申屠留芳，秦紹波，孫星釗，孫亞軍,3，唐立杰,3，張 炎

(1. 淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2. 連云港市元天農(nóng)機(jī)研究所，江蘇 連云港 222006；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

由于玉米自身的生長特點(diǎn)，在前、中期時(shí)生長的速度很快，一般5月初播種到5月底便可長到300mm，到了中后期便可長到1 200mm，期間則需要對不同時(shí)期的玉米施撒相應(yīng)的肥料、農(nóng)藥和水分，且還要定期去除株間的雜草，以確保玉米有足夠的養(yǎng)分和水分[1-2]。目前，市場上的管理機(jī)大多以拖拉機(jī)為載體，再配備農(nóng)機(jī)具作業(yè)，完全無法滿足通過性要求。有很少一部分自走式管理機(jī)雖然滿足了高地隙要求，但機(jī)體結(jié)構(gòu)簡單，高橋基本采用的都是軸傳動和鏈傳動，強(qiáng)度差、易壞、工作不可靠、維修費(fèi)用高，且僅有一種或兩種管理功能(基本沒有中耕除草功能)，實(shí)用效果不好。

針對現(xiàn)有的玉米田間管理機(jī)的不足，設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)自走、高地隙、多功能及強(qiáng)動力的田間管理機(jī)，可在中后期的玉米田里自如行駛，操縱簡單可靠，實(shí)現(xiàn)玉米管理的全部作業(yè)(中耕除草、施肥、灌溉噴藥)。底盤是多功能管理機(jī)研制的核心部件，其結(jié)構(gòu)決定了管理機(jī)的離地間隙，同時(shí)影響管理機(jī)在玉米田間的通過性、可靠性和穩(wěn)定性等[3]，所以本文主要對管理機(jī)底盤的行駛系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)等主要部件和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 玉米田間管理機(jī)底盤的設(shè)計(jì)要求

1)通過性要求。玉米稈因?yàn)楸旧淼奶卣?，在玉米的中期便可長到800～1 200cm，為了確保在玉米中期仍能進(jìn)行作業(yè)，管理機(jī)要具有足夠高的地隙。

2)穩(wěn)定性要求。由于該機(jī)要實(shí)現(xiàn)玉米田間管理的所有功能，所以保證底盤具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，工作安全可靠，因此管理機(jī)具有足夠的穩(wěn)定性。

3)動力匹配問題。發(fā)動機(jī)應(yīng)有足夠強(qiáng)勁的動力來保證管理機(jī)配備農(nóng)機(jī)具工作時(shí)在任何路況下可以正常工作。

4)適配性要求。管理機(jī)底盤的懸掛不僅可以與中耕機(jī)、撒肥機(jī)、噴灑機(jī)構(gòu)等農(nóng)機(jī)具配套使用，滿足玉米前、中期間的作業(yè)要求，還能為玉米田間管理實(shí)施各種新型農(nóng)機(jī)具提供綜合應(yīng)用開發(fā)的平臺，真正地實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的要求。

5)適應(yīng)性要求。結(jié)合玉米種植時(shí)株間距、密度的特點(diǎn)來有效解決管理機(jī)工作時(shí)誤傷、壓玉米稈等問題。

6)整機(jī)合理性要求。設(shè)計(jì)的底盤配套機(jī)具位置合理性、作業(yè)合理性及綜合性能滿足高效、可靠、簡單、安全和易操作等要求。

2 底盤設(shè)計(jì)方案

2.1 玉米管理機(jī)型結(jié)構(gòu)的選擇

本設(shè)計(jì)選用鉸接式車架，試驗(yàn)表明：①在相同軸距、輪距情況下，鉸接車輛轉(zhuǎn)向半徑約為偏轉(zhuǎn)前輪轉(zhuǎn)向半徑的80%，很適合在玉米地狹小的空地上轉(zhuǎn)向。②在松軟地面上曲線行駛時(shí)仍能獲得較大的牽引力，保證了管理機(jī)在玉米地里不會因動力不足而無法行駛。③軸距更大，從而提高了行駛縱向穩(wěn)定性。④由于車架前后可以隨意擺動, 使車輪可以適應(yīng)不平地形,保持車輛有均勻的垂直載荷和良好的接地能力,改善了牽引性能,使車架的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大大減小。⑤由轉(zhuǎn)向橫拉桿控制管理機(jī)轉(zhuǎn)向，從而使前后橋的結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，降低生產(chǎn)成本[4]。綜合考慮后初定前車架長2 120mm，后車架長1 200mm，寬800mm。

2.2 驅(qū)動方式的選擇

目前，市場上管理車常見的驅(qū)動方式主要是四輪驅(qū)動和前、后輪單獨(dú)驅(qū)動，試驗(yàn)表明：①當(dāng)滑移率在50%，四輪驅(qū)動的牽引力較兩輪驅(qū)動大20%，所以四輪驅(qū)動的車輛牽引附著性更好，很適合附著性能較差的玉米地作業(yè)需要[5]。②四輪驅(qū)動管理機(jī)在前橋上有較大的質(zhì)量分配，并且前輪有驅(qū)動力，所以穩(wěn)定性和操縱性好。③四輪驅(qū)動減少了每一驅(qū)動輪的驅(qū)動力負(fù)擔(dān)，可以將足夠的動力傳至路面，所以四輪驅(qū)動的方式可以更好地應(yīng)對農(nóng)田地坑洼不平的地況，也更好低保護(hù)了農(nóng)田地土壤結(jié)構(gòu)。④四輪驅(qū)動車輛的前后車橋和輪胎的磨損均勻，有利于延長管理機(jī)的使用壽命。結(jié)合以上所述，本傳動設(shè)計(jì)選擇四輪驅(qū)動的行駛方式。

2.3 發(fā)動機(jī)選型和動力參數(shù)

發(fā)動機(jī)的選擇以可以滿足管理機(jī)在配備中耕機(jī)正常工作為標(biāo)準(zhǔn)來選擇，同時(shí)盡量選用較小功率發(fā)動機(jī)以減少整機(jī)的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。中耕除草作業(yè)消耗的發(fā)動機(jī)功率Nj為

Nj=0.1Kλ·d·νl·Bj/ηj

(1)

式中Kλ—中耕比阻(N/cm2)，查表取5.89[6]；

d—耕深(m)，d=2；

vl—運(yùn)行速度(m/s)，Vl=2；

Bj—中耕幅寬(m)，Bj=2；

ηj—傳動系比，取0.72[6]。

計(jì)算得Nj≈33kW。管理機(jī)工作時(shí)所消耗的功率Px為

(2)

u—摩擦因數(shù)，取0.3[6]；

ηψ—管理機(jī)傳動總效率，取0.75[6]。

計(jì)算得Px≈12kW。所以，管理機(jī)進(jìn)行中耕除草工作所需發(fā)動機(jī)功率為P=Nj+Px=44kW。因此，所選發(fā)動機(jī)功率必須大于44kW。經(jīng)過一番的市場考察，本設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)采用濰坊華信HX495四缸水冷柴油發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)額定功率為46.5kW，額定轉(zhuǎn)速為2 600r/min，國產(chǎn)品牌，成本低、質(zhì)量輕。

2.4 軸距、輪距選定

軸距是管理機(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù)，對整車整備質(zhì)量、總長、最小轉(zhuǎn)彎半徑、傳動軸長度及縱向通過半徑都有影響，且直接影響管理機(jī)的重心。因?yàn)橛衩滋锟臻g狹窄，要求管理機(jī)有較小的轉(zhuǎn)彎半徑，因此軸距不能過大；但也不能過小，否則縱向穩(wěn)定性和舒適性變差。因此，考慮管理機(jī)發(fā)動機(jī)與變速箱都應(yīng)該放置在前車架和當(dāng)懸掛農(nóng)機(jī)具工作時(shí)重心后移等因素，初定軸距為2 000mm，保證管理機(jī)在空載還是農(nóng)機(jī)具工作時(shí)重心都在兩軸之間。

輪距與管理機(jī)的總寬、總重、側(cè)向穩(wěn)定性和安全性有影響。當(dāng)軸距變小時(shí)，管理機(jī)的側(cè)向穩(wěn)定性變差；軸距過大時(shí)，管理機(jī)的轉(zhuǎn)向半徑便會變大。因此根據(jù)農(nóng)藝要求，其輪距應(yīng)與玉米行距相適應(yīng)，應(yīng)有足夠?qū)挼谋Ｗo(hù)帶，一般玉米種植為600mm等行距，本機(jī)設(shè)計(jì)輪距初定為2 000mm。

2.5 高橋傳動

為了確保管理機(jī)有足夠的離地間隙，所以在驅(qū)動橋與車輪之間加一高橋，不僅可以獲得高地隙，還可以進(jìn)一步增大傳動比?？紤]到農(nóng)田地土壤松軟而粘重，管理機(jī)行走阻力大，所以本設(shè)計(jì)高橋傳動采用五級直齒圓柱齒輪傳動，模數(shù)為6，可有效分擔(dān)變速箱和中央傳動的傳動比，確保機(jī)械強(qiáng)度。前后驅(qū)動橋主減速器半軸直接嚙合在高橋第一級齒輪上，中間經(jīng)過三級齒輪過度，第五級齒輪直接與輸出軸嚙合，從而將動力傳遞給車輪，從而實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其總長855mm，寬110mm，高橋最終傳動比i0≈3。

圖1 高橋傳動示意圖Fig.1 Schematic of high bridge transmission

2.6 行走輪胎

由于玉米種植間距小，選用輪胎一定要足夠窄，又要考慮玉米稈的高度，保證管理機(jī)的通過性，所以該管理機(jī)應(yīng)該使用窄而大的輪胎。不僅可以防止輪胎壓玉米稈還可以獲得較高的離地間隙，同時(shí)減少了土壤的壓實(shí)，保護(hù)了土壤，實(shí)屬一舉三得。本前后行走輪胎都采用橡膠凸耳輪，為剛性輪胎，輪胎外徑D0=1 335mm，寬度B0=130mm，如圖2所示。

圖2 輪胎示意圖Fig.2 Schematic of tires

3 關(guān)鍵工作機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 變速箱的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將變速箱與分動器設(shè)計(jì)成一體，不僅可以變速又可將動力多向傳動，且結(jié)構(gòu)緊湊便于整體的布置[7]。其中，變速器齒輪選用成熟產(chǎn)品，提高了可靠性的同時(shí)又節(jié)約了成本。傳動軸是承擔(dān)扭矩的主要部件，所以針對軸進(jìn)行專門的材料和尺寸選取，以其中一轉(zhuǎn)軸為例：軸的材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，查資料知40Cr的彎曲疲勞極限δ-1=370MPa，扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ-1=210MPa。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

(3)

式中T—軸所傳遞的扭矩(N·m),T=170；

Wt—抗扭截面模量。

Wt=πd3/16mm3

將式(3)變形得到軸直徑d的不等式(4)，即

(4)

式中C—系數(shù);

[τ]—許用扭轉(zhuǎn)剪切力。

由于前后輪胎直徑相同，所以在分動時(shí)采用同一根軸將動力分別傳至前后驅(qū)動橋。由于管理機(jī)使用的輪胎為剛性的，所以輪胎的變形可以忽略不計(jì)，便可認(rèn)為前后輪的差速率為零，實(shí)現(xiàn)同速傳動。管理機(jī)在農(nóng)田工作時(shí)速度變化范圍不大，所以變速分動器內(nèi)有3個(gè)前進(jìn)擋，2個(gè)倒退擋，各檔傳動比如表1所示，傳動簡圖如圖3所示。

表1 檔位傳動比比值表

1.Ⅰ軸 2.Ⅱ軸 3.Ⅰ～Ⅲ擋從動齒輪 4.Ⅱ軸常嚙合齒輪 5.結(jié)合套 6.副動力輸出軸 7.中間齒輪 8.最終傳動齒輪 9.分動軸 10.被動齒輪 11.主動齒輪 12.倒擋齒輪 13.倒擋軸 14.Ⅱ～Ⅲ擋滑動齒輪 15.殼體圖3 變速分動器傳動簡圖Fig.3 Schematic of variable speed transfer transmission

3.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該管理機(jī)的發(fā)動機(jī)不僅要行駛提供動力，還要為灌溉、中耕、施肥等提供動力，所以管理機(jī)的傳動系統(tǒng)顯得尤為重要[9]。整機(jī)傳動方案如圖4所示。

圖4中，液壓泵1直接連接在發(fā)動機(jī)2上，發(fā)動機(jī)2部分動力傳至液壓泵1，液壓泵1將為轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向橫拉稈、升降系統(tǒng)、撒肥機(jī)等提供動力，形成一整套液壓系統(tǒng)；發(fā)動機(jī)2通過發(fā)動機(jī)離合器3將動力傳至變速分動器4，經(jīng)過降速增距后將大部分動力通過萬向節(jié)5傳至前橋6和后橋9；然后動力經(jīng)過前后橋的差速器、半軸傳至前高立橋7和后高立橋10，最后將動力分別傳至前輪8和后輪11，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動。同時(shí)，變速分動器內(nèi)還設(shè)有后輸出軸12，通過萬向節(jié)5與齒輪分動箱13連接，實(shí)現(xiàn)二次分動。齒輪分動箱13將動力分成兩路：一路與隔膜泵15相連，隔膜泵15將為噴灑裝置提供動力；另一路通過萬向節(jié)5與齒輪離合器14相連，當(dāng)需要管理機(jī)中耕工作時(shí)，齒輪離合器嚙合將為中耕機(jī)提供動力，不需要中耕時(shí)將齒輪離合器斷開便可停止中耕機(jī)工作，最終實(shí)現(xiàn)管理機(jī)整機(jī)的動力傳動。玉米田間管理機(jī)的底盤傳動示意圖，如圖5所示。

圖4 底盤傳動方案Fig.4 Schematic of chassis transmission

1.液壓泵 2.發(fā)動機(jī) 3.前輪 4.離合器 5.前高立橋 6.齒輪離合器 7.前橋 8.萬向節(jié) 9.后橋 10.后高立橋 11.后輪 12.齒輪離合器 13.隔膜泵 14.齒輪分動箱 15.后輸出軸圖5 玉米田間管理機(jī)的底盤傳動示意圖Fig.5 Schematic of maize field management machine chassis transmission

4 整機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

4.1 底盤方案設(shè)計(jì)

底盤布置方案中，將發(fā)動機(jī)放在前車架上縱向布置，既可以保證前橋承載一定的質(zhì)量，又可使離合器、變速分動箱等質(zhì)量較大的部件盡量靠近前橋布置，證了管理機(jī)的通過性。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，底盤布置方案如圖6所示。

4.2 管理機(jī)底盤結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的底盤布置方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配并不斷調(diào)整裝配位置，最終得到管理機(jī)總體底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖7所示。

1.前車架 2.發(fā)動機(jī) 3.離合器 4.轉(zhuǎn)向器 5.齒輪離合器 6.齒輪分動箱 7.隔膜泵 8.齒輪離合器 9.后車架 10.后驅(qū)動橋 11.后高立橋 12.后輪 13.中間鉸接箱 14.前驅(qū)動橋 15.前高立橋 16.前輪圖6 管理機(jī)底盤布置方案圖Fig.6 Schematic of management machine chassis layout

4.3 管理機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局實(shí)現(xiàn)

完成管理機(jī)底盤設(shè)計(jì)方案后對管理機(jī)的配套設(shè)備進(jìn)行布置，得到整機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖8所示。將噴灑機(jī)構(gòu)布置在前車架前端，采用龍門式升降架來控制噴稈的升降，噴桿為三段折疊式，兩端的噴桿由雙向電動拉桿控制。后車架尾部上端安置通用性三點(diǎn)懸掛，可以根據(jù)工作需要方便快捷地更換中耕機(jī)或者撒肥機(jī)，藥液箱安置在后車架前端，使重心落在后橋位置上，合理分配整機(jī)質(zhì)量。其中，噴桿的折疊、噴灑系統(tǒng)的控制閥和液壓系統(tǒng)的控制閥都安裝在操作臺上，完成駕駛室的控制集成化，方便對整機(jī)的操縱，從而實(shí)現(xiàn)玉米田間管理機(jī)的全套工作。管理機(jī)外形尺寸(L×W×H)為5 400mm×2 040mm×3 000mm，離地間隙為1 200mm，空載總質(zhì)量約620kg；水泵功率/轉(zhuǎn)速為5.5kW/600r/min，藥液箱容積為1 050L，撒肥箱容量為480L，中耕除草刀結(jié)構(gòu)犁式為旋轉(zhuǎn)式割刀。

1.前車架 2.發(fā)動機(jī) 3.離合器 4.轉(zhuǎn)向器 5.齒輪離合器 6.齒輪分動箱 7.隔膜泵 8.齒輪離合器 9.后車架 10.后驅(qū)動橋 11.后高立橋12.后輪 13.中間鉸接箱 14.前驅(qū)動橋 15.前高立橋 16.前輪圖7 管理機(jī)底盤設(shè)計(jì)方案圖Fig.7 The design drawing of management machine chassis

1.龍門式升降架 2.1號液壓箱 3.發(fā)動機(jī) 4.柴油箱 5.液壓控制閥 6.灌溉系統(tǒng)控制閥 7.雙人座椅 8.二號液壓箱 9.藥液箱 10.懸掛系統(tǒng) 11.配套撒肥機(jī) 12.配套中耕機(jī) 13.中間過渡軸 14.轉(zhuǎn)向橫拉稈圖8 管理機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)方案圖Fig.8 The design drawing of the whole management machine

5 田間試驗(yàn)與結(jié)果

5.1 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在位于連云港東海縣白塔鎮(zhèn)王小埠村進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于平原地區(qū)，土壤為壤土；當(dāng)日環(huán)境溫度為16.4℃，相對濕度為53.6%,大氣壓力為102.5kPa，土壤堅(jiān)實(shí)度為247.5×104Pa。試驗(yàn)地塊玉米收獲后，秸稈粉碎機(jī)粉碎還田。秸稈覆蓋量3.8kg/m2。試驗(yàn)分為3大部分，分別為噴灑試驗(yàn)、中耕試驗(yàn)和撒肥試驗(yàn)。

5.2 試驗(yàn)基本條件

本管理機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 多功能鉸接式管理機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

6 結(jié)論

針對目前市場缺少多功能玉米田間管理機(jī)的問題，通過研究玉米種植、玉米地況和需要田間的管理作業(yè)設(shè)計(jì)了一套符合玉米種植前、中期的管理作業(yè)的高地隙強(qiáng)動力底盤。試驗(yàn)表明：該管理機(jī)滿足通過性要求，各種玉米田間管理工作質(zhì)量符合農(nóng)藝要求(中耕除草、施肥、灌溉噴藥)，性能可靠，真正實(shí)現(xiàn)了多功能、高效率及低成本的目標(biāo)。

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