一種三角履帶式果園動力底盤的設(shè)計與研究

王 鋒，楊 玲，謝守勇，馬 楊，張 健，段廷億

(西南大學 工程技術(shù)學院，重慶 400715)

0 引言

隨著人民生活質(zhì)量的提高，對于各類水果的食用量也越來越大[1]。根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒2015版中的內(nèi)容顯示，從2000年到2015年，我國的水果種植面積增長了43.9%，而水果的產(chǎn)量卻增長了439.8%[2]。在南方丘陵地區(qū)很多農(nóng)民都會在自己的土地里栽植一定數(shù)量的果樹。傳統(tǒng)的水果生產(chǎn)主要依靠人工勞動來實現(xiàn)，其工作效率低、勞動強度大，由于人工勞動成本的增加，人們對于果園機械的需求度越來越大[3-4]。

從查閱的相關(guān)文獻資料中可以看出：我國對于果園作業(yè)機械的研究起步較晚，果園機械化的基礎(chǔ)較差，果園生產(chǎn)的機械化程度與歐美等發(fā)達國家存在很大差距[5]?？偟膩碚f，農(nóng)用果園動力底盤的研制受限于南方丘陵地區(qū)果園管理現(xiàn)狀和果樹種植環(huán)境，適用于果園生產(chǎn)的機械設(shè)備較少，相關(guān)研究也不是很多[6-9]。果園動力底盤在水果生產(chǎn)中用處很多，其功能主要包含果樹噴藥、林間除草、水果采摘及開溝施肥等方面。因為南方的果樹大多種植在丘陵地區(qū)，果樹分布密集且機械通道狹窄，使得現(xiàn)有的果園動力底盤不能夠完全適應南方丘陵地區(qū)果園種植環(huán)境，因此研制一款完全適應南方丘陵地區(qū)果園種植環(huán)境的果園動力平臺對于提高南方果園生產(chǎn)的機械化水平具有重要意義。

本文針對南方丘陵地區(qū)果園管理現(xiàn)狀和果樹種植環(huán)境，設(shè)計并制造了一種三角履帶式果園動力底盤。該底盤制造成本低、外形尺寸小、行走操作簡單、穩(wěn)定性好，能夠適應南方丘陵地區(qū)的果園作業(yè)環(huán)境，滿足實際工作要求。

1 設(shè)計要求與總體結(jié)構(gòu)原理

1.1 設(shè)計要求

1)可以適應南方丘陵地區(qū)的果園地形，底盤行駛速度為0.2～3.5km/h；最大爬坡角度為15°；前進檔位數(shù)量為2；倒檔位數(shù)量為1；

2)搭載果園噴霧機、果園割草機及開溝機等工作部件后的整機高度≤1.6m；

3)加工制作成本低，行走操控簡單，底盤穩(wěn)定性好。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.2.1 總體結(jié)構(gòu)

三角履帶式果園動力底盤由減速機構(gòu)、行走裝置、皮帶輪傳動系統(tǒng)、動力裝置、機架、換擋操控手柄和動力接口等部分組成，如圖1所示。行走裝置的功能是實現(xiàn)底盤的田間行走，主要由橡膠履帶、驅(qū)動輪、導向輪、支重輪、張緊輪、張緊裝置、軸承座和車架等部分組成；動力裝置和減速機構(gòu)的功能是實現(xiàn)底盤的動力輸出和變速，主要由汽油發(fā)動機、變速箱、皮帶輪、皮帶、傳動軸、齒輪箱和軸套等部分組成，主要用于控制底盤驅(qū)動輪的速度及汽油發(fā)動機的動力輸出；機架的功能是用于搭載噴霧機、割草機、開溝機及其他機具等工作部件在果園進行作業(yè)，由規(guī)格為40mm×40mm×2mm的方鋼管焊接組成；換擋操控手柄的作用是實現(xiàn)前進擋、倒擋等的操作，位于底盤的尾部，便于操作。

1.2.2 工作原理

工作時，汽油機給整個底盤提供動力，通過機械傳動(包括皮帶輪傳動、變速箱的變速傳動、齒輪箱的齒輪傳動)，完成減速增扭和動力分流，分別傳遞給行走裝置的驅(qū)動輪、噴霧機和割草機等工作部件；傳遞到驅(qū)動輪上的動力驅(qū)動橡膠履帶運動，從而實現(xiàn)果園動力底盤的行走。

1.操控手柄 2.變速箱 3.履帶行走裝置 4.汽油發(fā)動機 5.皮帶輪傳動系統(tǒng) 6.車架 7.齒輪箱 8.噴霧機動力接口 9.其他機具動力接口 10.割草機動力接口

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本文研究對象為重慶市忠縣種植的柑橘樹，并于2018年2月對其進行了實地調(diào)研，為本文提供了設(shè)計依據(jù)[10]。三角履帶式果園動力底盤的主要尺寸參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 履帶行走裝置

行走裝置的功能是實現(xiàn)底盤在田間的行走，主要由橡膠履帶、驅(qū)動輪、導向輪、支重輪、張緊輪、張緊裝置、車架和軸承座等組成，如圖2所示。

表1 三角履帶式果園動力底盤的主要尺寸參數(shù)

1.橡膠履帶 2.張緊輪 3.支重輪 4.張緊裝置 5.車架 6.驅(qū)動輪 7.導向輪

采用三角履帶輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可增大底盤的通過性和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)輪式動力平臺在田間作業(yè)時存在的爬坡能力差、作業(yè)效率不高等問題。三角履帶式行走裝置的特點是通過性強、適應性高、穩(wěn)定性好、牽引附著性能好、接地比壓小，能夠在潮濕、黏重的地面行走。為方便底盤在果樹間的行走，本履帶行走裝置，采用雙履帶式的縱向?qū)ΨQ布局形式，橡膠履帶選用型號為L280×90×34，履帶接地長度設(shè)計為1 000mm，履帶軌距設(shè)計為1 000mm，底盤寬度設(shè)計為1 200mm。

2.2 傳動系統(tǒng)

行走傳動系統(tǒng)主要由汽油發(fā)動機、皮帶輪傳動系統(tǒng)、變速箱齒輪變速系統(tǒng)、變速箱動力輸出軸、驅(qū)動輪動力傳遞系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

1.割草機動力接口 2.其他機具動力接口 3.齒輪箱 4.齒輪箱動力輸入軸 5.皮帶輪Ⅰ 6.皮帶輪Ⅱ 7.皮帶輪Ⅲ 8.汽油機 9.皮帶輪Ⅳ 10.變速箱軸Ⅰ 11.變速箱軸Ⅱ 12.變速箱軸Ⅲ 13.右側(cè)驅(qū)動輪 14.牙嵌式離合器Ⅰ 15.變速箱軸Ⅳ 16.變速箱 17.牙嵌式離合器Ⅱ 18.左側(cè)驅(qū)動輪 19.前進擋 20.高速擋 21.倒擋 22.滑移齒輪

動力選用重慶諾比為機電有限公司生產(chǎn)的德尼爾森190F型汽油發(fā)動機，標定功率為11kW，標定轉(zhuǎn)速為3 600r/min，其詳細信息概括為單缸、風冷、四沖程、頂置氣門及水平軸，汽油發(fā)動機的動力輸出軸與直徑為85mm的皮帶輪連接。變速箱選擇市面上常見的8000型干式離合器變速箱，將離合器結(jié)合到變速箱中，能夠?qū)崿F(xiàn)底盤的自動變速，變速箱的動力輸入端為直徑為162mm的皮帶輪，動力輸出端為2根六角傳動軸。驅(qū)動輪選擇福田雷沃RG系列驅(qū)動輪，驅(qū)動輪齒數(shù)為7個，驅(qū)動輪節(jié)圓直徑為206mm，驅(qū)動輪通過自制花鍵軸與軸承座連接，利用內(nèi)六角軸套將變速箱動力輸出軸和花鍵軸連接。

汽油發(fā)動機的輸出動力先經(jīng)過皮帶輪傳動系統(tǒng)減速(大、小皮帶輪的直徑分別為162、85mm，傳動比i1≈1.91)，然后再傳遞到離合器變速箱中，此款變速箱包含4個檔位，分別是前進擋、高速擋、倒擋以及空擋。驅(qū)動輪前進擋的傳動比i2=35.71，高速擋的傳動比i3=17.24，倒擋的傳動比i4=35.71。底盤在低速檔位完成前進和倒退運動時，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速約等于±10.7r/min，在高速檔位完成前進運動時，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速約等于20.3r/mim。

2.3 機架

如圖4所示：機架由規(guī)格為40mm×40mm×2mm的方鋼管一段接一段焊接而成，完成后在其表面噴涂紅色油漆，防腐防銹且外觀精美。機架與履帶底盤車架通過焊接方式連接在一起。機架的功能主要是用于搭載噴霧機、水箱、噴藥泵、汽油發(fā)動機、割草機及變速箱等工作部件。

1.機架 2.變速箱 3.履帶行走裝置

3 試驗與分析

試驗的目的是驗證果園動力底盤的實際工作情況，試驗地點在西南大學校內(nèi)，測試內(nèi)容包括平地性能測試、爬坡性能測試、跨越壕溝測試及跨越垂直障礙物測試等方面。

3.1 平地性能測試

試驗路段為西南大學校內(nèi)平直的水泥地，果園動力底盤在行駛過程中，各個檔位換擋平穩(wěn)，其換擋方式采用人工換擋。底盤在無負重、汽油發(fā)動機的油門被置于中位條件下行駛速度：在低速擋時的行駛速度約為0.22m/s，在高速擋時行駛速度約為0.36m/s。

3.2 爬坡性能測試

果園動力底盤的最大爬坡角度θ被定義為底盤滿載時在良好路面上采用最低檔位行駛能夠通過的最大坡度角，衡量的是底盤的爬坡能力，計算公式為

θ=arcsin[(FH-∑fi)/Gmax]

式中Gmax—滿載條件下的底盤重量(kN)；

FH—履帶底盤的切線牽引力(kN)；

fi—履帶底盤的運動阻力，包括壓實阻力、推土阻力(kN)。

將履帶底盤的參數(shù)代入，計算得出底盤滿載時的最大爬坡角度θ=15°，與設(shè)計值一致[11]。

爬坡性能測試主要研究底盤爬坡角度和底盤爬坡速度之間的關(guān)系，由于沒有完全理想的測試路段，故本研究采用西南大學校內(nèi)的水泥地進行爬坡性能試驗，且事先測得試驗路段的坡度為3.2°、5.6°、14.2°，分3種坡度進行試驗。底盤質(zhì)量是1 800kg，將汽油發(fā)動機的油門置于中位，在坡面底部的平直路段開始到離開整個坡面的這段距離之間，測試底盤在低速前進檔狀態(tài)下的爬坡性能。

在試驗過程中，底盤運動情況良好，均能成功駛過3種不同的坡面，但由于底盤加工制造粗糙、運動過程中振動很大、底盤質(zhì)量很大、汽油發(fā)動機的功率較小，因此底盤在爬坡過程中存在一定的打滑現(xiàn)象且爬坡速度較慢。試驗測得的爬坡性能參數(shù)值如表2所示。

表2 爬坡性能測試

3.3 轉(zhuǎn)彎半徑測試

該項試驗在西南大學校內(nèi)空曠的水泥路面進行，使用的主要測量工具有噴水針及鋼卷尺等，底盤在前進過程時按下前進擋位操控手柄，在后退時按下倒擋位操控手柄，汽油發(fā)動機的油門被置于中位。底盤在轉(zhuǎn)彎到最大角度以后，繼續(xù)保持各換擋操控手柄的位置不動，此時用最小行駛速度分別往左前、右前和左后、右后方向各運動1圈，使用安裝在底盤最外側(cè)且噴頭方向豎直向下的噴水針向水泥地面噴水，分別繪制出底盤外側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑軌跡[12]。

轉(zhuǎn)彎半徑測試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：底盤在前進擋和后退擋兩種不同的運動方式下，其轉(zhuǎn)彎半徑的大小存在差異，但整個試驗測試表明底盤的轉(zhuǎn)彎半徑小于1.5m。

表3 轉(zhuǎn)彎半徑測試

3.4 跨越壕溝測試

三角履帶底盤跨越壕溝的寬度跟該底盤的履帶接地長度和整個底盤的重心位置有關(guān)。當三角履帶底盤在行駛時，如果重力的作用線在三角履帶底盤第一個支重輪和對面的壕溝壁接觸之前超過負重面，那么三角履帶底盤的前部就會落入壕溝里面。三角履帶底盤跨越壕溝的工作可概括如下3個過程：履帶接地端離開地面，三角履帶底盤前端張緊輪離開地面和接地前端到達壕溝對面。雖然三角履帶底盤在爬坡和下坡行駛時跨越壕溝的能力能夠得到一定程度的加強，但考慮到安全方面的因素，本研究中三角履帶底盤跨越壕溝的能力用水平壕溝來評價[13]。本研究中的三角履帶底盤跨越壕溝的能力比較強，可以跨越寬度在500mm左右的壕溝。

試驗路段設(shè)在西南大學校內(nèi)，設(shè)置水平壕溝的斷面為矩形，且溝沿平直，按照拖拉機設(shè)計手冊所述的水平壕溝的長度應不小于底盤寬度(1 200mm)的1.5倍，設(shè)置水平壕溝的長度為1 800mm，深度為30mm，將寬度每間隔50mm由窄到寬依次制作成不同寬度的壕溝并將其壓實，設(shè)定的水平壕溝寬度分別為200、250、300、350、400、450、500mm，對每組寬度進行3次重復試驗，并將三角履帶底盤跨越水平壕溝的通過情況記錄到表4中[14]。

3.5 跨越垂直障礙物測試

三角履帶底盤跨越垂直障礙物的過程可分為3個階段：第1階段底盤前端的三角履帶接觸壁緣，并爬至最高；第2階段底盤前端的三角履帶爬上臺階；第3階段底盤后端的三角履帶爬上壁緣，直至整個底盤爬上臺階。當?shù)妆P前端的履帶接觸到臺階的壁緣時，設(shè)履帶的接地長度為L，驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑r跟跨越臺階高度H之間有如下關(guān)系式，即

H=L·sinθ+(r-r·cosθ)

式中H—底盤跨越臺階的高度(mm)；

L—履帶的接地長度(mm)；

r—驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑(mm)；

θ—三角履帶輪的擺動角度(°)。

取θ=30°，并將底盤的其他參數(shù)代入上式，計算得出三角履帶底盤最大能夠跨越高度約為528mm的臺階[13]。

表4 跨越水平壕溝測試

選取西南大學校內(nèi)的不同高度水泥臺階作為試驗垂直障礙物。測量得出，水泥臺階的寬度均大于三角履帶底盤寬度，水泥臺階的長度均大于底盤接地長度，且邊緣垂直。三角履帶底盤以最低前進擋行駛，汽油發(fā)動機的油門全開，由低到高依次通過各個高度的垂直水泥臺階，直至不能通過為止[14]。試驗中設(shè)定的臺階高度為200、250、300、350、400、450、500mm，對每組高度進行3次重復試驗，并將試驗結(jié)果記錄到表5中[14]。

表5 跨越垂直障礙物測試

續(xù)表6

4 結(jié)論與討論

1)底盤的結(jié)構(gòu)緊湊且外形尺寸較小，制造成本低，行走操作簡單，穩(wěn)定性好。

2)通過試驗測得：底盤行駛速度為0.22～0.36m/s，最大爬坡角度為15°，轉(zhuǎn)彎半徑為750～1 340mm，最大跨越壕溝寬度為500mm，最高跨越垂直障礙物高度為528mm，基本滿足設(shè)計要求，能夠適應南方丘陵地區(qū)果園管理現(xiàn)狀和果樹種植環(huán)境，滿足水果生產(chǎn)中的作業(yè)要求。

3)由于底盤存在質(zhì)量分布不均衡、加工制造粗糙、精度低及行駛過程中振動很大等問題，對整個底盤的穩(wěn)定性有很大影響，可以通過更改底盤整體布局、履帶行走裝置和傳動系統(tǒng)等方式來提高底盤的穩(wěn)定性。