果園多功能動(dòng)力底盤(pán)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

郝朝會(huì) 楊學(xué)軍 劉立晶 尹素珍 劉淑萍 趙金輝

(1.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083；3.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

我國(guó)自20世紀(jì)50年代開(kāi)始逐步推進(jìn)果園機(jī)械化，由于地理環(huán)境、種植模式、經(jīng)濟(jì)水平等因素制約，果園機(jī)械化水平差異較大，總體機(jī)械化水平較低，主要依靠人工完成，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和供給側(cè)改革的逐步推進(jìn)，人口流失、勞動(dòng)力短缺，生產(chǎn)成本逐年提高，已經(jīng)制約了我國(guó)果品產(chǎn)業(yè)的良性有序發(fā)展；同時(shí)，傳統(tǒng)種植模式果園逐步被淘汰，現(xiàn)代化的果園種植面積不斷擴(kuò)大，果園規(guī)模化發(fā)展和規(guī)范化管理的要求日趨強(qiáng)烈，果園機(jī)械化管理是果品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-3]。

國(guó)外的果園機(jī)械化發(fā)展較早，機(jī)械化程度較高，具備專(zhuān)用動(dòng)力機(jī)械和作業(yè)機(jī)械及其配套機(jī)具，并改進(jìn)適合機(jī)械化作業(yè)要求的果樹(shù)栽培農(nóng)藝，部分果園基本實(shí)現(xiàn)了田間管理、病蟲(chóng)害防治、收獲等多項(xiàng)作業(yè)機(jī)械化。歐美等國(guó)家多采用大功率自走式跨行作業(yè)，作業(yè)效率較高，但機(jī)具成本較高；日、韓、意大利等國(guó)家以小型果園專(zhuān)用管理機(jī)械為主，整機(jī)小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，能更換多種工作部件，完成多項(xiàng)作業(yè)，但動(dòng)力偏小。國(guó)內(nèi)對(duì)果園機(jī)械化進(jìn)行了研發(fā)，以懸掛式或牽引式配套果園專(zhuān)用農(nóng)具，以及專(zhuān)用自走式作業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)果園各環(huán)節(jié)的作業(yè)。但動(dòng)力小、地隙高、轉(zhuǎn)彎半徑大、通用性差以及可配套農(nóng)具少，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化果園的生產(chǎn)需要[1，3-4]。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)果園種植模式和農(nóng)藝要求，本文對(duì)果園多功能底盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，以解決果園生產(chǎn)和管理中存在的問(wèn)題，提高我國(guó)果園機(jī)械化水平，提升果品產(chǎn)業(yè)的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)整體設(shè)計(jì)

我國(guó)果園的種植模式多樣，果園分戶(hù)管理，規(guī)?；鸵?guī)范化的程度偏低，果園地勢(shì)和土壤呈多樣性，要求動(dòng)力底盤(pán)功率大，適應(yīng)性好，利用率高，在作業(yè)的過(guò)程中，需滿(mǎn)足地隙低、輪陷小、轉(zhuǎn)彎半徑小、方便越埂、一機(jī)多用等要求。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化果園的種植模式、農(nóng)藝要求，研究開(kāi)發(fā)果園自走式通用型動(dòng)力底盤(pán)，通用性強(qiáng)，可掛接多種作業(yè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種功能[4-6]，設(shè)計(jì)參數(shù)為：配套動(dòng)力為36.75～44.20 kW，驅(qū)動(dòng)方式為四輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向方式為四輪轉(zhuǎn)向，輪胎外側(cè)寬度不大于1.4 m。動(dòng)力輸出方式為機(jī)械后動(dòng)力輸出和3路液壓快速掛接輸出，轉(zhuǎn)彎半徑不大于3 m，行駛速度為0～35 km/h。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

果園多功能底盤(pán)主要由車(chē)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、行走動(dòng)力系統(tǒng)、座椅、換擋器、方向盤(pán)、前后橋、助力轉(zhuǎn)向和剎車(chē)系統(tǒng)、后動(dòng)力輸出系統(tǒng)等組成，如圖1所示。變速箱上的支架平臺(tái)可以更換為貨筐、升降機(jī)、藥箱等，后動(dòng)力輸出系統(tǒng)可掛接風(fēng)送式噴藥系統(tǒng)，如圖2～4所示。

圖1 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)示意圖 Fig.1 Schematic of multifunctional dynamic chassis for orchard1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.行走離合器 3.主變速箱 4.座椅 5.換擋器 6.方向盤(pán) 7.腳剎 8.前輪 9.前橋傳動(dòng)軸 10.主傳動(dòng)軸 11.后橋傳動(dòng)軸 12.后輪 13.散熱器 14.后動(dòng)力輸出輪 15.后保護(hù)罩

圖2 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)載貨框示意圖Fig.2 Schematic of cargo basket of multifunctional dynamic chassis for orchard

圖3 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)升降機(jī)示意圖 Fig.3 Schematic of elevator of multifunctional dynamic chassis for orchard

圖4 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)風(fēng)送式噴霧機(jī)示意圖 Fig.4 Schematic of air-assisted sprayer of multifunctional dynamic chassis for orchard

1.1.2工作原理

果園多功能動(dòng)力底盤(pán)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)行走離合器傳遞給主變速箱，通過(guò)換擋器實(shí)現(xiàn)換擋調(diào)速；并通過(guò)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪盤(pán)上的V型帶輪傳遞給后動(dòng)力輸出系統(tǒng)，掛接多種作業(yè)農(nóng)具；發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的動(dòng)力輸出口接齒輪泵產(chǎn)生液壓能，通過(guò)液壓多路閥控制，傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和3路雙作用快速掛接輸出裝置，可快速插接各種液壓作業(yè)農(nóng)具。果園多功能動(dòng)力底盤(pán)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of multifunctional dynamic chassis for orchard

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

果園多功能底盤(pán)的動(dòng)力系統(tǒng)主要包括行走動(dòng)力系統(tǒng)和后動(dòng)力輸出系統(tǒng)，以及液壓快速插接輸出系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)取力口齒輪泵，通過(guò)單穩(wěn)閥分配到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和3路雙作用快速插接口，實(shí)現(xiàn)液壓負(fù)載快速插接作業(yè)。

發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪盤(pán)上固定有主離合器，主離合器主軸的動(dòng)力可以進(jìn)行離合控制主變速箱的動(dòng)力輸入，實(shí)現(xiàn)行走動(dòng)力的換擋操作。主離合器的外殼和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪盤(pán)固定，主離合器外殼為V型帶輪，動(dòng)力通過(guò)V型帶傳遞給副變速箱，通過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)后動(dòng)力的輸出，掛接外置機(jī)具作業(yè)。動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)動(dòng)力系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic of dynamic system of multifunctional dynamic chassis for orchard

1.2.1行走動(dòng)力系統(tǒng)

行走動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)常規(guī)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)整車(chē)質(zhì)量以及田間作業(yè)工況，采用摩擦片式離合器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主變速箱的動(dòng)力保護(hù)，為使整車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊，減少剛性連接對(duì)主軸的損傷，采用萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸；考慮作業(yè)和轉(zhuǎn)運(yùn)速度，選取主變速箱為高低擋兩級(jí)一體式變速箱，每一級(jí)有3個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋，共8個(gè)擋位，主變速箱各級(jí)傳動(dòng)比如表2所示。

表2 主變速箱各級(jí)傳動(dòng)比Tab.2 Transmission ratio of main gearbox at all levels

傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比等于各部分傳動(dòng)比的乘積，即

iz=i1i2i3

(1)

式中i1——發(fā)動(dòng)機(jī)和主變速箱傳動(dòng)比

i2——主變速箱擋位傳動(dòng)比

i3——車(chē)橋傳動(dòng)比

整機(jī)的行走速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、總傳動(dòng)比和輪胎直徑有關(guān)，即

vz=60πv1izD

(2)

式中v1——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

vz——整機(jī)行走速度

D——輪胎直徑

考慮果園作業(yè)時(shí)整車(chē)地隙和輪陷等因素，選擇6.00-12型人字花紋輪胎，充氣后外直徑為640 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下不同擋位速度如表3所示。

1.2.2后動(dòng)力輸出系統(tǒng)和液壓動(dòng)力系統(tǒng)

后動(dòng)力輸出系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源于主離合器V型帶輪外殼，通過(guò)V型帶1∶1將動(dòng)力傳遞到副變速箱，考慮果園作業(yè)機(jī)械動(dòng)力和配套轉(zhuǎn)速等因素，設(shè)計(jì)輸出轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，選用1∶2直齒輪減速箱，減速箱動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸傳遞給作業(yè)機(jī)具。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下?lián)跷凰俣萒ab.3 Speed of chassis corresponding to gear at each speed of engine km/h

液壓動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)取力口連接齒輪油泵，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為齒輪油泵的液壓能，通過(guò)單穩(wěn)閥將液壓能分給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和后動(dòng)力輸出系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)取力口的性能參數(shù)和掛接機(jī)具功率核算等因素，選擇16 mL/r的齒輪油泵，額定壓力20 MPa，最高壓力25 MPa。

2 底盤(pán)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及底盤(pán)性能分析

2.1 底盤(pán)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)架結(jié)構(gòu)、整體質(zhì)量的布局、動(dòng)靜載荷的分布等影響底盤(pán)整機(jī)性能[7-9]。借鑒現(xiàn)有果園自走式作業(yè)機(jī)械底盤(pán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)果園多功能動(dòng)力底盤(pán)車(chē)架為矩形框架式架構(gòu)，為減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、散熱及噪聲對(duì)駕駛員的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)后置；為保證底盤(pán)整機(jī)性能，后橋和車(chē)架剛性連接，前橋與車(chē)架鉸接，減少了田間地形變化對(duì)車(chē)架的沖擊，更好地適應(yīng)田間作業(yè)。駕駛員位置在車(chē)架前方，視野開(kāi)闊，并在駕駛臺(tái)右側(cè)設(shè)有操作平臺(tái)，方便操控，駕駛安全性好。為保證整機(jī)重心平衡，主變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)在車(chē)架中部，主變速箱上方是多功能操作平臺(tái)，固定藥箱、升降機(jī)等機(jī)具；藥箱在底盤(pán)中部位置，可以在噴霧作用中保證整機(jī)重心不會(huì)因藥液的減少而發(fā)生較大的改變。車(chē)架尾部掛接噴霧裝置等農(nóng)具。為保證車(chē)架強(qiáng)度和減少整機(jī)質(zhì)量，車(chē)架主梁選用65Mn截面為80 mm×60 mm×5 mm矩形管，駕駛室平臺(tái)支撐梁選用65Mn截面為60 mm×40 mm×3 mm矩形管，車(chē)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)車(chē)架示意圖 Fig.6 Schematic of frame of multifunctional dynamic chassis for orchard

2.2 底盤(pán)性能理論分析

2.2.1轉(zhuǎn)向性能

果園多功能底盤(pán)為四輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)，前后橋上轉(zhuǎn)向油缸同時(shí)伸縮運(yùn)動(dòng)，使前后橋上輪胎相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到減小轉(zhuǎn)彎半徑的效果。當(dāng)?shù)妆P(pán)處于平穩(wěn)轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向示意圖如圖7所示。

圖7 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)轉(zhuǎn)向示意圖 Fig.7 Schematic of steering of multifunctional dynamic chassis for orchard

由文獻(xiàn)[10]可知，最小轉(zhuǎn)向半徑Rmin為

(3)

最小轉(zhuǎn)向圓半徑Rymin為

(4)

式中L——果園多功能底盤(pán)軸距

M——左右轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)中心線(xiàn)與地面交點(diǎn)間距離

B——果園多功能底盤(pán)輪距

αmax——內(nèi)輪最大偏轉(zhuǎn)角

果園多功能底盤(pán)在田間作業(yè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向通過(guò)性與轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)，設(shè)定最小轉(zhuǎn)彎半徑為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪內(nèi)側(cè)軌跡圓半徑，即

(5)

式中b——輪胎寬度

果園多功能動(dòng)力底盤(pán)的軸距L為2 230 mm，左右轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)中心線(xiàn)與地面交點(diǎn)間距離M為865 mm，輪距B為1 120 mm，最大偏轉(zhuǎn)角αmax為28.82°，輪胎寬度b為165 mm，代入式(5)，求得最小轉(zhuǎn)彎半徑RZ為2.11 m。

2.2.2穩(wěn)定性能

果園多功能底盤(pán)在田間作業(yè)時(shí)，田間地況較復(fù)雜，需考慮整機(jī)的行駛穩(wěn)定性。以縱向穩(wěn)定性來(lái)衡量整機(jī)的行駛穩(wěn)定性能。當(dāng)果園多功能底盤(pán)在制動(dòng)狀態(tài)下停放在坡道上時(shí)，以不致產(chǎn)生翻傾、滑移的最大坡度角來(lái)評(píng)價(jià)果園多功能底盤(pán)的穩(wěn)定性[11]。當(dāng)果園多功能底盤(pán)勻速上坡行駛時(shí)，忽略空氣阻力，上坡速度小，以輪胎為剛性體，如圖8a所示，建立力學(xué)平衡方程為

(6)

式中Ft1——土壤對(duì)前輪切向作用力

Ft2——土壤對(duì)后輪切向作用力

G——果園多功能底盤(pán)重力

αlim——上坡極限翻傾角

Fn1——土壤對(duì)前輪法向作用力

Fn2——土壤對(duì)后輪法向作用力

h——重心到地面的垂直高度

L1——重心到后橋軸心水平距離

圖8 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)縱向極限翻傾受力分析Fig.8 Force analysis of longitudinal limiting overturn of multifunctional dynamic chassis for orchard

當(dāng)果園多功能底盤(pán)的前輪剛好不受土壤的反作用力時(shí)，即為上坡極限翻傾臨界狀態(tài)，則前輪的切向作用力Ft1=0，可得上坡極限翻傾角為

(7)

當(dāng)果園多功能底盤(pán)勻速下坡行駛時(shí)，忽略空氣阻力，下坡速度小，以輪胎為剛性體，如圖8b所示，建立力學(xué)平衡方程為

(8)

當(dāng)果園多功能底盤(pán)的后輪剛好不受土壤的反作用力時(shí)，即為下坡極限翻傾臨界狀態(tài)，則后輪的切向作用力Ft2=0，可得下坡極限翻傾角為

(9)

由式(7)、(9)可知，果園多功能動(dòng)力底盤(pán)縱向極限翻傾角與重心位置有關(guān)，當(dāng)重力作用線(xiàn)位于較低輪著地點(diǎn)上方時(shí)，果園多功能動(dòng)力底盤(pán)可穩(wěn)定于坡上，不致發(fā)生翻傾。將果園多功能動(dòng)力底盤(pán)的三維模型導(dǎo)入SolidWorks，得到重心到地面垂直高度h=643 mm，重心到后橋軸線(xiàn)水平距離L1=896 mm，代入式(7)、(9)可得上、下坡極限翻傾角為54.33°、64.27°，可以看出，果園多功能動(dòng)力底盤(pán)具有較好的穩(wěn)定性。

2.2.3越埂性能

果園多功能底盤(pán)在田間作業(yè)時(shí)需要克服障礙越埂，此時(shí)速度較慢，可作為靜力學(xué)問(wèn)題研究。假設(shè)輪胎為剛形體，當(dāng)前輪越埂時(shí)受力分析如圖9所示。

圖9 果園多功能動(dòng)力前輪越埂受力分析Fig.9 Force analysis of front wheel crossing of multifunctional dynamic chassis for orchard

建立前輪越埂力學(xué)平衡方程為

(10)

式中Fn3——土壤對(duì)前輪法向作用力

Fn4——土壤對(duì)后輪法向作用力

μ——附著系數(shù)

β——前輪與障礙夾角

L2——前橋軸線(xiàn)到重心距離

H1——前輪越埂高度

化簡(jiǎn)式(10)得前輪越障高度為

(11)

后輪越埂時(shí)受力分析如圖10所示。

圖10 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)后輪越埂受力分析Fig.10 Force analysis of back wheel crossing of multifunctional dynamic chassis for orchard

建立后輪越埂力學(xué)平衡方程為

(12)

式中γ——后輪與障礙夾角

H2——后輪越埂高度

化簡(jiǎn)式(12)得前輪越障高度為

(13)

查相關(guān)資料取μ=0.6，果園多功能底盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)為L(zhǎng)=2 230 mm、L1=896 mm、L2=1 334 mm、D=640 mm，代入式(11)、(13)中，計(jì)算得H1=H2=115.57 mm。果園多功能底盤(pán)為四輪驅(qū)動(dòng)，前、后輪的越埂高度基本相同，在田間作業(yè)時(shí)，越埂時(shí)車(chē)輪緩慢爬行，越埂高度與車(chē)體中間位置的最低離地間隙等因素有關(guān)，可在后續(xù)田間試驗(yàn)中測(cè)得。

3 車(chē)架有限元仿真分析

基于SolidWorks對(duì)車(chē)架進(jìn)行三維建模，運(yùn)用Workbench軟件對(duì)車(chē)架整體剛度及強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，以指導(dǎo)樣機(jī)生產(chǎn)，保證車(chē)架具有承受多種工況下沖擊載荷的能力。為提高仿真的精度，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，對(duì)果園多功能底盤(pán)的車(chē)架進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，處理焊縫和機(jī)架主梁一體，不考慮焊接對(duì)車(chē)架材料的影響，忽略部分焊接件[12-15]。果園多功能動(dòng)力底盤(pán)車(chē)架三維模型如圖11所示。

圖11 果園多功能動(dòng)力底盤(pán)車(chē)架三維模型示意圖Fig.11 Schematic of 3D model of frame of multifunctional dynamic chassis for orchard

導(dǎo)入Workbench軟件，按65Mn材料特性進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定彈性模量210 GPa，屈服強(qiáng)度為785 MPa，泊松比為0.3，密度為7 810 kg/m3，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；根據(jù)車(chē)架上的發(fā)動(dòng)機(jī)、主變速箱、燃油箱、液壓油箱、散熱器、駕駛員等實(shí)際位置上載荷以面載荷方式施加相應(yīng)載荷力，以滿(mǎn)載荷(藥箱滿(mǎn)藥)狀態(tài)極限工況設(shè)置加速度為10g，對(duì)滿(mǎn)載四輪著地狀態(tài)和滿(mǎn)載三輪著地狀態(tài)進(jìn)行分析，滿(mǎn)載四輪著地應(yīng)變和受力分析如圖12所示。

圖12 車(chē)架滿(mǎn)載四輪著地應(yīng)變和受力分析 Fig.12 Strain and force analysis of frame with four-wheel landing

由圖12可以看出，在滿(mǎn)載四輪著地狀態(tài)下，車(chē)架的最大變形發(fā)生在中間橫梁部位，總變形量為5.08 mm，車(chē)架的最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.003 5，車(chē)架的最大等效應(yīng)力發(fā)生在前橋和車(chē)架鉸接處，為390.52 MPa；從結(jié)果可以看出，滿(mǎn)載四輪著地時(shí)，車(chē)架能夠滿(mǎn)足果園的田間作業(yè)要求。

當(dāng)多功能底盤(pán)在田間作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一輪懸空三輪著地的工況，因?yàn)榍皹蚝蛙?chē)架是鉸接方式，所以前輪始終著地，后橋和車(chē)架是剛性連接，所以有一輪懸空狀態(tài)。當(dāng)滿(mǎn)載狀態(tài)，對(duì)后橋一輪懸空狀態(tài)進(jìn)行分析，滿(mǎn)載三輪著地應(yīng)變和受力分析如圖13所示。

圖13 車(chē)架滿(mǎn)載三輪著地應(yīng)變和受力分析 Fig.13 Strain and force analysis of frame with three-wheel landing

由圖13可看出，在滿(mǎn)載三輪著地狀態(tài)下，車(chē)架的最大變形發(fā)生在側(cè)梁部位，總變形量為20.74 mm，車(chē)架最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.005 8，車(chē)架的最大等效應(yīng)力發(fā)生在前橋和車(chē)架鉸接處，為805.46 MPa；滿(mǎn)載三輪著地極限工況下，車(chē)架處于扭曲狀態(tài)，車(chē)架側(cè)梁位移較大，但從車(chē)架實(shí)際尺寸以及材料屬性看，車(chē)架不會(huì)失效。最大等效應(yīng)力發(fā)生在前橋鉸接處，前橋鉸接的橫梁為兩段橫梁，并有石墨銅套潤(rùn)滑固定，鉸接軸直徑30 mm，所以鉸接強(qiáng)度足夠，不會(huì)發(fā)生失效。

基于Workbench分析結(jié)果，在極限滿(mǎn)載荷工況下，整車(chē)運(yùn)行速度較快，加速度設(shè)置較大，得到的應(yīng)變和應(yīng)力分析圖，而田間正常作業(yè)時(shí)，多功能底盤(pán)工作速度較小，對(duì)于車(chē)架的沖擊會(huì)相對(duì)減小。仿真的結(jié)果分析對(duì)薄弱部位進(jìn)行加固或改進(jìn)設(shè)計(jì)，以及后續(xù)車(chē)架的優(yōu)化和輕量化研究等具有指導(dǎo)作用[16]。

4 田間試驗(yàn)

2018年5月在北京市通州區(qū)于家務(wù)鄉(xiāng)西垡村櫻桃園試驗(yàn)基地進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，如圖14所示。

圖14 田間作業(yè)場(chǎng)景Fig.14 Field experiment

試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度和試驗(yàn)用液體的溫度在20～35℃之間。試驗(yàn)儀器設(shè)備：卷尺、電子秤、臺(tái)秤、量杯、秒表、壓力計(jì)等。試驗(yàn)介質(zhì)：常溫下不含固體懸浮物的清水。

整機(jī)性能試驗(yàn)按照Q/CP XDNZ0001—2018《ZN-604型果園自走式通用型動(dòng)力底盤(pán)》試驗(yàn)方法和果園通用型底盤(pán)作業(yè)裝備試驗(yàn)大綱進(jìn)行[17-20]。對(duì)多功能動(dòng)力底盤(pán)樣機(jī)行駛速度、轉(zhuǎn)彎半徑、最大爬坡角和越埂高度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

(1)行駛速度：在干燥平坦的混凝土或?yàn)r青路面測(cè)試，進(jìn)行3次，每次行走50 m，調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕至速度最高，計(jì)算速度為

(14)

式中s——行走路程t——行走時(shí)間

(2)轉(zhuǎn)彎半徑：在干燥平坦的混凝土或?yàn)r青路面測(cè)試，進(jìn)行3次，以最低前進(jìn)擋平穩(wěn)行駛，轉(zhuǎn)向盤(pán)處于左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的極限位置時(shí)保持不變，行駛360°后駛出測(cè)試區(qū)，量取內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪胎內(nèi)側(cè)軌跡圓半徑。

(3)越埂坡度：對(duì)果園田間道路、田埂坡度、田埂高度等進(jìn)行試驗(yàn)，以最低前進(jìn)擋行駛平穩(wěn)翻越田埂，進(jìn)行測(cè)量，采集越過(guò)的田埂數(shù)據(jù)。

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)3次，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工處理取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of field experiment

試驗(yàn)結(jié)果表明，果園多功能動(dòng)力底盤(pán)行駛速度為0～35 km/h，田間作業(yè)速度為1～6 km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 m，最大爬坡角為24°，最大越埂高度為235 mm，田間試驗(yàn)結(jié)果均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能夠掛接多種農(nóng)具，能夠滿(mǎn)足果園的田間生產(chǎn)管理作業(yè)要求，提升了果園機(jī)械化生產(chǎn)管理作業(yè)水平。轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)值較理論值小一些，誤差原因可能為人工調(diào)整輪胎轉(zhuǎn)向推桿誤差和輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)向內(nèi)側(cè)滑移。越埂高度與多功能底盤(pán)下傳動(dòng)軸的高度有關(guān)，當(dāng)前輪越過(guò)田埂，使傳動(dòng)軸不碰到田埂為最大越埂高度。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化果園的種植模式和農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種果園多功能動(dòng)力底盤(pán)，對(duì)底盤(pán)整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理和動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)底盤(pán)性能進(jìn)行了理論分析，理論分析結(jié)果表明：最小轉(zhuǎn)彎半徑約為2.11 m；上、下坡極限翻傾角分別為54.33°、64.27°；前、后輪的越埂高度為115.57 mm。

(3)對(duì)車(chē)架進(jìn)行三維建模，利用Workbench軟件進(jìn)行應(yīng)變和應(yīng)力分析。車(chē)架有限元仿真分析結(jié)果表明，在滿(mǎn)載四輪著地狀態(tài)下，車(chē)架的最大變形發(fā)生在中間橫梁部位，總變形量為5.08 mm，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.003 5，最大等效應(yīng)力發(fā)生在前橋和車(chē)架鉸接處，為390.52 MPa；在滿(mǎn)載三輪著地狀態(tài)下，車(chē)架的最大變形發(fā)生在側(cè)梁部位，總變形量為20.74 mm，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.005 8，最大等效應(yīng)力發(fā)生在前橋和車(chē)架鉸接處，為805.46 MPa。

(4)多功能動(dòng)力底盤(pán)田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明，果園多功能動(dòng)力底盤(pán)行駛速度為0～35 km/h，田間作業(yè)速度為1～6 km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 m，最大爬坡角為24°，最大越埂高度為235 mm，可掛接多種農(nóng)具，能夠滿(mǎn)足果園的田間生產(chǎn)管理作業(yè)要求。