王 鋒，楊 玲，謝守勇，馬 楊，張 健，段廷億

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

隨著人民生活質(zhì)量的提高，對(duì)于各類(lèi)水果的食用量也越來(lái)越大[1]。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015版中的內(nèi)容顯示，從2000年到2015年，我國(guó)的水果種植面積增長(zhǎng)了43.9%，而水果的產(chǎn)量卻增長(zhǎng)了439.8%[2]。在南方丘陵地區(qū)很多農(nóng)民都會(huì)在自己的土地里栽植一定數(shù)量的果樹(shù)。傳統(tǒng)的水果生產(chǎn)主要依靠人工勞動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，由于人工勞動(dòng)成本的增加，人們對(duì)于果園機(jī)械的需求度越來(lái)越大[3-4]。

從查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料中可以看出：我國(guó)對(duì)于果園作業(yè)機(jī)械的研究起步較晚，果園機(jī)械化的基礎(chǔ)較差，果園生產(chǎn)的機(jī)械化程度與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大差距[5]?？偟膩?lái)說(shuō)，農(nóng)用果園動(dòng)力底盤(pán)的研制受限于南方丘陵地區(qū)果園管理現(xiàn)狀和果樹(shù)種植環(huán)境，適用于果園生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備較少，相關(guān)研究也不是很多[6-9]。果園動(dòng)力底盤(pán)在水果生產(chǎn)中用處很多，其功能主要包含果樹(shù)噴藥、林間除草、水果采摘及開(kāi)溝施肥等方面。因?yàn)槟戏降墓麡?shù)大多種植在丘陵地區(qū)，果樹(shù)分布密集且機(jī)械通道狹窄，使得現(xiàn)有的果園動(dòng)力底盤(pán)不能夠完全適應(yīng)南方丘陵地區(qū)果園種植環(huán)境，因此研制一款完全適應(yīng)南方丘陵地區(qū)果園種植環(huán)境的果園動(dòng)力平臺(tái)對(duì)于提高南方果園生產(chǎn)的機(jī)械化水平具有重要意義。

本文針對(duì)南方丘陵地區(qū)果園管理現(xiàn)狀和果樹(shù)種植環(huán)境，設(shè)計(jì)并制造了一種三角履帶式果園動(dòng)力底盤(pán)。該底盤(pán)制造成本低、外形尺寸小、行走操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)南方丘陵地區(qū)的果園作業(yè)環(huán)境，滿足實(shí)際工作要求。

1 設(shè)計(jì)要求與總體結(jié)構(gòu)原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

1)可以適應(yīng)南方丘陵地區(qū)的果園地形，底盤(pán)行駛速度為0.2～3.5km/h；最大爬坡角度為15°；前進(jìn)檔位數(shù)量為2；倒檔位數(shù)量為1；

2)搭載果園噴霧機(jī)、果園割草機(jī)及開(kāi)溝機(jī)等工作部件后的整機(jī)高度≤1.6m；

3)加工制作成本低，行走操控簡(jiǎn)單，底盤(pán)穩(wěn)定性好。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.2.1 總體結(jié)構(gòu)

三角履帶式果園動(dòng)力底盤(pán)由減速機(jī)構(gòu)、行走裝置、皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、機(jī)架、換擋操控手柄和動(dòng)力接口等部分組成，如圖1所示。行走裝置的功能是實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的田間行走，主要由橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、張緊輪、張緊裝置、軸承座和車(chē)架等部分組成；動(dòng)力裝置和減速機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的動(dòng)力輸出和變速，主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、皮帶輪、皮帶、傳動(dòng)軸、齒輪箱和軸套等部分組成，主要用于控制底盤(pán)驅(qū)動(dòng)輪的速度及汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出；機(jī)架的功能是用于搭載噴霧機(jī)、割草機(jī)、開(kāi)溝機(jī)及其他機(jī)具等工作部件在果園進(jìn)行作業(yè)，由規(guī)格為40mm×40mm×2mm的方鋼管焊接組成；換擋操控手柄的作用是實(shí)現(xiàn)前進(jìn)擋、倒擋等的操作，位于底盤(pán)的尾部，便于操作。

1.2.2 工作原理

工作時(shí)，汽油機(jī)給整個(gè)底盤(pán)提供動(dòng)力，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)(包括皮帶輪傳動(dòng)、變速箱的變速傳動(dòng)、齒輪箱的齒輪傳動(dòng))，完成減速增扭和動(dòng)力分流，分別傳遞給行走裝置的驅(qū)動(dòng)輪、噴霧機(jī)和割草機(jī)等工作部件；傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橡膠履帶運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)果園動(dòng)力底盤(pán)的行走。

1.操控手柄 2.變速箱 3.履帶行走裝置 4.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 5.皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng) 6.車(chē)架 7.齒輪箱 8.噴霧機(jī)動(dòng)力接口 9.其他機(jī)具動(dòng)力接口 10.割草機(jī)動(dòng)力接口

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本文研究對(duì)象為重慶市忠縣種植的柑橘樹(shù)，并于2018年2月對(duì)其進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，為本文提供了設(shè)計(jì)依據(jù)[10]。三角履帶式果園動(dòng)力底盤(pán)的主要尺寸參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 履帶行走裝置

行走裝置的功能是實(shí)現(xiàn)底盤(pán)在田間的行走，主要由橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、張緊輪、張緊裝置、車(chē)架和軸承座等組成，如圖2所示。

表1 三角履帶式果園動(dòng)力底盤(pán)的主要尺寸參數(shù)

1.橡膠履帶 2.張緊輪 3.支重輪 4.張緊裝置 5.車(chē)架 6.驅(qū)動(dòng)輪 7.導(dǎo)向輪

采用三角履帶輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可增大底盤(pán)的通過(guò)性和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)輪式動(dòng)力平臺(tái)在田間作業(yè)時(shí)存在的爬坡能力差、作業(yè)效率不高等問(wèn)題。三角履帶式行走裝置的特點(diǎn)是通過(guò)性強(qiáng)、適應(yīng)性高、穩(wěn)定性好、牽引附著性能好、接地比壓小，能夠在潮濕、黏重的地面行走。為方便底盤(pán)在果樹(shù)間的行走，本履帶行走裝置，采用雙履帶式的縱向?qū)ΨQ布局形式，橡膠履帶選用型號(hào)為L(zhǎng)280×90×34，履帶接地長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 000mm，履帶軌距設(shè)計(jì)為1 000mm，底盤(pán)寬度設(shè)計(jì)為1 200mm。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

行走傳動(dòng)系統(tǒng)主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)、變速箱齒輪變速系統(tǒng)、變速箱動(dòng)力輸出軸、驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力傳遞系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

1.割草機(jī)動(dòng)力接口 2.其他機(jī)具動(dòng)力接口 3.齒輪箱 4.齒輪箱動(dòng)力輸入軸 5.皮帶輪Ⅰ 6.皮帶輪Ⅱ 7.皮帶輪Ⅲ 8.汽油機(jī) 9.皮帶輪Ⅳ 10.變速箱軸Ⅰ 11.變速箱軸Ⅱ 12.變速箱軸Ⅲ 13.右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪 14.牙嵌式離合器Ⅰ 15.變速箱軸Ⅳ 16.變速箱 17.牙嵌式離合器Ⅱ 18.左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪 19.前進(jìn)擋 20.高速擋 21.倒擋 22.滑移齒輪

動(dòng)力選用重慶諾比為機(jī)電有限公司生產(chǎn)的德尼爾森190F型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定功率為11kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 600r/min，其詳細(xì)信息概括為單缸、風(fēng)冷、四沖程、頂置氣門(mén)及水平軸，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出軸與直徑為85mm的皮帶輪連接。變速箱選擇市面上常見(jiàn)的8000型干式離合器變速箱，將離合器結(jié)合到變速箱中，能夠?qū)崿F(xiàn)底盤(pán)的自動(dòng)變速，變速箱的動(dòng)力輸入端為直徑為162mm的皮帶輪，動(dòng)力輸出端為2根六角傳動(dòng)軸。驅(qū)動(dòng)輪選擇福田雷沃RG系列驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)為7個(gè)，驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑為206mm，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)自制花鍵軸與軸承座連接，利用內(nèi)六角軸套將變速箱動(dòng)力輸出軸和花鍵軸連接。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力先經(jīng)過(guò)皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)減速(大、小皮帶輪的直徑分別為162、85mm，傳動(dòng)比i1≈1.91)，然后再傳遞到離合器變速箱中，此款變速箱包含4個(gè)檔位，分別是前進(jìn)擋、高速擋、倒擋以及空擋。驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)擋的傳動(dòng)比i2=35.71，高速擋的傳動(dòng)比i3=17.24，倒擋的傳動(dòng)比i4=35.71。底盤(pán)在低速檔位完成前進(jìn)和倒退運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速約等于±10.7r/min，在高速檔位完成前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速約等于20.3r/mim。

2.3 機(jī)架

如圖4所示：機(jī)架由規(guī)格為40mm×40mm×2mm的方鋼管一段接一段焊接而成，完成后在其表面噴涂紅色油漆，防腐防銹且外觀精美。機(jī)架與履帶底盤(pán)車(chē)架通過(guò)焊接方式連接在一起。機(jī)架的功能主要是用于搭載噴霧機(jī)、水箱、噴藥泵、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、割草機(jī)及變速箱等工作部件。

1.機(jī)架 2.變速箱 3.履帶行走裝置

3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證果園動(dòng)力底盤(pán)的實(shí)際工作情況，試驗(yàn)地點(diǎn)在西南大學(xué)校內(nèi)，測(cè)試內(nèi)容包括平地性能測(cè)試、爬坡性能測(cè)試、跨越壕溝測(cè)試及跨越垂直障礙物測(cè)試等方面。

3.1 平地性能測(cè)試

試驗(yàn)路段為西南大學(xué)校內(nèi)平直的水泥地，果園動(dòng)力底盤(pán)在行駛過(guò)程中，各個(gè)檔位換擋平穩(wěn)，其換擋方式采用人工換擋。底盤(pán)在無(wú)負(fù)重、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)被置于中位條件下行駛速度：在低速擋時(shí)的行駛速度約為0.22m/s，在高速擋時(shí)行駛速度約為0.36m/s。

3.2 爬坡性能測(cè)試

果園動(dòng)力底盤(pán)的最大爬坡角度θ被定義為底盤(pán)滿載時(shí)在良好路面上采用最低檔位行駛能夠通過(guò)的最大坡度角，衡量的是底盤(pán)的爬坡能力，計(jì)算公式為

θ=arcsin[(FH-∑fi)/Gmax]

式中Gmax—滿載條件下的底盤(pán)重量(kN)；

FH—履帶底盤(pán)的切線牽引力(kN)；

fi—履帶底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)阻力，包括壓實(shí)阻力、推土阻力(kN)。

將履帶底盤(pán)的參數(shù)代入，計(jì)算得出底盤(pán)滿載時(shí)的最大爬坡角度θ=15°，與設(shè)計(jì)值一致[11]。

爬坡性能測(cè)試主要研究底盤(pán)爬坡角度和底盤(pán)爬坡速度之間的關(guān)系，由于沒(méi)有完全理想的測(cè)試路段，故本研究采用西南大學(xué)校內(nèi)的水泥地進(jìn)行爬坡性能試驗(yàn)，且事先測(cè)得試驗(yàn)路段的坡度為3.2°、5.6°、14.2°，分3種坡度進(jìn)行試驗(yàn)。底盤(pán)質(zhì)量是1 800kg，將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)置于中位，在坡面底部的平直路段開(kāi)始到離開(kāi)整個(gè)坡面的這段距離之間，測(cè)試底盤(pán)在低速前進(jìn)檔狀態(tài)下的爬坡性能。

在試驗(yàn)過(guò)程中，底盤(pán)運(yùn)動(dòng)情況良好，均能成功駛過(guò)3種不同的坡面，但由于底盤(pán)加工制造粗糙、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)很大、底盤(pán)質(zhì)量很大、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率較小，因此底盤(pán)在爬坡過(guò)程中存在一定的打滑現(xiàn)象且爬坡速度較慢。試驗(yàn)測(cè)得的爬坡性能參數(shù)值如表2所示。

表2 爬坡性能測(cè)試

3.3 轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試

該項(xiàng)試驗(yàn)在西南大學(xué)校內(nèi)空曠的水泥路面進(jìn)行，使用的主要測(cè)量工具有噴水針及鋼卷尺等，底盤(pán)在前進(jìn)過(guò)程時(shí)按下前進(jìn)擋位操控手柄，在后退時(shí)按下倒擋位操控手柄，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)被置于中位。底盤(pán)在轉(zhuǎn)彎到最大角度以后，繼續(xù)保持各換擋操控手柄的位置不動(dòng)，此時(shí)用最小行駛速度分別往左前、右前和左后、右后方向各運(yùn)動(dòng)1圈，使用安裝在底盤(pán)最外側(cè)且噴頭方向豎直向下的噴水針向水泥地面噴水，分別繪制出底盤(pán)外側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑軌跡[12]。

轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：底盤(pán)在前進(jìn)擋和后退擋兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式下，其轉(zhuǎn)彎半徑的大小存在差異，但整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試表明底盤(pán)的轉(zhuǎn)彎半徑小于1.5m。

表3 轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試

3.4 跨越壕溝測(cè)試

三角履帶底盤(pán)跨越壕溝的寬度跟該底盤(pán)的履帶接地長(zhǎng)度和整個(gè)底盤(pán)的重心位置有關(guān)。當(dāng)三角履帶底盤(pán)在行駛時(shí)，如果重力的作用線在三角履帶底盤(pán)第一個(gè)支重輪和對(duì)面的壕溝壁接觸之前超過(guò)負(fù)重面，那么三角履帶底盤(pán)的前部就會(huì)落入壕溝里面。三角履帶底盤(pán)跨越壕溝的工作可概括如下3個(gè)過(guò)程：履帶接地端離開(kāi)地面，三角履帶底盤(pán)前端張緊輪離開(kāi)地面和接地前端到達(dá)壕溝對(duì)面。雖然三角履帶底盤(pán)在爬坡和下坡行駛時(shí)跨越壕溝的能力能夠得到一定程度的加強(qiáng)，但考慮到安全方面的因素，本研究中三角履帶底盤(pán)跨越壕溝的能力用水平壕溝來(lái)評(píng)價(jià)[13]。本研究中的三角履帶底盤(pán)跨越壕溝的能力比較強(qiáng)，可以跨越寬度在500mm左右的壕溝。

試驗(yàn)路段設(shè)在西南大學(xué)校內(nèi)，設(shè)置水平壕溝的斷面為矩形，且溝沿平直，按照拖拉機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)所述的水平壕溝的長(zhǎng)度應(yīng)不小于底盤(pán)寬度(1 200mm)的1.5倍，設(shè)置水平壕溝的長(zhǎng)度為1 800mm，深度為30mm，將寬度每間隔50mm由窄到寬依次制作成不同寬度的壕溝并將其壓實(shí)，設(shè)定的水平壕溝寬度分別為200、250、300、350、400、450、500mm，對(duì)每組寬度進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，并將三角履帶底盤(pán)跨越水平壕溝的通過(guò)情況記錄到表4中[14]。

3.5 跨越垂直障礙物測(cè)試

三角履帶底盤(pán)跨越垂直障礙物的過(guò)程可分為3個(gè)階段：第1階段底盤(pán)前端的三角履帶接觸壁緣，并爬至最高；第2階段底盤(pán)前端的三角履帶爬上臺(tái)階；第3階段底盤(pán)后端的三角履帶爬上壁緣，直至整個(gè)底盤(pán)爬上臺(tái)階。當(dāng)?shù)妆P(pán)前端的履帶接觸到臺(tái)階的壁緣時(shí)，設(shè)履帶的接地長(zhǎng)度為L(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)圓直徑r跟跨越臺(tái)階高度H之間有如下關(guān)系式，即

H=L·sinθ+(r-r·cosθ)

式中H—底盤(pán)跨越臺(tái)階的高度(mm)；

L—履帶的接地長(zhǎng)度(mm)；

r—驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)圓直徑(mm)；

θ—三角履帶輪的擺動(dòng)角度(°)。

取θ=30°，并將底盤(pán)的其他參數(shù)代入上式，計(jì)算得出三角履帶底盤(pán)最大能夠跨越高度約為528mm的臺(tái)階[13]。

表4 跨越水平壕溝測(cè)試

選取西南大學(xué)校內(nèi)的不同高度水泥臺(tái)階作為試驗(yàn)垂直障礙物。測(cè)量得出，水泥臺(tái)階的寬度均大于三角履帶底盤(pán)寬度，水泥臺(tái)階的長(zhǎng)度均大于底盤(pán)接地長(zhǎng)度，且邊緣垂直。三角履帶底盤(pán)以最低前進(jìn)擋行駛，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)全開(kāi)，由低到高依次通過(guò)各個(gè)高度的垂直水泥臺(tái)階，直至不能通過(guò)為止[14]。試驗(yàn)中設(shè)定的臺(tái)階高度為200、250、300、350、400、450、500mm，對(duì)每組高度進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果記錄到表5中[14]。

表5 跨越垂直障礙物測(cè)試

續(xù)表6

4 結(jié)論與討論

1)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)緊湊且外形尺寸較小，制造成本低，行走操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。

2)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得：底盤(pán)行駛速度為0.22～0.36m/s，最大爬坡角度為15°，轉(zhuǎn)彎半徑為750～1 340mm，最大跨越壕溝寬度為500mm，最高跨越垂直障礙物高度為528mm，基本滿足設(shè)計(jì)要求，能夠適應(yīng)南方丘陵地區(qū)果園管理現(xiàn)狀和果樹(shù)種植環(huán)境，滿足水果生產(chǎn)中的作業(yè)要求。

3)由于底盤(pán)存在質(zhì)量分布不均衡、加工制造粗糙、精度低及行駛過(guò)程中振動(dòng)很大等問(wèn)題，對(duì)整個(gè)底盤(pán)的穩(wěn)定性有很大影響，可以通過(guò)更改底盤(pán)整體布局、履帶行走裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)等方式來(lái)提高底盤(pán)的穩(wěn)定性。