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)平臺車，更大程度克服煙葉生產(chǎn)周期性強、環(huán)節(jié)多造成的煙草機械動力浪費、適應性差和閑置問題。其結構主要包括多功能作業(yè)平臺車車身和升降懸掛部分，傳動采用液壓驅動，利用catia對其進行設計建模仿真，為煙草機械功能整合提供了參考。

煙草；多功能；機械；液壓

引言

煙草機械化生產(chǎn)是促進煙葉生產(chǎn)技術水平提升的重要手段，是降低勞動成本、減少畝均用工量的重要措施。煙草種植可分為兩個階段，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、拔稈等幾個環(huán)節(jié)[1]。工廠化育苗階段環(huán)節(jié)的操作幾乎被機械替代，代表的機器有煙葉裝盤播種機、多功能跨池剪葉機。大田管理階段除了打頂抑芽、煙葉采收環(huán)節(jié)沒有普及機械化外，其余環(huán)節(jié)市場上都有成熟的專用機械。

煙葉生產(chǎn)周期性強，大田管理環(huán)節(jié)多，煙草機械出現(xiàn)動力浪費、適應性差和閑置的問題。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，導致很多煙草機械通過性差，不能適應煙葉不同時期的作業(yè)要求，造成煙草機械閑置。為了解決這個問題，研制一種多功能作業(yè)平臺車，目的在于整合多種煙草機械作業(yè)功能。

1 設計思路

為更大程度克服煙草機械的周期性、適應性和降低功耗等問題，利用catia進行煙草多功能作業(yè)平臺車的模塊化設計[2]，如圖1。即設計一種新型低功耗的高地隙多功能作業(yè)平臺車，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)的煙草機械。車輛行走速度在1～10km/h之間，發(fā)動機為20馬力汽油發(fā)動機，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)平臺車的結構原理

煙草多功能作業(yè)平臺車的基本車身結構為高地隙作業(yè)平臺車。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。其結構分為兩部分，車身部分和后動力輸出部分。車身部分包括車身機行走、轉向、動力及液壓傳動、機架等[5]，后動力輸出部分包括液壓升降懸掛及升降裝置、液壓動力輸出馬達，如圖2。

圖2 煙草多功能作業(yè)平臺車組成圖

3 機架的設計

圖3 煙草多功能作業(yè)平臺車的機架結構

煙草多功能作業(yè)平臺車的結構設計關鍵在于機架設計。機架的設計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，煙株生長高度會達到500～700mm。煙草多功能作業(yè)平臺車要保證通過性，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，要盡量降低機架的自身重量，降低車輛油耗，減少不必要的結構設計。機架設計如圖3，上部主要為兩個縱向的承重件和五個橫向的承重件，外圍主要安裝其他結構如外殼、發(fā)動機、油箱、液壓傳動部分等的支撐架。下部為兩個縱向承重件、附件安裝支架和輪胎的安裝機構。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)平臺車良好通過性的主要設計。

4 機架的有限元分析

4.1 機架的3D建模

本文運用建模軟件catia對煙草多功能作業(yè)平臺車進行建模，并對主要結構機架進行了有限元分析。catia的建模功能比較強，其建模的主要優(yōu)勢是曲面建模，對機械設計應用幫助非常大。其仿真分析功能使用比較方便，在進行載荷應力分析時，可以根據(jù)需求在點、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動，來計算大的位移或轉動。

為了做好有限元分析，在catia里需要對裝配體進行一定運算。機架的3D建模如圖3，catia有限元分析需要對零件幾何體（partbody）進行網(wǎng)格劃分，但是裝配體是不能抓取的。本文運用布爾運算，將機架的所有零件添加到了partbody。

4.2 網(wǎng)格劃分

多功能作業(yè)平臺車機架的材料選擇為冷軋方管，材質為普碳鋼Q235。在catia的材料庫里選擇相對應的材料，以大小為20mm的四面體進行網(wǎng)格劃分。

4.3 系統(tǒng)約束

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

4.4 載荷條件

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

4.5 有限元的分析結果

在catia的仿真結果，可以顯示有限元分析的應力圖和位移圖。輸出的應力圖為馮米斯應力圖，輸出的位移圖為變形位移圖。根據(jù)仿真結構可以直觀地看到結構件的應力變化和位移變化，為設計提供參考。多功能作業(yè)平臺車的馮米斯應力圖如圖4。

圖4 煙草多功能作業(yè)平臺車的應力圖

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

圖5 第二代煙草多功能作業(yè)平臺車的機架圖

圖6 第二代煙草多功能作業(yè)平臺車的機架位移圖

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

5 煙草多功能作業(yè)平臺車的傳動系統(tǒng)

多功能作業(yè)平臺車的動力為20馬力的汽油機，傳動部分為全液壓驅動，液壓圖如圖7。液壓動力傳動分為兩路，一路為柱塞泵和手動換向閥控制的行走部分；一路為雙聯(lián)齒輪泵控制的轉向和液壓懸掛部分，其中轉向部分，轉向器控制轉向油缸控制方向盤轉向[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力輸出馬達。

圖7 煙草多功能作業(yè)平臺車液壓示意圖

圖8 煙草多功能作業(yè)平臺車樣車

6 結論

通過將煙草大田管理專用機械進行模塊化整合設計，利用catia進行了三維設計和裝配，完成了煙草多功能平臺作業(yè)車的研發(fā)（圖8）。在試驗田試驗時，多功能平臺車達到了設計要求，得到了現(xiàn)場人員的肯定。從試驗情況看，此煙草多功能作業(yè)平臺車在實際使用中，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)機的篩選試驗[J].農(nóng)業(yè)技術與裝備,2014(04)∶49～51.

[2]張曉東.基于CATIA的應用開發(fā)研究[J].航空計算技術,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的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(26)∶202～207.

[4]孫恒,陳作模.機械原理[M].北京∶高等教育出版社,2000.

[5]成大先.機械設計手冊[M].北京∶化學工業(yè)出版社,2008.

[6]左建民.液壓與氣動傳動[M].北京∶機械工業(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)機裝備研發(fā)。

河南省煙草公司許昌市公司科技項目（XYKJ2015M07）。