地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)研究

劉宏新 唐師法 劉俊孝 李彥龍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)研究

劉宏新 唐師法 劉俊孝 李彥龍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

針對(duì)大型寬幅農(nóng)機(jī)具運(yùn)輸和田間轉(zhuǎn)移困難，現(xiàn)有形式復(fù)雜或操作不便等問(wèn)題，研究一種高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)。平臺(tái)采用中置式作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪技術(shù)方案，配套動(dòng)力離合、液壓同步升降、機(jī)械鎖定、車輪方向變換、傳動(dòng)比調(diào)節(jié)等附屬機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)橫向懸掛作業(yè)與側(cè)向牽引運(yùn)輸狀態(tài)方便快捷的轉(zhuǎn)換。通過(guò)理論分析結(jié)合數(shù)字樣機(jī)虛擬仿真，確定了變形及液壓加力等核心機(jī)構(gòu)的參數(shù)，并對(duì)比了與常規(guī)地輪前置機(jī)架的耕深控制特性，地輪與作業(yè)部件安裝位置與距離所產(chǎn)生的仿形超前或滯后問(wèn)題得到明顯改善。為檢驗(yàn)研究成果，以平臺(tái)為載體設(shè)計(jì)了高機(jī)動(dòng)性24行大豆密植平播機(jī)，并進(jìn)行了工程結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。樣機(jī)試驗(yàn)表明，作業(yè)效果良好，平臺(tái)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換單人操作用時(shí)小于8 min，運(yùn)輸過(guò)程安全、穩(wěn)定。

農(nóng)業(yè)機(jī)械； 大型農(nóng)機(jī)具； 機(jī)具平臺(tái)； 試驗(yàn)

引言

大型寬幅農(nóng)機(jī)具不僅能夠降低生產(chǎn)成本而且可以增加作物產(chǎn)量，提高工作效率。但是大型農(nóng)機(jī)具又帶來(lái)了嚴(yán)重的運(yùn)輸問(wèn)題，巨大的幅寬使得大型農(nóng)機(jī)具在運(yùn)輸和田間轉(zhuǎn)移時(shí)的靈活性和安全性無(wú)法保證[1-2]。為了保證大型農(nóng)機(jī)具的通過(guò)性與靈活性，國(guó)內(nèi)外主要有3種解決方式：折疊，又細(xì)分為上下折疊、水平折疊和舉升折疊3種；為大幅寬農(nóng)具配套一專用于運(yùn)輸?shù)臓恳_(tái)車；雙架組合式，由行走的基架與作業(yè)的托架組合成，托架可在基架上升降并能90°轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)與運(yùn)輸兩種幅寬的轉(zhuǎn)變[3-5]。顯然，折疊機(jī)具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，適用于無(wú)種肥的耕整地機(jī)械或集中種肥氣送式播種機(jī)；專用運(yùn)輸臺(tái)車配套成本高，現(xiàn)場(chǎng)操作不便；雙架組合式則結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且成本高。

本文提出一種高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架通用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換方便快捷的目標(biāo)，為大型農(nóng)機(jī)具的轉(zhuǎn)場(chǎng)與田間移動(dòng)提供一種新的思路和工程解決方案。

1 技術(shù)方案與工作原理

1.1 技術(shù)方案

圖1 地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagrams of middle-mounted wheel high-mobility universal frame platform for wide-breadth farm implements1.作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng) 2.主梁 3.三點(diǎn)懸掛系統(tǒng) 4.隱形牽引機(jī)構(gòu)

地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)(簡(jiǎn)稱平臺(tái))總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)、主梁、三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)、隱形牽引機(jī)構(gòu)組成，平臺(tái)采用橫向作業(yè)、側(cè)向牽引運(yùn)輸?shù)目傮w方案，通過(guò)中置的作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，主梁既可搭載復(fù)式播種作業(yè)部件，也可搭載中耕植保機(jī)具等，實(shí)現(xiàn)不同的功能。隱形牽引機(jī)構(gòu)在平臺(tái)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)起到牽引功能，作業(yè)狀態(tài)時(shí)隱藏于主梁中。

1.2 工作原理

平臺(tái)作業(yè)時(shí)(圖1a)，拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)與平臺(tái)掛接，沿主梁橫向牽引機(jī)具。此時(shí)工作部件與地面接觸，作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)為工作部件提供動(dòng)力。運(yùn)輸時(shí)(圖1b)，液壓裝置驅(qū)動(dòng)兼用型地輪系統(tǒng)將主梁升起，此時(shí)工作部件與地面脫離，拖拉機(jī)通過(guò)隱形牽引機(jī)構(gòu)，沿主梁側(cè)向牽引機(jī)具。地輪組的安裝方式為萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，只需要拖拉機(jī)沿前進(jìn)方向?qū)C(jī)具進(jìn)行牽引，地輪組在偏轉(zhuǎn)力矩作用下即可旋轉(zhuǎn)至所需要的工作位置。

2 地輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)主要由液壓加力裝置、變形機(jī)構(gòu)、地輪組、傳動(dòng)鏈輪和動(dòng)力離合裝置等組成[6]，如圖2所示。

圖2 作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Land wheel mechanism diagram for operation and transport purposes1.液壓加力裝置 2.變形機(jī)構(gòu) 3.鎖定插銷 4.地輪組 5.地輪軸鏈輪 6.傳動(dòng)軸輸入鏈輪 7.上鉸接點(diǎn)鏈輪 8.離合裝置從動(dòng)鏈輪 9.離合裝置 10.離合裝置主動(dòng)鏈輪 11.傳動(dòng)軸輸出鏈輪

作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)利用同步液壓加力裝置驅(qū)動(dòng)變形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與主支座掛接的主梁的升降[7]。地輪組為萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)鎖定插銷實(shí)現(xiàn)地輪狀態(tài)的鎖定。作業(yè)時(shí)，工作部件需要地輪提供動(dòng)力，為避免兼用型地輪系統(tǒng)耕深調(diào)節(jié)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，鏈傳動(dòng)的中心距發(fā)生變化產(chǎn)生跳齒、脫鏈等現(xiàn)象，選取變形機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)安裝鏈輪，不需要使用張緊器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。地輪動(dòng)力通過(guò)地輪軸鏈輪、離合裝置主動(dòng)鏈輪傳遞到牙嵌式爪盤動(dòng)力離合裝置，運(yùn)輸狀態(tài)下裝置脫離中斷動(dòng)力傳輸；作業(yè)狀態(tài)下裝置結(jié)合將動(dòng)力通過(guò)離合裝置從動(dòng)鏈輪傳遞至上鉸接點(diǎn)鏈輪，然后傳遞到傳動(dòng)軸輸入鏈輪，最后從另一端的傳動(dòng)軸輸出鏈輪輸出。

2.2 變形機(jī)構(gòu)分析及主要參數(shù)

變形機(jī)構(gòu)是兼用型地輪系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是實(shí)現(xiàn)地輪系統(tǒng)作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換的核心。設(shè)計(jì)要求既能保證地輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具地輪限深、仿形和耕深調(diào)整等功能，又能實(shí)現(xiàn)作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)方便快捷的轉(zhuǎn)換，保證運(yùn)輸狀態(tài)下良好的通過(guò)性。

圖3所示的變形機(jī)構(gòu)是由上擺梁、下擺梁、共邊桿和立柱組成的復(fù)合平行四桿結(jié)構(gòu)。當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，利用液壓加力裝置驅(qū)動(dòng)復(fù)合平行四桿結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)掛接在主支座上主梁的升降。復(fù)合平行四桿結(jié)構(gòu)時(shí)刻保證兩根立柱的平行。

圖3 變形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of deforming structure1.液壓加力裝置 2.主支座 3.下擺梁 4.立柱 5.共邊桿 6.上擺梁

主支座與上擺梁的連接方式為單點(diǎn)鉸接。作業(yè)狀態(tài)下掛接在主支座上的主梁可以通過(guò)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的整體仿形。而在運(yùn)輸狀態(tài)下，主支座上掛接的主梁與上擺梁面接觸，限制主梁的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自鎖，保證運(yùn)輸安全。

平臺(tái)的升降高度h應(yīng)滿足作業(yè)下足夠的耕深調(diào)節(jié)量以及運(yùn)輸狀態(tài)下的各部件足夠的離地間隙[8]，設(shè)定值為600 mm。在升降高度的約束條件下綜合考慮作業(yè)時(shí)的即時(shí)仿形反饋與道路運(yùn)輸時(shí)的安全性[9]，確定上擺梁長(zhǎng)度l1為750 mm，最大耕深作業(yè)狀態(tài)上擺梁與水平線最大夾角θmax為53°，最大耕深作業(yè)輪距B1為900 mm，運(yùn)輸輪距B2為1500 mm。

2.3 液壓加力裝置參數(shù)求解與優(yōu)化

變形機(jī)構(gòu)采用圖3所示的非端部支撐雙缸對(duì)置液壓支撐方案。由于變形過(guò)程中液壓加力裝置需繞過(guò)立柱與上擺臂的連接套銷，并與上擺梁交叉，因此液壓加力裝置各參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化和求解。

液壓加力裝置需滿足2個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，首先為保證能夠使用單級(jí)缸體，期望工作行程S與安裝距離L之比??；其次為保證擺梁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中缸體端部不與套銷發(fā)生碰撞。

2.3.1非端部支撐機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

非端部支撐機(jī)構(gòu)受力如圖4所示。當(dāng)上擺梁AC平置時(shí)，地輪處于運(yùn)輸狀態(tài)，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下AC繞A點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)53°，地輪轉(zhuǎn)換為作業(yè)狀態(tài)。

圖4 非端部支撐雙缸對(duì)置液壓支撐結(jié)構(gòu)桿件受力圖Fig.4 Member force diagram of non-end support structure with two opposed cylinders

圖中AC為上擺梁；BD為安裝臂；D點(diǎn)為液壓缸的安裝點(diǎn)；G點(diǎn)為D′點(diǎn)沿豎直方向在AC桿上的投影點(diǎn)；E點(diǎn)為D′點(diǎn)沿水平方向在AN上的投影點(diǎn)；M點(diǎn)為D′點(diǎn)沿水平方向在AC′桿上的投影點(diǎn)；N點(diǎn)為C′點(diǎn)所在水平線與A點(diǎn)所在豎直線的交點(diǎn)；θ為擺梁的運(yùn)動(dòng)范圍角，(°)；F0為地面給予單個(gè)地輪的支持力，N；F′0為液壓缸的推力，N。實(shí)線表示地輪機(jī)構(gòu)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)上擺梁的位置；虛線表示地輪機(jī)構(gòu)狀態(tài)變換中的任意位置。

當(dāng)θ=0°時(shí)，所需液壓缸推力最大。由于液壓加力裝置為單作用、無(wú)背壓的液壓缸，缸體內(nèi)徑為

(1)

式中p1——液壓缸工作腔壓力，MPa

為保證缸體使用安全性，下面均以液壓缸最大推力計(jì)算D0。

2.3.2液壓加力裝置尺寸及安裝位置的可行域確定

已知條件和約束：lAC=750 mm；θ=[0°，53°]，F(xiàn)0=1.47×104N；由于結(jié)構(gòu)限制，液壓缸最大使用外徑D1max=100 mm；缸體材料的需用應(yīng)力[σ]=100 MPa[10]；p1=16 MPa；為保證缸體安裝合理應(yīng)滿足安裝距離L≥150 mm，即單側(cè)安裝距離lD′E≥75 mm。

(1)工作行程與安裝距離比的影響因素

當(dāng)機(jī)構(gòu)在θ=53°位置時(shí)，液壓缸的單側(cè)安裝距離

lD′E=lABsin37°-lBD(1/cos37°-sin37°tan37°)

(2)

液壓缸的單側(cè)工作行程

lGB=lAB(1-sin37°)+lBD(1/cos37°-sin37°tan37°)

(3)

則工作行程與安裝距離之比為

(4)

由于設(shè)計(jì)要求工作行程S與安裝距離L之比小，因此期望lAB取值小，lBD取值大。

(2)參數(shù)可行域的確定

由于機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布，故以右半側(cè)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，目標(biāo)優(yōu)化解析圖如圖5所示。

圖5 目標(biāo)優(yōu)化解析圖Fig.5 Diagram of objective optimization analysis

液壓缸的壁厚δ為[22]

(5)

其中

D0=D1-2δ

式中D1——缸體外徑，mm

當(dāng)機(jī)構(gòu)處于作業(yè)狀態(tài)，即θ=53°時(shí)，安裝點(diǎn)D應(yīng)在銷軸中心C點(diǎn)所在水平線以下，⊙O的半徑RO=50 mm，則N點(diǎn)到缸體中心線的最小距離lNE5為

lNE5=kD1max/2+RO=133 mm

(6)

式中k——安全系數(shù)，選1.66[10]

圖5中的DE系列即為圖4中的D′E。根據(jù)圖4可得到lAB、lBD、lDE和lNE之間的幾何關(guān)系式為

lBD=(lACsin37°-lD′E-lNEtan37°)cos37°

(7)

lAB=lAC-lBDtan37°-lNE/cos37°

(8)

由式(1)～(8)并結(jié)合圖中各參數(shù)的幾何關(guān)系可以確定lBD的取值范圍為lBD∈[121，221]；lAB的取值范圍為lAB∈[285，493]；缸體內(nèi)徑D0的取值范圍為D0∈[63，84]；缸體外徑D1的取值范圍為D1∈[75，100]。

單側(cè)缸體的總長(zhǎng)為[21]

L0=S/2+X+H+Y+Z

(9)

式中X——活塞寬度，本文取0.8D0，mm

H——活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，取1.2D0，mm

Y——活塞桿密封長(zhǎng)度，取10 mm

Z——其他長(zhǎng)度，取25 mm

有

L0=lAB(1-sin37°)+
lBD(1/cos37°-sin37°tan37°)+2D0+35

(10)

2.3.3最優(yōu)參數(shù)確定

3 耕深控制特性分析

3.1 耕深控制方式

大型機(jī)具作業(yè)時(shí)的耕深控制方式一般采用高度調(diào)節(jié)[12-13]，兼用型地輪通過(guò)調(diào)節(jié)自身油缸改變地輪與農(nóng)機(jī)具工作部件底平面之間的相對(duì)位置達(dá)到調(diào)節(jié)耕深的目的。由于中置的地輪與拖拉機(jī)共用行走帶，機(jī)具行走在經(jīng)拖拉機(jī)車輪壓實(shí)后的土壤上，此時(shí)土壤的附著條件及比阻一致性較好，采用高度調(diào)節(jié)法可得到均勻的耕深。

高度調(diào)節(jié)時(shí)，拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)油缸處于浮動(dòng)狀態(tài)，懸掛機(jī)構(gòu)各桿件可以在機(jī)組垂直平面內(nèi)自由擺動(dòng)。圖6a所示為常規(guī)單輪前置式機(jī)架地輪與主梁之間采用剛性連接的方式，兩者之間無(wú)自由度。機(jī)架整體仿形時(shí)繞地輪位置軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)離地輪作業(yè)部分會(huì)出現(xiàn)較大的仿形不一致。而本平臺(tái)(圖6b)地輪架與主梁之間的單鉸接方式使機(jī)架多了一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，整體仿形時(shí)機(jī)架整體繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)具適應(yīng)地面起伏的仿形功能有更好的效果。

圖6 整體仿形方式Fig.6 Overall profiling method

3.2 虛擬樣機(jī)仿真

為了分析該種整體仿形方式的耕深控制特性，應(yīng)用仿真軟件模擬地輪中置和常規(guī)地輪前置兩種情況的作業(yè)效果。

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將主梁、上懸掛、下懸掛、地輪連接部件進(jìn)行一體化處理，命名為“主梁總成”，創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖7和圖8所示。按照表1分別創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副，定義地面1為固定件，分別驅(qū)動(dòng)表1

中“點(diǎn)曲線14”和“點(diǎn)曲線11”進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，完成運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)構(gòu)?？紤]實(shí)際工作部件安裝位置，參考一般復(fù)式作業(yè)機(jī)具，施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓部件工作位置選取a、b、c、d點(diǎn)作為繪制軌跡的要素，以地面1為參考，得到各工作部件相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)軌跡[14]。

圖7 地輪中置運(yùn)動(dòng)仿真模型Fig.7 Motion simulation model of middle-mounted1.地面 2.前地輪 3.下拉桿 4.拖拉機(jī)后輪 5.拖拉機(jī)前輪6.拖拉機(jī) 7.上拉桿 8.變形機(jī)構(gòu) 9.主梁總成 10.后地輪

圖8 地輪前置運(yùn)動(dòng)仿真模型Fig.8 Motion simulation model of front-mounted1.地面 2.地輪 3.下拉桿 4.拖拉機(jī)后輪 5.拖拉機(jī)前輪 6.拖拉機(jī) 7.上拉桿 8.主梁總成

表1 運(yùn)動(dòng)仿真模型運(yùn)動(dòng)副及分析要素Tab.1 Kinematic pair and analytical factors of motion simulation model

3.3 仿真軌跡與分析

仿真模擬了兩種地面，分別為較大起伏地面和連續(xù)小起伏地面。得到的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。觀察圖9a，此時(shí)機(jī)具經(jīng)過(guò)較大起伏地面，對(duì)于常規(guī)單輪前置機(jī)組，各點(diǎn)軌跡均存在不同程度的仿形超前，超前量隨著各點(diǎn)到前輪的距離增加而增加。當(dāng)?shù)剌喼兄脮r(shí)，a點(diǎn)位于前地輪前端，存在一定仿形滯后。b、c、d點(diǎn)位于前地輪后端，存在不同程度的仿形超前，但超前量要小于地輪前置時(shí)，這是因?yàn)榈剌喼兄脮r(shí)，工作部件與地輪的距離更近，響應(yīng)更準(zhǔn)確。

如圖9b所示，機(jī)具經(jīng)過(guò)連續(xù)小起伏地面時(shí)，地輪中置時(shí)對(duì)應(yīng)的各軌跡對(duì)于地面而言更加平緩，且明顯優(yōu)于地輪前置式的軌跡。這是由于地輪架與主梁的單鉸接形式使仿形多了一個(gè)自由度，可更好地適應(yīng)地面的變化。在工程應(yīng)用時(shí)配合使用單體仿形，可以進(jìn)一步獲得更好的仿形效果。

圖9 仿真軌跡Fig.9 Simulation trajectories

4 工程應(yīng)用

利用地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)，搭載大豆密植平播工作部件，設(shè)計(jì)2B-JD-Z-24-01型大豆密植平播機(jī)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)高性能的作業(yè)且兼具運(yùn)輸功能。窄行密植的技術(shù)要求使播種機(jī)的布置需更加緊湊，更有利于驗(yàn)證平臺(tái)的性能。

4.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

2B-JD-Z-24-01型大豆密植平播機(jī)主要由地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)、種箱、肥箱、復(fù)式播種單元、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 2B-JD-Z-24-01型大豆密植平播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure diagram of 2B-JD-Z-24-01 planter matched with narrow-row-flat-dense seeding technique1.地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái) 2.肥箱 3.主梁 4.復(fù)式播種單元 5.動(dòng)力傳遞系統(tǒng) 6.種箱 7.拉筋

整機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共有24套復(fù)式播種單元，每個(gè)復(fù)式播種單元分別與主梁掛接，單獨(dú)仿形，單獨(dú)傳動(dòng)，由平臺(tái)提供動(dòng)力。可以一次作業(yè)完成分層施肥、開(kāi)溝、精量播種、覆土和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)功能，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters

4.2 復(fù)式播種單元

復(fù)式播種單元主要由差徑雙圓盤分層施肥開(kāi)溝器、2B-JP-FL立式復(fù)合圓盤排種器、滑刀式開(kāi)溝器、刮板覆土器和鎮(zhèn)壓輪等組件構(gòu)成[15]，如圖11所示。

圖11 復(fù)式播種單元結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram of seeding unit1.連體前座架 2.分層施肥開(kāi)溝器 3.平行四桿桿系 4.種溝開(kāi)溝器 5. 2B-JP-FL立式復(fù)合圓盤排種器 6.覆土器 7.鎮(zhèn)壓輪 8.后復(fù)合座架

各作業(yè)部件均可獨(dú)立仿形，且可調(diào)仿形力的大小。單元縱向方向施肥開(kāi)溝器與種溝開(kāi)溝器不在同一條直線上，以實(shí)現(xiàn)側(cè)施肥。

4.3 動(dòng)力傳遞系統(tǒng)

整機(jī)的動(dòng)力由平臺(tái)上兼用型地輪系統(tǒng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。為了滿足株距的調(diào)整，安裝了塔輪變速器，整機(jī)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)由兼用型地輪系統(tǒng)傳動(dòng)部分、施肥傳動(dòng)部分和播種單元傳動(dòng)部分組成。如圖12所示，傳遞路線為：兼用型地輪系統(tǒng)傳動(dòng)軸通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給塔輪變速器輸入端，在變速器的輸出端分成兩條傳動(dòng)路線，一條通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞至施肥傳動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)排肥器工作；另一條通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞至中間軸，再通過(guò)24對(duì)錐齒輪傳動(dòng)等將動(dòng)力傳遞給排種器，完成動(dòng)力傳遞過(guò)程。由于復(fù)式播種單元各工作部件都具有單獨(dú)仿形功能，如果使用鏈傳動(dòng)，在仿形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脫鏈現(xiàn)象，所以每對(duì)錐齒輪傳動(dòng)之間采用軸傳動(dòng)，通過(guò)桿件的伸縮保證仿形時(shí)動(dòng)力傳輸?shù)姆€(wěn)定。

圖12 2B-JD-Z-24-01型大豆密植平播機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.12 Power transmission system of 2B-JD-Z-24-01 planter matched with narrow-row-flat-dense seeding technique1.兼用型地輪系統(tǒng)傳動(dòng)軸 2.塔輪變速器 3.施肥傳動(dòng)軸 4.中間軸 5.錐齒輪傳動(dòng)Ⅰ 6.錐齒輪傳動(dòng)Ⅱ 7.排種器

圖中i0為平臺(tái)兼用型地輪系統(tǒng)傳動(dòng)比；z1為兼用型地輪系統(tǒng)傳動(dòng)軸輸出鏈輪齒數(shù)；z2、z3分別為塔輪變速器從動(dòng)、主動(dòng)鏈輪齒數(shù)；i1為塔輪變速器傳動(dòng)比；z4為中間軸從動(dòng)鏈輪齒數(shù)；i2、i3分別為錐齒輪傳動(dòng)Ⅰ和錐齒輪傳動(dòng)Ⅱ的傳動(dòng)比。則播種作業(yè)傳動(dòng)比為

(11)

4.4 工程結(jié)構(gòu)分析

4.4.1受力分析

分別對(duì)主梁在播種機(jī)作業(yè)狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)的最大受力情況進(jìn)行分析。圖13a所示為作業(yè)狀態(tài)下各觸土部件處于最大作業(yè)深度時(shí)機(jī)具的受力情況[16]，此時(shí)主梁所受載荷主要為各部件的工作阻力和重力；圖13b所示為運(yùn)輸制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)主梁所受載荷主要為各部件的重力和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。

圖13 機(jī)具受力圖Fig.13 Stress analysis diagram of machine

圖中G1為種箱(含種子)的重力，N；G2為肥箱(含肥料)的重力，N；G3為主梁的重力，N；G4為單體的重力，N；F1為雙圓盤開(kāi)溝器的工作阻力，N；F2為滑刀開(kāi)溝器的工作阻力，N；F3為覆土器的工作阻力，N；F4為鎮(zhèn)壓輪的工作阻力，N；F5為地輪的滾動(dòng)阻力(F5a為作業(yè)狀態(tài)，F(xiàn)5b為運(yùn)輸狀態(tài))，N；F6為地輪的支撐力，N；F7為制動(dòng)時(shí)單體所受慣性力，N；F8為制動(dòng)時(shí)種子所受慣性力，N；F9為制動(dòng)時(shí)肥料所受慣性力，N；F10為制動(dòng)時(shí)主梁所受慣性力，N。

4.4.2模型預(yù)處理

用CATIA軟件創(chuàng)建模型，在主梁上添加虛件代替工作部件模擬實(shí)際工作情況。根據(jù)各部件實(shí)際的安裝情況和受力位置，在模型內(nèi)創(chuàng)建各虛件的支撐面與受力點(diǎn)[17]。

4.4.3定義材料屬性

主梁由120 mm×120 mm×10 mm方形空心型鋼焊接而成，材料為Q235A，彈性模量201 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度235 MPa。

4.4.4劃分有限元網(wǎng)格

機(jī)架平臺(tái)主梁網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格尺寸(Size)和絕對(duì)垂度(Absolute sag)分別設(shè)置為20 mm和3 mm。為提高計(jì)算精度，對(duì)應(yīng)力集中處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證。最后應(yīng)力集中處細(xì)化后的網(wǎng)格尺寸和絕對(duì)垂度分別為8 mm和1.2 mm[18-19]。

4.4.5定義聯(lián)接關(guān)系和聯(lián)接特性

機(jī)架平臺(tái)主梁各零部件通過(guò)焊接的方式連接而成，需在各方形鋼管之間創(chuàng)建線聯(lián)接關(guān)系來(lái)模擬焊縫，焊縫選擇兩方形鋼管的4條公共邊線，然后對(duì)該聯(lián)接關(guān)系創(chuàng)建焊縫聯(lián)接特性，類型選擇剛性。

4.4.6創(chuàng)建虛件

虛件的創(chuàng)建包括地輪機(jī)構(gòu)、三點(diǎn)懸掛裝置、隱形牽引機(jī)構(gòu)、播種單體、種肥箱以及為減小主梁發(fā)生變形的斜拉鋼筋。地輪機(jī)構(gòu)采用軸向剛度為8.2×105N/m的柔性彈簧虛件代替，模擬輪胎徑向剛度。根據(jù)拉筋的拉伸(壓縮)剛度以及長(zhǎng)度計(jì)算出兩側(cè)和中間拉筋的軸向剛度分別為3.4×107N/m和3.94×107N/m，用相同軸向剛度值的彈簧虛件代替拉筋實(shí)體[20]。

4.4.7定義約束及施加載荷

(1)作業(yè)狀態(tài)

為地輪機(jī)構(gòu)虛件創(chuàng)建棱柱約束，平移方向選擇作業(yè)方向。為三點(diǎn)懸掛虛件創(chuàng)建圓柱鉸約束。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[16]、三維模型計(jì)算以及實(shí)物測(cè)量得到主梁所受載荷如表3所示。

表3 主梁載荷Tab.3 Loads on frame kN

為使主梁結(jié)構(gòu)有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，虛擬載荷以1.5倍施加，模型邊界條件如圖14所示。

圖14 作業(yè)狀態(tài)邊界條件Fig.14 Loads and restrains on working state

(2)運(yùn)輸制動(dòng)狀態(tài)

為地輪機(jī)構(gòu)虛件創(chuàng)建棱柱約束，平移方向選擇運(yùn)輸方向。為隱形牽引機(jī)構(gòu)虛件創(chuàng)建圓柱鉸約束。

運(yùn)輸制動(dòng)狀態(tài)下主梁上的載荷主要來(lái)自主梁的重力、各部件的重力以及剎車時(shí)產(chǎn)生的慣性力等。根據(jù)GB/T 4330—2003農(nóng)用掛車要求，輪式拖拉機(jī)車組滿載檢驗(yàn)制動(dòng)穩(wěn)定減速度應(yīng)不小于4.5 m/s2，主梁的慣性力通過(guò)施加加速度實(shí)現(xiàn)，其他各部件慣性力根據(jù)其質(zhì)量以及制動(dòng)減速度進(jìn)行計(jì)算。載荷與加速度安全系數(shù)取值1.5，模型邊界條件如圖15所示。

圖15 運(yùn)輸制動(dòng)狀態(tài)邊界條件Fig.15 Loads and restrains on transport braking state

4.4.8計(jì)算與分析

計(jì)算后的應(yīng)力、位移圖如圖16所示。作業(yè)狀態(tài)下應(yīng)力集中區(qū)域位于“門”字形連接橋附近，最大應(yīng)力140 MPa出現(xiàn)在“門”字形連接橋焊縫附近。作業(yè)狀態(tài)下主梁由于受到各工作部件的水平方向載荷，主梁的位移為水平位移與豎直位移的合成。此時(shí)最大位移17.30 mm出現(xiàn)在主梁兩側(cè)，這是因?yàn)樵撐恢玫乃轿灰谱畲?；運(yùn)輸制動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)椤伴T”字形連接橋附近以及主梁運(yùn)輸牽引一側(cè)，最大應(yīng)力183 MPa出現(xiàn)在與后輪連接的主支座上。運(yùn)輸制動(dòng)狀態(tài)下的變形主要為豎直方向的位移，此時(shí)主梁最大位移13.80 mm出現(xiàn)在主梁末端，說(shuō)明拉筋結(jié)構(gòu)有效地抑制了主梁豎直方向的變形?？梢钥闯鰞煞N狀態(tài)下主梁的最大應(yīng)力與材料的屈服極限235 MPa相比有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，主梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

圖16 應(yīng)力與位移圖Fig.16 Nephograms of stress and deformation

5 樣機(jī)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

2016年春季，于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。為檢驗(yàn)樣機(jī)性能及適應(yīng)能力，試驗(yàn)田僅經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單耕整，地表可見(jiàn)明顯土塊及大豆、玉米殘茬。土壤類型為黑土，土壤堅(jiān)實(shí)度為886 kPa，土壤含水率為15.3%。如圖17所示。

圖17 田間試驗(yàn)Fig.17 Field test

5.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

測(cè)試時(shí)機(jī)組前進(jìn)速度區(qū)間根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求設(shè)定為8～10 km/h，數(shù)據(jù)取平均值。

(1)粒距與播深

根據(jù)GB/T6973—2005《單粒播種機(jī)試驗(yàn)方法》測(cè)定相鄰種子粒距與播深，本播種試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)塔輪變速器，理論粒距分別為12、10、8、6 cm。每種粒距測(cè)量5行，測(cè)試長(zhǎng)度大于250粒距長(zhǎng)度。

(2)施肥狀況

隨機(jī)選取5行，每行隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，測(cè)試各點(diǎn)種下施肥深度和種肥距離。要求種肥位置在種下3～5 cm，底肥位置在種下7～9 cm，種肥距離為4～7 cm。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算分析，測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 田間試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Tab.4 Testing results of field test

根據(jù)NY/T1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)播種機(jī)的主要性能進(jìn)行分析。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足農(nóng)藝要求，具有良好的播種和施肥性能。

5.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換與通過(guò)性測(cè)試

道路測(cè)試長(zhǎng)度大于10 km，壞路30%，一般碎石路和三、四級(jí)公路40%，其余為瀝青和水泥路面[21]。試驗(yàn)情況如圖18所示。

圖18 樣機(jī)道路運(yùn)輸試驗(yàn)Fig.18 Prototype road tests

狀態(tài)轉(zhuǎn)換與道路運(yùn)輸測(cè)定結(jié)果如表5所示，平

表5 運(yùn)輸性能測(cè)定結(jié)果Tab.5 Testing results of prototype road test

臺(tái)作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換靈活，通過(guò)性較好。

6 結(jié)論

(1)地輪中置式高機(jī)動(dòng)性寬幅農(nóng)具機(jī)架平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，作業(yè)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換方便快捷，作業(yè)時(shí)較傳統(tǒng)地輪前置式機(jī)架具有更好的仿形即時(shí)響應(yīng)能力。

(2)作業(yè)與運(yùn)輸兼用型地輪系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)意義上的農(nóng)機(jī)具地輪僅具限深及傳動(dòng)的功能，既可保證耕作深度調(diào)整方便，仿形性好，能產(chǎn)生較大傳動(dòng)力，又能夠通過(guò)液壓升降及牽引力方向的改變實(shí)現(xiàn)方便快捷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

(3)以平臺(tái)為載體的2B-JD-Z-24-01型大豆密植平播機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)滿足農(nóng)藝要求，具有良好的播種和施肥性能；運(yùn)輸過(guò)程安全穩(wěn)定，具有良好的通過(guò)性。

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21 GB/T 4331—2003 農(nóng)用掛車試驗(yàn)方法[S]．2003.

Middle-mountedWheelHigh-mobilityUniversalFramePlatformforWide-breadthFarmImplements

LIU Hongxin TANG Shifa LIU Junxiao LI Yanlong

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

As a result of substantial improvements in agricultural mechanization in China, large farm implements have been widely utilized. However, a problem that has arisen concerns on how to guarantee safety, effectiveness and convenience, when such wide-breadth farm implements were switched between road transport and operational modes and how to make it easy to move from field to field. To address these technical problems, a middle-mounted wheel high-mobility universal frame platform for wide-breadth farm implements that can benefit operation and transport was designed. The platform adopted the overall scheme of horizontal operation and vertical transport. Supporting automatic power clutch, hydraulic synchronous lifting, mechanical locking, wheel direction change, transmission ratio adjustment and other affiliated institutions. Through the theoretical analysis and digital simulation, the parameters of the core mechanism such as deformation and hydraulic force were determined, and the tillage control characteristics of the front wheel front frame were compared. Due to the location and distance of the land wheel and the seeding units, the problem of profiling ahead or lag was significantly improved. Taking the platform as carrier for engineering application, 2B-JD-Z-24-01 planter matched with narrow-row-flat-dense seeding technique was developed. Due to special structure of frame and complex stress, frame appeared in the process of the phenomenon such as deformation, fracture and plastic deformation. Thus, engineering analysis of structural design process was particularly important. For this situation, CATIA finite element analysis module was utilized to analyze the finite element analysis model of frame. The result showed that the engineering structure of steering drive axle met the design requirements. The prototype was made for field and road test. The experimental results showed that the prototype had good performance of sowing and can meet perfectly agro technique in work performance. A single person can finish the transformation in 8 min, transportation security and stability.

agricultural machinery; wide-breadth farm implements; frame platform; test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.013

S223.2+5

A

1000-1298(2017)11-0105-08

2017-02-20

2017-03-30

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303011)

劉宏新(1971—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)與裝備等研究，E-mail： Lcc98@neau.edu.cn