蔣 爽，王東偉，何曉寧，劉曉東，蘇 鑫， 張 寧

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

在我國惠農政策的強力推動下，農業(yè)機械化的發(fā)展經歷了波瀾壯闊的10年發(fā)展黃金期，取得了舉世矚目的成就，越來越多的農業(yè)領域實現了機械化生產，特別是在水稻、小麥等糧食作物及典型經濟作物上已基本實現全程機械化生產，農業(yè)機械的發(fā)展又邁進了一個新的臺階。但是，由于長期以來我國農業(yè)機械化的研發(fā)重心主要集中于大田作物的生產上，在設施農業(yè)、典型經濟作物生產及果園林地等中小型地塊因其作業(yè)空間狹小、相對封閉、地塊分散，大型機械存在難以進入的不足，農業(yè)裝備仍有一些突出問題，如配套動力匱乏、功能欠缺、適應性差等，嚴重制約著我國農業(yè)機械化整體水平的提高。

在大部分非現代化農業(yè)生產條件下，農民直接給作物噴藥，日積月累，對人體損傷很大。我國以芝麻為代表的典型經濟作物雖然基本實現了種、收環(huán)節(jié)的機械化作業(yè)，但由于此類作物的生長形式特殊，其田間管理(尤其是噴藥環(huán)節(jié))大多仍然需人工完成?，F有的噴藥機械多存在地隙過低、穩(wěn)定性不足、對人損傷大的缺點，與其對應的高地隙噴藥機械化技術的研究仍然匱乏。此外，我國果園、林地等多數管理作業(yè)仍然通過人力來完成，作業(yè)成本高、生產效率低、勞動強度大、危險系數高等問題突出，而目前國內針對果園、林地的采摘運輸的機械相對較少，亟需發(fā)展可以代替人工作業(yè)采摘運輸的機械，提高果園、林地機械化水平。

1 整機結構及工作原理

1.1 功能要求

1)多功能智能平臺要求能夠完成果園、林地的采摘運輸作業(yè)。果園、林地的地面結構比較復雜，平臺需要能夠方便、準確地在果園、林地靈活地行走，從而實現果園、林地輔助管理機械的功能。

2)多功能智能平臺要求能夠適應芝麻等典型經濟作物的田間管理(尤其是噴藥環(huán)節(jié))。由于此類作物的生長環(huán)境特殊，平臺需要能夠穩(wěn)定地完成高地隙噴藥作業(yè)。

3)目前，基于果園和丘陵等地區(qū)地形復雜、作業(yè)環(huán)境多樣性的基本情況，多功能智能平臺為適應不同地段幅寬與離地間隙多變的情況，研制了作業(yè)幅寬可更換的通用單體分離獨立控制機構，以滿足不同幅寬的作業(yè)要求。平臺由兩側的行走裝置與中間連接機架構成，通過中間連接機架的更換來實現平臺寬度與高低的調節(jié)。在對不同農作物進行生產作業(yè)時，根據農作物的種植寬度與生長高度，調節(jié)橫向跨度與縱向高度，實現模塊化組合。

4)多功能智能平臺具有自主研發(fā)的遙控裝置，能夠利用無線技術及配套操作系統(tǒng)實現100m范圍內無線遙控作業(yè)，且平臺能夠通過控制液壓電磁閥兩端電磁鐵的開關量來對液壓懸掛系統(tǒng)進行遠程調節(jié)，極大地提高了液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和操縱簡便性，以及生產效率和工作質量。

1.2 多功能智能平臺整機結構

多功能智能平臺主要由行走裝置、驅動裝置、縱向高度調節(jié)裝置、可拆卸藥箱、橫向左右調節(jié)裝置及支撐輪等組成，如圖1所示。平臺的行走方式是履帶式，后面兩側分別有一個驅動輪，每個驅動輪和一個電動機通過鏈條連接；兩個電動機的鏈輪半徑相同，比驅動輪上的鏈輪半徑小。整個機器利用差速原理實現轉向，后退時利用電動機的反轉來實現。履帶上方是升降臺，用于整機的縱向高度調節(jié)和支撐機器上部的質量。平臺主要技術參數如表1所示。

1.上部橫向寬度調節(jié)裝置 2.輪槽 3.藥箱 4.縱向高度調節(jié)裝置 5.行走裝置 6.機器頂板 7.驅動裝置 8.舉升缸 9.支撐軸 10.橫向支撐調節(jié)裝置

名稱單位數值多功能智能平臺使用質量mskg680多功能智能平臺外形尺寸mm1850×1000×650最小離地間隙Hminmm140最大離地間隙Hmaxmm300軸距mm1350履帶寬度dmm130履帶接地長度L0mm1010

1.3 工作原理

1)用于噴藥時的工作原理。當多功能智能平臺實現噴藥功能時，升降臺上板安裝有4根支撐軸，整機為高地隙動力平臺，中間放置可拆卸的藥箱。機器上部安裝三點懸掛裝置，用來配套噴藥設備；通過調節(jié)升降臺和輪距，可以適應不同的作物。

2)用于牽引時的工作原理。當多功能智能平臺實現牽引功能時，拆下升降臺上部的方軸和懸掛架、藥箱，把升降臺降到最低；機器頂部鋼板直接和升降臺上板連接，安裝用于牽引的懸掛裝置。

2 關鍵部件設計

2.1 橫向支撐調節(jié)裝置

機器底部兩側是履帶，比較沉重，而且緊密接觸地面，要想實現整機橫向寬度調節(jié)，難度很大。為此，有必要設計一種支撐輪，借用千斤頂使履帶懸空，分別將支撐輪放下，便能左右滾動調節(jié)寬度。

橫向支撐調節(jié)裝置主要由支撐架、支撐輪及彈簧3部分組成，如圖2所示。橫向支撐調節(jié)裝置以摩托車的支撐架為基礎，利用彈簧的彈力使支撐架保持水平和豎直狀態(tài)。支撐架水平時，彈簧為自然狀態(tài)；當放下支撐架使之豎直向下時，彈簧是拉伸狀態(tài)。支撐架上安裝小輪，其作用是支撐機器的質量，更重要的是在履帶懸空時方便整機左右滾動調節(jié)，但需要借助千斤頂才能使履帶懸空，放下支撐架。

1.彈簧柱 2.支撐架 3.支撐輪

2.2 機器上部橫向寬度調節(jié)裝置

2.2.1 基本結構

機器上部橫向寬度調節(jié)裝置主要由機器兩側間方軸、機器頂部鋼板、懸掛架調節(jié)支撐輪、輪槽及鋼板側方小輪等組成，如圖3所示。

1.頂部鋼板 2.懸掛架調節(jié)支撐輪 3.輪槽 4.鋼板側方小輪 5.方軸

兩側用兩根方軸連接，每根軸上每隔同一間隔設有孔，通過改變銷軸的位置改變軸伸出的長短，從而改變整機的左右間距。頂部的鋼板由兩塊鋼板組成，一塊鋼板的兩端有槽，另一塊兩端各有兩個輪子，兩塊鋼板滾動接觸。最頂端有懸掛架，懸掛架一端固定在一塊鋼板上，另一端有輪子，可以在另一塊的鋼板上的軌道上滑動。這樣，懸掛架的質量即能由兩塊鋼板共同支撐，同時橫向寬度改變時懸掛架的位置能保持不變。

2.2.2 相關參數設計和校核

機器升降臺以上的質量(藥箱除外)都由4根方軸支撐，整機左右兩側也由兩根方軸連接。在機器工作的過程中，方軸受到來自各方面的力，為了防止方軸產生變形，需要對方軸強度進行校核。計算時，應根據方軸的載荷和受到的應力大小。

1)扭轉強度的校核。也就是說要在計算時根據軸受到的扭矩，得出方軸的強度。雖然只能片面地反映出方軸的強度，但也能作為一個方面。方軸的扭轉強度條件為

(1)

式中τT—扭轉時的切向應力；

T—方軸所受扭矩；

W—軸的抗扭截面系數；

d—軸的抗扭截面系數。

2)彎矩、扭矩合成強度計算。完成軸的設計以后，軸的形狀、長度、直徑已經確定，則軸的結構尺寸可以確定，作用在軸上的扭矩和彎矩也可以計算出來。

3)疲勞強度的校核。此校核的前提是確定軸的結構尺寸和所有的變應力，然后找?guī)讉€危險截面，最后計算安全系數S，即

(2)

當只存在法應力時，則

(3)

當只存在切向應力時，則

(4)

4)根據靜強度條件對軸校核。當載荷作用在軸上時，總會出現峰值，也就是最大載荷。根據靜強度校核實質就是根據最大載荷進行校核。進行靜強度校核的條件為

(5)

式中SSCσ—危險截面上面的靜強度安全系數；

SSσ—單計算軸向力及彎矩的安全系數；

SSτ—單計算扭矩的安全系數；

SS—根據屈服強度的安全系數。

2.3 縱向高度調節(jié)裝置

縱向高度調節(jié)裝置由升降臺上板、內臂外臂、下滾輪及舉升缸組成，如圖4所示。升降臺采用的是單層剪叉液壓升降臺，機器頂部有懸掛架，還有內燃機、藥箱等重物，要想實現整機縱向高度調節(jié)，液壓是必不可少的。本設計利用升降臺的原理實現上下升降調節(jié)，每個升降臺由1根液壓柱控制。本文利用液壓同步回路，包括1個電動機和1個液壓泵，通過液壓泵泵油和泄油完成整機的升降。

1. 升降臺上板 2.內臂 3.外臂 4.下滾輪 5.升降臺下板 6.舉升缸

3 多功能智能平臺控制系統(tǒng)設計

多功能智能平臺的無線控制系統(tǒng)主要包括對其供電的供電模塊、用以發(fā)射無線信號的遙控終端、用以接受無線信號的無線接收模塊、用以檢測工作狀態(tài)是否正常的傳感器模塊、液壓電磁閥組及其發(fā)現問題后并報警的報警裝置，如圖 5所示。在選擇控制器時，需嚴格按照多功能作業(yè)平臺的作業(yè)要求及多功能智能平臺的功能實現來進行選擇，通過在無線控制器上觀察及操作，以便實時掌握多功能智能平臺的動向，并準確地控制多功能智能平臺的運動狀態(tài)。

圖5 多功能智能平臺控制系統(tǒng)總體方案

intelligent platform

4 試驗分析

4.1 行駛直線性測試

行駛直線性是通過多功能平臺行駛一段距離后偏離原定方向的量來評價平臺在不操縱轉向機構時保持直線行駛的性能，行駛直線性能的好壞對轉向機構的磨損及作業(yè)質量等產生一定的影響，因此有必要對平臺行駛直線性進行測試。

4.2 試驗方法及結果

試驗方案：平坦且干硬的土地上劃出長度為30m的試驗區(qū)間并在區(qū)間內畫出中心線用作多功能智能平臺的理想狀態(tài)下的行駛路線，使多功能智能平臺在不適用無線遙控器上左右搖桿的情況下平穩(wěn)地駛過試驗區(qū)間，然后測量多功能智能平臺行駛路線與試驗區(qū)間中心線的偏離值；在完成測量后仔細按照以上步驟重復試驗2次，取3次結果偏離值的平均值作為多功能智能平臺與中心線的偏移值，最終經過代入方程式得到偏駛率ε(%)，即

(6)

其中，δS為平臺相對中心線的偏使量(m)；S為平臺的測試區(qū)間長度(m)。

本試驗中，規(guī)定樣機往左偏移行駛為正。試驗過程如圖6所示，試驗測量的相關數據如表2所示。

圖6 樣機行駛直線性測試

試驗次序偏駛量δs/m10.36220.4733-0.125平均值0.236

將平均值代入公式中，計算值為 0.78%。對照GJB4111.5-2000 標準可知：多功能智能平臺行駛直線性能優(yōu)良，提升了作業(yè)質量。

5 結論

1)設計的多功能智能平臺能滿足不同幅寬的作業(yè)要求，且解決了特定作業(yè)環(huán)境所需配套動力多樣、懸掛機具更換工作繁雜等技術問題。

2)獨立浮動雙側行走方式是多功能智能平臺技術突破的核心，兩側電機相互獨立，工作時不相互影響，從而實現了平臺的運動與轉向。當左右兩條履帶的速度相同時，平臺實現前進或后退；當左右兩條履帶的速度不同時，平臺進行轉向運動。

3)該平臺采用電能作為驅動能源，通過自主研發(fā)的遙控裝置，利用無線技術及配套操作系統(tǒng)實現100m范圍內無線遙控作業(yè)且通過遠程控制液壓電磁閥兩端電磁鐵的開關量來調節(jié)液壓懸掛系統(tǒng)，極大地提高了液壓懸掛系統(tǒng)操作的簡捷性和舒適性。