多功能底盤技術(shù)研究方法可行性探索

王立軍　靳曉燕　陳寶昌　李存斌　孫士明

摘 要：為突破傳統(tǒng)農(nóng)用動(dòng)力拖拉機(jī)的應(yīng)用技術(shù)瓶頸問題，以填補(bǔ)我國農(nóng)用多點(diǎn)懸掛、全方位液壓電力多形式動(dòng)力輸出多功能底盤技術(shù)及關(guān)鍵配套機(jī)具空白為目的，滿足農(nóng)機(jī)化新技術(shù)對高性能供電系統(tǒng)、高性能液壓動(dòng)力輸出系統(tǒng)、高性能懸掛系統(tǒng)動(dòng)力底盤及與之配套的關(guān)鍵田間作業(yè)功能部件的迫切需求，為變量作業(yè)技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用消除了一項(xiàng)瓶頸問題。文中通過探索農(nóng)用多點(diǎn)懸掛、全方位動(dòng)力輸出多功能底盤技術(shù)及關(guān)鍵配套機(jī)具的可行性研究方法，以期給國內(nèi)同行在多功能底盤技術(shù)的后續(xù)研究和應(yīng)用提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：多功能底盤;多點(diǎn)懸掛;多點(diǎn)動(dòng)力輸出;電液驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：S220.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.008

0 引言

我國傳統(tǒng)農(nóng)用動(dòng)力拖拉機(jī)，與之配套的農(nóng)機(jī)具多采用后懸掛（國外有少數(shù)拖拉機(jī)配前懸掛系統(tǒng)），動(dòng)力輸出都為機(jī)械輸出軸，此類懸掛和動(dòng)力輸出方式存在的問題是：（1）與此類拖拉機(jī)配套的農(nóng)機(jī)具必須自成一體，拖拉機(jī)與農(nóng)具的融合度較低，無法將藥箱、肥箱、種箱等承裝或載重類部件安裝在拖拉機(jī)底盤中上部，比如播種機(jī)的肥箱、種箱，植保機(jī)械的藥箱必須配置到農(nóng)機(jī)具上，因此帶來的是拖拉機(jī)縱向穩(wěn)定性降低的問題;（2）動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為固定值，與之配套農(nóng)具需要配置變速箱，且速度調(diào)整很難做到無極變速;（3）懸掛在拖拉機(jī)后部的農(nóng)具由于距離拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向輪較遠(yuǎn)，拖拉機(jī)行進(jìn)方向的不穩(wěn)定性會(huì)較大程度的影響播種、耕作類機(jī)械的對行精度和耕深精度;（4）動(dòng)力輸出只能連接一個(gè)功能件，無法適應(yīng)多功能聯(lián)合作業(yè)時(shí)對多條件多點(diǎn)動(dòng)力輸出的要求;（5）拖拉機(jī)輪距調(diào)整為人工調(diào)換輪輻的安裝方向，而且輪距不能夠無級調(diào)整;（6）傳統(tǒng)拖拉機(jī)地隙已經(jīng)滿足不了作物中后期田間管理作業(yè)的需求;（7）傳統(tǒng)拖拉機(jī)皆為前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑較大，無法適應(yīng)地頭區(qū)域比較狹窄的地塊作業(yè)需求;（8）傳統(tǒng)拖拉機(jī)與農(nóng)業(yè)裝備新技術(shù)兼容性差，很難在其上做與新技術(shù)含量較高的農(nóng)機(jī)具改造;（9）幾乎不可能把農(nóng)機(jī)裝備新技術(shù)移動(dòng)試驗(yàn)臺架、移動(dòng)試驗(yàn)平臺、移動(dòng)試驗(yàn)站設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)拖拉機(jī)上。因此，研究開發(fā)靜液壓驅(qū)動(dòng)多點(diǎn)懸掛（前中后）、全方位動(dòng)力輸出底盤是一種可拓展性很強(qiáng)的全新底盤，可以從根本上解決上述問題，為農(nóng)業(yè)裝備智能化、信息化、集約化、節(jié)能節(jié)本增效和新技術(shù)的綜合應(yīng)用提供可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)動(dòng)力平臺，為農(nóng)具技術(shù)進(jìn)步解決了瓶頸問題同時(shí)又研發(fā)出與之配套的關(guān)鍵農(nóng)機(jī)具，為田間作業(yè)農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)與傳統(tǒng)拖拉機(jī)技術(shù)路線平行的新技術(shù)試驗(yàn)平臺。

國外發(fā)達(dá)國家部分廠家的拖拉機(jī)有配置前后雙懸掛雙動(dòng)力輸出的產(chǎn)品，美國CASE、John Deere、愛科.維美德等公司，而靜液壓驅(qū)動(dòng)的底盤很少，即便是有也多為專用底盤，比如美國CASE、John Deere、丹麥Hadi的自走噴霧機(jī)專用底盤的液壓驅(qū)動(dòng)閉式系統(tǒng)的高壓泵、行走馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)已非常成熟，行走、轉(zhuǎn)向、地隙和輪距調(diào)整均采用靜液壓驅(qū)動(dòng)、四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和懸掛，全智能化操縱。高地隙底盤配套的噴霧系統(tǒng)普遍集成機(jī)電液一體化、精準(zhǔn)控制、高精度定位與變量作業(yè)等技術(shù)。如美國Hagie公司的驅(qū)動(dòng)STS16型自走式噴霧機(jī)配備300馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，離地間隙可達(dá)2 m以上，幅寬可達(dá)40 m，藥箱容積6058 L，配備歐洲“Green Star”施藥系統(tǒng)，采用衛(wèi)星定位、自主導(dǎo)航及變量施藥方式作業(yè)，保證了高精度施藥性能。丹麥Hardi公司的Alpha4100型自走式施藥機(jī)，采用雙氣流輔助噴霧技術(shù)可減少藥液飄移、作業(yè)速度提高一倍以上、節(jié)省農(nóng)藥30%以上。

綜上所述，研發(fā)農(nóng)用多點(diǎn)懸掛、全方位動(dòng)力輸出多功能底盤技術(shù)及關(guān)鍵配套機(jī)具可填補(bǔ)我國農(nóng)用多點(diǎn)懸掛、全方位液壓電力多形式動(dòng)力輸出多功能底盤技術(shù)及關(guān)鍵配套機(jī)具空白，滿足農(nóng)機(jī)化新技術(shù)對高性能供電系統(tǒng)、高性能液壓動(dòng)力輸出系統(tǒng)、高性能懸掛系統(tǒng)動(dòng)力底盤及與之配套的關(guān)鍵田間作業(yè)功能部件的迫切需求，為變量作業(yè)技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用消除了一項(xiàng)瓶頸問題。

1 與多功能底盤相融合的功能部件技術(shù)解析

（1）高速精量播種關(guān)鍵部件及智能監(jiān)控技術(shù)。本項(xiàng)技術(shù)應(yīng)著重解決作物不同播種方式、種植參數(shù)對機(jī)械化高速播種與農(nóng)藝適應(yīng)性問題;研究種子特性與高速排種防損傷機(jī)理相適應(yīng)的低傷種率問題;研究漏播堵塞故障診斷技術(shù)，保證高速作業(yè)播種質(zhì)量;研究高速播種單體仿形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)播深一致性精確調(diào)控。

（2）精量施藥技術(shù)。以主糧、經(jīng)濟(jì)作物為作業(yè)對象，探索霧滴在生長中后期冠層中的運(yùn)移、穿透與沉積機(jī)理，研究霧滴防漂移和均勻沉積的精準(zhǔn)施藥技術(shù)和最佳噴霧模式優(yōu)化技術(shù)，研發(fā)基于不同生長期形態(tài)和實(shí)時(shí)作業(yè)環(huán)境信息反饋的精準(zhǔn)施藥調(diào)控技術(shù)，開發(fā)在線變量混藥、大幅寬噴桿動(dòng)態(tài)調(diào)平、基于智能控制的作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測控制技術(shù)。

（3）精量配混深施肥技術(shù)。研究智能控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)計(jì)量排肥裝置動(dòng)態(tài)控制排肥量的方法;研究利用氣流實(shí)現(xiàn)固態(tài)肥的輸送、防沉降結(jié)團(tuán)、混拌及均勻分配技術(shù)。

（4）精準(zhǔn)耕耘變量施肥技術(shù)。針對農(nóng)田耕耘施肥精量化程度低的問題，研究低阻脫附節(jié)能作業(yè)技術(shù);研究基于農(nóng)田環(huán)境和作物信息反饋與機(jī)具之間的交互關(guān)系解決現(xiàn)有耕作機(jī)具中存在的精量化程度低和效率低等問題。

2 與多功能底盤相融合的功能部件可行性研究

首先從模塊化、整機(jī)優(yōu)化及輕量化技術(shù)研究入手，分析市場需求，確定整機(jī)方案與明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，構(gòu)建模塊與子系統(tǒng)功能定義、模塊通用性與互換性定義兩個(gè)任務(wù)體系，通過結(jié)構(gòu)布局拓?fù)鋬?yōu)化、模塊與系統(tǒng)優(yōu)化、加工材料與工藝優(yōu)化研究方法，建立整機(jī)設(shè)計(jì)集成平臺同時(shí)考慮輕量化設(shè)計(jì)要求，形成整機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。

其次以總體方案為基礎(chǔ)，進(jìn)一步確定高地隙底盤和系列多功能機(jī)具的結(jié)構(gòu)參數(shù)與動(dòng)力匹配參數(shù)，在整機(jī)設(shè)計(jì)方案參數(shù)確定的同時(shí)做充分的整機(jī)工作穩(wěn)定性、可靠性和耐久性分析;集成高地隙靜液壓底盤與動(dòng)力輸出技術(shù)、精量施藥技術(shù)、固液態(tài)肥精量配混施肥技術(shù)、精準(zhǔn)耕耘施肥技術(shù)等關(guān)鍵共性技術(shù)，搭建多功能整機(jī)集成平臺;集成高地隙靜液壓驅(qū)動(dòng)智能控制模塊、精準(zhǔn)施藥控制模塊、精量施肥控制模塊、在線反饋質(zhì)量監(jiān)控模塊，開發(fā)整機(jī)智能控制系統(tǒng)及整機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)智能控制與作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控。

最后在各模塊開發(fā)過程中構(gòu)建各功能部件試驗(yàn)測試平臺、各性能評價(jià)指標(biāo)與可靠性評價(jià)方法，對行駛速度、轉(zhuǎn)向性能、動(dòng)力輸出、牽引性能、極限負(fù)載、偏載工況、播種性能、耕耘性能、施藥性能、配混肥性能、施肥性能、除草性能、培土性能等進(jìn)行充分測試，形成綜合測試性能試驗(yàn)報(bào)告，為改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

3 與多功能底盤相融合的整機(jī)研究方法

本研究方法在研究的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，將先進(jìn)成果整合集成，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立配套裝置及整機(jī)仿真模型，針對整機(jī)工作工況分別模擬各項(xiàng)性能仿真測試，實(shí)現(xiàn)整機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化;利用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于整機(jī)工況模擬的精準(zhǔn)耕耘、精量播種、精量施藥、混配施肥、氣流輔助、靜電噴霧、精量配混過程中整機(jī)控制器、電機(jī)控制器等電控系統(tǒng)的仿真測試及各系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì);在各關(guān)鍵總成及其控制器性能優(yōu)化基礎(chǔ)上，完成各功能的關(guān)鍵部件模塊化設(shè)計(jì)及整機(jī)匹配集成;最后借助整機(jī)試驗(yàn)測試，完成整機(jī)的性能評估及定型設(shè)計(jì)。在該過程中，課題利用虛擬仿真技術(shù)、硬件在環(huán)技術(shù)、整機(jī)試驗(yàn)技術(shù)等技術(shù)手段，逐步完成整機(jī)由前期設(shè)計(jì)到定型樣機(jī)的設(shè)計(jì)，技術(shù)路線環(huán)環(huán)相扣、由仿真到試驗(yàn)、由虛擬到樣機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)物理樣機(jī)、試驗(yàn)樣機(jī)和定型樣機(jī)的整機(jī)集成制造，從技術(shù)路線及方案設(shè)計(jì)方面保證了課題的順利執(zhí)行。

試驗(yàn)方案環(huán)節(jié)：以樣機(jī)性能及可靠性為測試目標(biāo)，在關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵總成、整機(jī)等環(huán)節(jié)進(jìn)行包括振動(dòng)噪聲試驗(yàn)、臺架試驗(yàn)、整機(jī)性能試驗(yàn)、整機(jī)安全性試驗(yàn)等在內(nèi)的各項(xiàng)試驗(yàn)測試，針對試驗(yàn)中所暴露的問題進(jìn)行整改，從而提高整機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)及可靠性。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)幾乎包括了研發(fā)、生產(chǎn)過程所需要的全部試驗(yàn)測試，試驗(yàn)方案全面、合理、滿足課題在試驗(yàn)環(huán)節(jié)方面的要求，利用試驗(yàn)、檢測設(shè)備，構(gòu)建測試試驗(yàn)平臺，運(yùn)用計(jì)算機(jī)測控技術(shù)、半物理仿真測試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)等方法進(jìn)行關(guān)鍵裝置的性能和可靠性試驗(yàn)，并針對試驗(yàn)中所暴露的問題進(jìn)行整改。從試驗(yàn)方面保證研究的順利開展。

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