液壓后驅(qū)式輕型農(nóng)機(jī)水田自走底盤的設(shè)計(jì)

楊瑩+周偉權(quán)

摘要：水田地形較復(fù)雜，且工作量繁多，導(dǎo)致水田機(jī)械相較于其他機(jī)械較為落后。設(shè)計(jì)一種液壓后驅(qū)式輕型農(nóng)機(jī)水田自走底盤，闡述總體設(shè)計(jì)方案與要求，介紹關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行理論分析，以期為加快水田機(jī)械的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：水田機(jī)械；底盤；液壓后驅(qū)；Solid works；PRO/E

中圖分類號(hào)：S229.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）10-0012-04

目前，在農(nóng)村水田應(yīng)用較廣的作業(yè)機(jī)械主要是小型手扶拖拉機(jī)。但因我國的手扶拖拉機(jī)生產(chǎn)規(guī)模小、成本高，且自身質(zhì)量大、操作安全性較差、使用維修成本高，加上農(nóng)民又普遍缺乏維護(hù)知識(shí)，使得手扶拖拉機(jī)的應(yīng)用受到了限制。因此，研究新型的輕型農(nóng)機(jī)水田自走底盤，對于發(fā)展農(nóng)村農(nóng)業(yè)機(jī)械化、加快農(nóng)民脫貧致富、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國是農(nóng)業(yè)大國，水田的比重非常之大，水稻種植面積約3 300萬hm2，占全國總耕地面積的1/4以上[1]，水田的產(chǎn)能在中國糧油安全戰(zhàn)略規(guī)劃中占有極其重要的地位。大量數(shù)據(jù)表明，在主要糧食作物生產(chǎn)中，水田的綜合機(jī)械化水平最低，近年水稻平均機(jī)械化程度約 50.0%，其中水田耕整 65.0%、栽植 13.7%、植保 55.0%、收獲 51.2%。在總體水平不高的同時(shí)，還存在著諸如水稻種植機(jī)械化這樣“瓶頸”中的“瓶頸”問題[2]。對于水稻插秧機(jī)，雖然我國已掌握核心工作部件的關(guān)鍵技術(shù)，但整機(jī)受限于沒有國產(chǎn)高性價(jià)比底盤支持而無法大量推廣與應(yīng)用。盡管國內(nèi)人員做了大量的工作，但產(chǎn)品仍然存在著一系列的問題[3]。

針對上述問題，從解決性能方面入手，利用Solid works及PRO/E等分析軟件，擬設(shè)計(jì)不同于現(xiàn)有底盤的液壓后驅(qū)式輕型農(nóng)機(jī)水田自走底盤，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行理論分析。

1 總體設(shè)計(jì)方案與要求

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村摩托車使用量不斷增大。一臺(tái)普通汽油機(jī)與相同功率的柴油機(jī)相比，其質(zhì)量約為柴油機(jī)的1/3，而且汽油機(jī)耗油量低、使用方便、價(jià)格便宜。目前，大部分手扶拖拉機(jī)的功率為8.8 kW（12馬力），質(zhì)量為350 kg左右；而普通125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率可達(dá)7.5 kW左右，可基本滿足驅(qū)動(dòng)小型農(nóng)機(jī)具的作業(yè)要求[4]。

現(xiàn)代的車輛及機(jī)具的行走裝置主要使用純機(jī)械、液力、液壓和電力4種傳動(dòng)方式。與其他傳動(dòng)方式相比，液壓傳動(dòng)方式具有布局靈活方便，無級(jí)調(diào)速范圍寬，起步、調(diào)速及換向柔和、迅速、沖擊小，以及操作舒適等優(yōu)點(diǎn)[5]。在農(nóng)業(yè)機(jī)械行走機(jī)構(gòu)中采用液壓傳動(dòng)可以大大改善行走機(jī)械的工作性能。采用125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為配套動(dòng)力，與液壓傳動(dòng)方式相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種輕型農(nóng)機(jī)水田自走底盤，可增加底盤的自適應(yīng)能力和改善發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的工作環(huán)境。

由于底盤主要用于水田作業(yè)，因此底盤在總體上應(yīng)滿足簡小、輕體、通過性好、推進(jìn)力強(qiáng)的要求。同時(shí)，要求底盤有較小的轉(zhuǎn)彎半徑、后輪差速、前橋浮動(dòng)、與行走速度同步的動(dòng)力輸出和具備農(nóng)機(jī)具懸掛系統(tǒng)等功能。

2 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤的車體主要由車架、前橋、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等部分組成（如圖1所示）[6]。車架采用圓形鋼管三角形連接的方式，簡化了車架的結(jié)構(gòu)；前橋相對于車架可繞軸浮動(dòng)，保證了底盤的4個(gè)輪子在不平的地面均能著地；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為雙液壓馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)底盤的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向差速、后退、停車等動(dòng)作；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤通過轉(zhuǎn)向上軸、轉(zhuǎn)向下軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器連接，上軸、下軸、轉(zhuǎn)向器間的連接為萬向節(jié)連接[7]。

3 底盤液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

底盤的液壓系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、動(dòng)力輸出系統(tǒng)3個(gè)部分（如圖2所示）。

3.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

一泵雙馬達(dá)并聯(lián)能實(shí)現(xiàn)底盤的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向差速、后退、停車等動(dòng)作。系統(tǒng)中的三位四通手動(dòng)換向閥1用于控制底盤的前進(jìn)、后退、停止，當(dāng)其位于中位時(shí)，底盤處于停車狀態(tài)；當(dāng)其位于左位時(shí)，底盤處于前進(jìn)狀態(tài)；當(dāng)其位于右位時(shí)，底盤處于后退狀態(tài)。馬達(dá)支路上安裝有高壓球閥，手工撥動(dòng)球閥控制桿在不同位置可控制底盤的行走速度、單輪速度和實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

3.2 液壓升降系統(tǒng)

拖拉機(jī)上的懸掛機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)方式早在20世紀(jì)30年代就開始了，目前液壓懸掛系統(tǒng)已發(fā)展得比較完善，它可以控制農(nóng)具的升降，根據(jù)土壤阻力的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)耕深，也可以根據(jù)拖拉機(jī)與農(nóng)具的相對位置的高低自動(dòng)調(diào)節(jié)農(nóng)具的相應(yīng)位置，因此現(xiàn)代大中型輪式拖拉機(jī)和部分履帶拖拉機(jī)都設(shè)置了液壓懸掛裝置。本底盤的升降系統(tǒng)主要由二位三通電磁閥、節(jié)流閥、單向閥、油缸和限位開關(guān)組成。當(dāng)電磁閥2位于左位時(shí)，打開節(jié)流閥，油缸在懸掛物的重力作用下慢慢下降，控制節(jié)流閥的開度可以控制下降的速度；當(dāng)其位于右位時(shí)，關(guān)閉節(jié)流閥，油缸上升，到達(dá)預(yù)定位置時(shí)將其轉(zhuǎn)回左位，升降高度即可保持。當(dāng)油缸上升到最高位置時(shí)，限位開關(guān)使電磁閥斷電后回復(fù)至左位，油缸自動(dòng)停止上升。

3.3 動(dòng)力輸出系統(tǒng)

動(dòng)力輸出系統(tǒng)主要由馬達(dá)、二位三通電磁閥、單向閥組成。當(dāng)電磁閥3位于左位時(shí)，馬達(dá)啟動(dòng)，并與傳動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)馬達(dá)串聯(lián)，從而可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出系統(tǒng)的速度與行走速度相匹配；當(dāng)其位于右位時(shí)，馬達(dá)停止，此時(shí)動(dòng)力輸出系統(tǒng)不工作。在此，單向閥可以防止在動(dòng)力輸出系統(tǒng)不工作時(shí)系統(tǒng)油液沖擊馬達(dá)。

4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

底盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（如圖3所示）主要安裝在前橋桿上。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，方向盤通過上軸、下軸與轉(zhuǎn)向器連接，上軸、下軸、轉(zhuǎn)向器間的連接為萬向節(jié)連接。當(dāng)路面不平使前橋左右浮動(dòng)時(shí)，通過兩個(gè)萬向節(jié)的作用使方向盤的動(dòng)能平穩(wěn)地傳遞到轉(zhuǎn)向器，從而提高底盤轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和可靠性。輪邊的轉(zhuǎn)向節(jié)使用專門設(shè)計(jì)的小型轉(zhuǎn)向節(jié)，這種轉(zhuǎn)向節(jié)有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

5 應(yīng)力分析

車架作為車體的關(guān)鍵部件，其受力安全與否直接影響底盤性能的好壞，因此有必要對車架進(jìn)行受力分析。Pro/E軟件的Mechanica模塊提供了結(jié)構(gòu)分析和熱力分析功能，可以對零件或者組件進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預(yù)應(yīng)力分析及振動(dòng)分析等，還可以根據(jù)熱力狀態(tài)進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)車架的受力情況（如圖4所示），在 Mechanica模塊中對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到車架的應(yīng)力應(yīng)變圖。

車架為3根鋼管通過彎板開孔套入焊接而成，鋼管外徑45 mm，壁厚5 mm，彎板厚8 mm。根據(jù)測量與計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架、乘坐人員對車架的作用力F1=1 200 N，農(nóng)機(jī)具對車架的作用力F2=1 600 N，液壓馬達(dá)的最大驅(qū)動(dòng)力F3=1 930 N。經(jīng)分析，得出車架的受力應(yīng)力圖（如圖5所示）。

由圖5可以看出：車架應(yīng)力最大值出現(xiàn)在后橋與兩彎板的連接處，最大應(yīng)力為 119.9 MPa。

作為農(nóng)用機(jī)械，作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行安全系數(shù)方面的考慮，假設(shè)安全系數(shù)n=1.3，那么設(shè)計(jì)的車架的最大應(yīng)力為155.9 MPa，小于234.0 MPa。因此，車架的設(shè)計(jì)有較大的安全儲(chǔ)備，若進(jìn)行批量生產(chǎn)，可以對車架進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的零部件尺寸。經(jīng)分析，得出車架的受力應(yīng)變圖（如圖6所示）。

由圖6可以看出：車架受力應(yīng)變最大值出現(xiàn)在后橋的中部，即農(nóng)機(jī)具掛接板附近，最大應(yīng)變?yōu)?.82 mm。綜上所述，車架設(shè)計(jì)選材合理。

6 結(jié)論

底盤采用125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了底盤的動(dòng)力匹配，增強(qiáng)了底盤的自適應(yīng)能力，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的工作環(huán)境；底盤的液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩輪馬達(dá)差速行走、同步動(dòng)力輸出和液壓油缸升降的功能；本設(shè)計(jì)的底盤質(zhì)量為200 kg，與目前大部分手扶拖拉機(jī)（質(zhì)量一般為350 kg左右）相比，達(dá)到輕體的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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