦的要求提供了重要的理論依據(jù)。

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Research on the Steering Theory of Front Axle Swing Sowing Four-wheel Chassis

Lv Ying1, Zhang Jing2, Li Zhiwei2
（1.Luoding Polytechnic，Yunfu 527200, China 2.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；）

Abstract：Four-wheel chassis when working in a small piece of paddy field, reduce blank line turning time is an important link in work utilization rate operation time.In this paper, in order to realize four-wheel chassis small turning radius, increase the paddy field on chassis operation efficiency as the main research target, 90°, 180°in the four-wheel chassis under different forms of turning modeling analysis, and concluded that suitable turning way of smaller turning radius for small plot rice sowing operations ; When the front axle Swing four-wheel chassis steering, By controlling the rotation of the front drive axle, to the front drive axle can rotate active around the steering device, and drive the chassis steering in an arbitrary Angle; Through ADAMS software for simulating four-wheel chassis rear wheel track, and ensuring the rear wheels do not enter that the assignments section has been completed, put forward to design front axle pendulum type four-wheel chassis steering system operability.

Key words：four-wheel chassis; Steering; Front axle swing type; Small turning radius;

作者簡(jiǎn)介：呂瑩（1982—），女，滿族，遼寧本溪市，講師，博士，羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及設(shè)施。廣東省羅定市西門崗5號(hào)，527200。Email: 26026174@qq.com