周漢林，劉 華，陳中武，何 林，黃雄輝，張 軒

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國(guó)丘陵山地分布廣闊，占國(guó)土面積的 2/3 以上，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，平原地區(qū)僅占我國(guó)土地資源的34%左右，全國(guó)有 19 個(gè)省份（包含臺(tái)灣地區(qū)）50%以上的轄區(qū)是山地丘陵[1]。同時(shí)，我國(guó)的耕地主要集中在高原、山地和丘陵地區(qū)，山區(qū)糧食產(chǎn)量及油料作物產(chǎn)量均占全國(guó)總產(chǎn)量的 1/2 左右[2-3]。由于丘陵山地地形復(fù)雜、地面坡度大、形狀不規(guī)則，目前適合丘陵山地使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械非常少，主要依靠人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，機(jī)械化程度比較低。針對(duì)丘陵山區(qū)林果種植環(huán)境農(nóng)機(jī)作業(yè)難度大的問題，基于多功能、輕型化、適應(yīng)性好的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)一種多功能輕型底盤，具有坡地自適應(yīng)調(diào)平、農(nóng)機(jī)具姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整等功能，可配置運(yùn)輸、除草、旋耕、打藥等多種農(nóng)機(jī)具作業(yè)[4]，在一定程度上解決了丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械在行駛、作業(yè)過程中存在的操作難度大、作業(yè)質(zhì)量差等問題，提高了我國(guó)丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量和安全性。

1 總體布置

1.1 總體結(jié)構(gòu)

丘陵山地自適應(yīng)多功能底盤采用橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)[5]，底盤軌距750 mm。動(dòng)力采用雙缸柴油機(jī)，功率為14 kW，柴油機(jī)安置在機(jī)架前端，這樣機(jī)架的中后端可以有足夠的位置安裝運(yùn)輸、噴藥和其他農(nóng)機(jī)具。柴油機(jī)橫向布置，方便對(duì)各種農(nóng)機(jī)具進(jìn)行動(dòng)力傳遞。行走機(jī)構(gòu)采用雙聯(lián)變量泵、雙液壓馬達(dá)的全液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。柴油機(jī)用皮帶帶動(dòng)雙聯(lián)泵，雙聯(lián)泵通過油管與馬達(dá)相連。由于本底盤采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式，沒有行走變速箱占用的空間位置，使整機(jī)的布置更緊湊，如圖1 所示。

圖1 多功能底盤總體結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)動(dòng)力分成三路：一路帶動(dòng)雙聯(lián)變量泵驅(qū)動(dòng)底盤行走，一路帶動(dòng)液壓泵為自動(dòng)調(diào)平或農(nóng)機(jī)具的升降油缸供油，還有一路通過過渡傳動(dòng)或直接為農(nóng)機(jī)具提供動(dòng)力。

1.2 技術(shù)參數(shù)

多功能底盤的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)器技術(shù)參數(shù)

2 履帶行走機(jī)構(gòu)

履帶行走機(jī)構(gòu)由底盤機(jī)架、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、橡膠履帶、支重輪、導(dǎo)向輪等組成[6]。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括雙聯(lián)泵、液壓馬達(dá)和控制部分。液壓馬達(dá)固定在底盤機(jī)架上，其輸出軸安裝有履帶驅(qū)動(dòng)輪，通過驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶行走。采用寬為200 mm、節(jié)距為72 mm、41 節(jié)的橡膠履帶，底部設(shè)置4 組支重輪，由導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)履帶的松緊。履帶底盤的行走速度由變量泵的流量來控制，通過控制變量泵的輸入油量和方向來控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)履帶底盤的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。由于2 個(gè)液壓馬達(dá)是由雙聯(lián)泵分別控制，在轉(zhuǎn)彎時(shí)兩邊履帶可以1 個(gè)前進(jìn)、1 個(gè)后退，所以行走底盤可以原地轉(zhuǎn)向。

2.1 履帶纏繞約束設(shè)定

多功能底盤的質(zhì)量約300 kg，加上機(jī)具或運(yùn)輸質(zhì)量，其行走質(zhì)量在600 kg 左右。其最大行走功率為

式中：

N行——行走功率，kW；

G——整機(jī)質(zhì)量，kg，本機(jī)按600 kg 計(jì)算；

f——履帶滑動(dòng)阻力系數(shù)，取0.2；

v——行走速度，m/s，取1.39；

η——傳動(dòng)效率，包括皮帶傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，本機(jī)約為0.7。

計(jì)算可得N行=2.33 kW，本底盤的柴油機(jī)功率約14 kW，行走功率不到總功率的20%，農(nóng)機(jī)具可用功率占80%，功率分配比較合理。

2.2 液壓系統(tǒng)的選用

多功能底盤的行走機(jī)構(gòu)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，由雙聯(lián)變量泵和液壓馬達(dá)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過皮帶傳遞給雙聯(lián)泵，雙聯(lián)泵再通過油管分別輸送到液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶行走。

履帶行走阻力包括內(nèi)部阻力和外部阻力。

內(nèi)部阻力主要有：①支重輪、導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸承、密封件內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦力；②支重輪在履帶上的滾動(dòng)摩擦力；③驅(qū)動(dòng)輪與履帶鐵齒嚙合時(shí)的摩擦力等。一般履帶內(nèi)摩擦阻力系數(shù)f1為0.05～0.07。

履帶的外部阻力主要是地面土壤由于受到履帶擠壓而產(chǎn)生的變形阻力。這是履帶行駛阻力的主要部分。其滾動(dòng)阻力系數(shù)與土壤的性質(zhì)直接相關(guān)，不同土質(zhì)路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)如表2 所示。

表2 滾動(dòng)阻力系數(shù)

履帶正常行走的行走阻力F為

式中：

f1——內(nèi)摩擦阻力系數(shù)，取0.07；

f2——滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.15；

m——機(jī)器質(zhì)量，kg，取600。

其行走阻力為

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

本行走驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)距為72 mm，10 個(gè)齒，其節(jié)圓直徑為230 mm，半徑為115 mm，所以驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩為

考慮到實(shí)際作業(yè)環(huán)境經(jīng)常要在坡地行走，機(jī)器在上坡和轉(zhuǎn)彎時(shí)的阻力要大于正常行走阻力，同時(shí)還考慮要有一定的儲(chǔ)備功率，故選用輸出扭矩為300 N·m、排量為160 mL/r 的液壓馬達(dá)，以適應(yīng)復(fù)雜工況條件，滿足多功能底盤的行走要求。

考慮到本多功能底盤最大速度為5 km/h，約1.39 m/s，要達(dá)到這個(gè)速度，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為

選擇雙聯(lián)泵的排量為12 mL/r，液壓馬達(dá)的容積效率按70%計(jì)算，多功能底盤要達(dá)到最大速度，雙聯(lián)泵的輸入轉(zhuǎn)速為

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，柴油機(jī)通過皮帶帶動(dòng)雙聯(lián)泵工作，皮帶輪傳動(dòng)比為1.36，故選用一級(jí)皮帶傳動(dòng)。

3 底盤多功能的實(shí)現(xiàn)

多功能底盤是集成各種農(nóng)具的基本單元。農(nóng)機(jī)具根據(jù)其功能和傳動(dòng)特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)成不同的功能模塊和傳動(dòng)模塊，用螺栓與多功能底盤聯(lián)接。多功能底盤可以集成運(yùn)輸、除草、旋耕、噴藥等多個(gè)農(nóng)機(jī)具。

3.1 車架調(diào)平系統(tǒng)

車架調(diào)平系統(tǒng)由調(diào)平機(jī)架、調(diào)平控制器、傾斜檢測(cè)裝置和調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，由電磁液壓閥控制油缸的伸縮[8]，通過油缸推動(dòng)調(diào)平機(jī)架進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平，如圖2 所示。傾斜檢測(cè)裝置采用姿態(tài)角度傳感器，角度傳感器安裝在調(diào)平機(jī)架上，可以設(shè)置報(bào)警閾值，在調(diào)平機(jī)架發(fā)生傾斜時(shí)能及時(shí)發(fā)送信號(hào)。調(diào)平控制器接收信號(hào)后進(jìn)行計(jì)算校正，過濾掉瞬間的起伏無(wú)效信號(hào)，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出校正過的有效執(zhí)行信號(hào)，從而完成自動(dòng)調(diào)平動(dòng)作。車架調(diào)平系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)橫向和縱向2 個(gè)方向在150°斜坡上的調(diào)平，橫向和縱向的調(diào)平可以組合操作，也可以單獨(dú)操作，從而滿足不同農(nóng)機(jī)具的需求。

圖2 車架調(diào)平系統(tǒng)

3.2 多功能底盤與旋耕機(jī)的集成

旋耕機(jī)的集成模塊由過渡傳動(dòng)、旋耕機(jī)、液壓升降裝置、操縱裝置等組成，如圖3 所示。旋耕機(jī)工作幅寬約800 mm，安裝在底盤的后面。旋耕刀軸轉(zhuǎn)速約280 r/min，旋耕機(jī)傳動(dòng)箱輸入轉(zhuǎn)速約1 250 r/min，所以柴油機(jī)到傳動(dòng)箱的傳動(dòng)比為3 000/1 250=2.4。根據(jù)傳動(dòng)比和過渡傳動(dòng)的傳動(dòng)路線，采用2 級(jí)皮帶傳動(dòng)就能達(dá)到傳動(dòng)要求。旋耕機(jī)動(dòng)力離合采用皮帶松緊傳動(dòng)方式，安全可靠。旋耕機(jī)的升降采用液壓升降形式，考慮到耕深的穩(wěn)定性，液壓油缸采用雙作用油缸，使旋耕機(jī)不會(huì)隨地型變化上下起伏，保證作業(yè)質(zhì)量。操作上可以采用乘座式人工操作，也可以配置遙控操作。

圖3 多功能底盤與旋耕機(jī)的集成

3.3 多功能底盤與除草機(jī)的集成

除草機(jī)與多功能底盤的集成與旋耕機(jī)相似。集成模塊也是由過渡傳動(dòng)、液壓升降裝置、操縱裝置和除草機(jī)等組成，如圖4 所示。由于除草機(jī)與旋耕機(jī)的工作原理不一樣，所以除草機(jī)的傳動(dòng)模塊和液壓升降裝置都不同。除草機(jī)工作幅寬約800 mm，采用錘片式刀片，除草刀軸轉(zhuǎn)速約2 800 r/min，所以柴油機(jī)到除草機(jī)的傳動(dòng)比為3 000/2 800=1.07。根據(jù)柴油機(jī)與除草機(jī)的相對(duì)位置，采用2 級(jí)皮帶傳動(dòng)，其動(dòng)力的離合采用皮帶松緊傳動(dòng)方式。由于除草機(jī)在工作時(shí)刀片不能碰到地面，所以除草機(jī)采用限位輪進(jìn)行限位和對(duì)地面仿形，同時(shí)液壓升降采用單作用油缸，保證除草機(jī)工作時(shí)處于浮動(dòng)狀態(tài)。操作上可以用手柄人工操作，也可以配置遙控操作。

圖4 多功能底盤與除草機(jī)的集成

3.4 多功能底盤與噴藥設(shè)備的集成

噴藥設(shè)備的集成模塊由柱塞泵、藥箱、過渡傳動(dòng)裝置、操縱裝置等組成，如圖5 所示。柱塞泵安裝在柴油機(jī)后面，位于底盤偏前的位置，方便動(dòng)力傳遞。柱塞泵的輸入轉(zhuǎn)速約900 r/min，所以柴油機(jī)到柱塞泵的傳動(dòng)比為3 000/900=3.33。根據(jù)傳動(dòng)比和過渡傳動(dòng)的傳動(dòng)路線，采用2 級(jí)皮帶傳動(dòng)就能達(dá)到傳動(dòng)要求。藥箱容積約300 L，長(zhǎng)度約800 mm。藥箱安裝在柱塞泵后面，方便噴藥膠管的安放和噴藥操作。在噴藥設(shè)備集成后，整機(jī)的重心較為合理。

圖5 多功能底盤與噴藥設(shè)備的集成

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)丘陵山區(qū)林果種植的環(huán)境條件，本文設(shè)計(jì)一種多功能輕型底盤，可配置運(yùn)輸、除草、旋耕、打藥等多種農(nóng)機(jī)具。該多功能輕型底盤具有以下特點(diǎn)。

1）采用履帶行走機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的爬坡能力和優(yōu)越的通過能力，滿足丘陵山地的行走要求。

2）帶有自適應(yīng)調(diào)平功能，可縱向和橫向雙向調(diào)平，保證履帶底盤在運(yùn)輸作業(yè)時(shí)行走平穩(wěn)、安全可靠。

3）底盤可以配套運(yùn)輸、除草、旋耕、打藥等多種農(nóng)機(jī)具作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高了機(jī)器的使用率，降低了生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。