自走式蔬菜播種機(jī)底盤的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曾 山，徐 卓，于開鑫，馬立剛，文智強(qiáng)，楊文武,4，臧 英

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州 510642；2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642；4.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室茂名分中心,廣東茂名 525000）

蔬菜作為僅次于糧食的第二大作物，為我國(guó)農(nóng)村居民的提高作出巨大貢獻(xiàn)[1]。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒-2020》農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)表明，全國(guó)蔬菜的種植面積將近3 億hm2，占農(nóng)作物總播種面積的12.57%，總產(chǎn)量接近7 億t[2]，用于蔬菜種植的機(jī)械，借助于以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的大田機(jī)械，尺寸結(jié)構(gòu)大、操作不靈活、污染環(huán)境[3]，其科技含量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平，傳統(tǒng)的蔬菜種植模式采用人工撒播為主，人工撒播存在勞動(dòng)力不足、效率低等缺點(diǎn)，因此我國(guó)急需提高機(jī)械化種植水平。

當(dāng)前對(duì)于蔬菜播種機(jī)國(guó)內(nèi)外學(xué)者均有一定程度的研究，德國(guó)LEMKEN 公司[4]生產(chǎn)的Solitair 氣吸式精量播種機(jī)可播種谷物、油菜等，一次性完成播種和施肥作業(yè)，日本矢崎公司生產(chǎn)的SYV-M600W 蔬菜播種機(jī)，前輪為電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，電池使用時(shí)長(zhǎng)可達(dá)3.5 h，可實(shí)現(xiàn)小粒蔬菜種子的播種，但排種器采用機(jī)械式，播種精度低且排種過程中易損傷種子。廖宜濤等[5]開發(fā)了一種遙控型精密蔬菜播種機(jī)，經(jīng)測(cè)試可應(yīng)用于實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。袁博等[6]研發(fā)了一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蔬菜播種機(jī)，結(jié)合各類算法，保證直線度和株距的要求，進(jìn)行田間試驗(yàn)。郝朝會(huì)等[7]針對(duì)作業(yè)適應(yīng)性差、轉(zhuǎn)彎半徑大等問題設(shè)計(jì)了一款多功能動(dòng)力底盤，試驗(yàn)結(jié)果表明能夠滿足田間管理作業(yè)要求。德易播機(jī)械發(fā)展公司生產(chǎn)的DB-S03系列自走式蔬菜播種機(jī)，爬坡能力強(qiáng)，僅適用于小區(qū)域作業(yè)且燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，空氣污染較為嚴(yán)重[8]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于自走式蔬菜播種機(jī)的研發(fā)處于試驗(yàn)階段，未見成熟的播種機(jī)產(chǎn)品報(bào)道。

電動(dòng)農(nóng)機(jī)的使用可減少碳排放和噪聲污染，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低田間作業(yè)的成本[9]。針對(duì)以上問題，本研究設(shè)計(jì)了一種自走式蔬菜播種機(jī)，排種器采用一種小粒種氣吸式排種器，對(duì)整機(jī)底盤部分展開研究，從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)運(yùn)用Recurdyn 仿真軟件對(duì)底盤性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)合仿真分析和田間試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證整機(jī)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為自走式蔬菜播種機(jī)的研究提供依據(jù)和參考。

1 自走式蔬菜播種機(jī)整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

自走式蔬菜播種機(jī)田間作業(yè)環(huán)境更為復(fù)雜，輪胎與土壤之間的摩擦力、輪陷后的打滑和行駛阻力等因素對(duì)于電機(jī)牽引力要求極高。因此，要求底盤配套的電機(jī)功率大、最小轉(zhuǎn)彎半徑較小和最小離地間隙能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)壟面的要求。（1）采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配套動(dòng)力為3 kW 的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并配有減速傳動(dòng)裝置，行駛速度0～1 m·s-1可調(diào)，駕駛員在觸摸屏上操作，機(jī)器可實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎和倒退等作業(yè)活動(dòng)，一次完成開溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓；（2）轉(zhuǎn)向方式為差速轉(zhuǎn)向，較小的轉(zhuǎn)彎半徑能適應(yīng)復(fù)雜的田間作業(yè)環(huán)境；（3）最小離地間隙290 mm，輪距1 405 mm，需保證通過田間高200 mm，寬1 000 mm 的壟，為適應(yīng)不同的壟面，設(shè)計(jì)有提升機(jī)構(gòu)；（4）機(jī)架作為承重部分，采用矩形框架式結(jié)構(gòu)，材料選用Q235方管60 mm×60 mm×4 mm；（5）加工裝配要求較高，需保證機(jī)械強(qiáng)度和剛度和機(jī)架的焊接質(zhì)量、保證鎮(zhèn)壓輪與機(jī)架間的焊接質(zhì)量，行走途中不會(huì)因阻力過大導(dǎo)致鎮(zhèn)壓輪與機(jī)架間焊接位置發(fā)生斷裂。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

自走式蔬菜播種機(jī)底盤主要由機(jī)架、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部分及各部分相關(guān)配件組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1。機(jī)架上設(shè)置有提升電機(jī)、電箱、播種機(jī)構(gòu)、減震器、仿形機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓輪等工作裝置（圖2）。底盤驅(qū)動(dòng)部分采用直流伺服電機(jī)作為整機(jī)行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力來(lái)源，電機(jī)分別與前輪直接連接，并配套減速傳動(dòng)裝置，整機(jī)通過駕駛員在觸摸屏設(shè)置各種作業(yè)模式實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、倒退和轉(zhuǎn)彎，滿足在田間的設(shè)計(jì)需求；機(jī)架上設(shè)置有提升電機(jī)，能夠調(diào)節(jié)播種單體的高度，從而適應(yīng)不同高度的壟面，提高播種機(jī)的適應(yīng)性；浮動(dòng)機(jī)構(gòu)具有單體仿形的功能，在播種壟面不平整的狀態(tài)下，保證排種器與壟面的相對(duì)高度保持一致；播種部分主要包括雙圓盤開溝器、落種管、前后鎮(zhèn)壓輪和氣吸式排種器，可一次性完成開溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)活動(dòng)。自走式蔬菜播種機(jī)底盤主要參數(shù)如表1。

表1 自走式蔬菜播種機(jī)底盤主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of Self-propelled vegetable seeder chassis

圖1 自走式蔬菜播種機(jī)Figure 1 Self-propelled vegetable seeder

圖2 自走式蔬菜播種機(jī)底盤Figure 2 Self-propelled vegetable seeder chassis

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)架的重量及其分布和動(dòng)靜態(tài)特性直接影響整機(jī)的轉(zhuǎn)向、越坎和通過性能[9]，整機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)為矩形框架式架構(gòu)焊接而成，材料為國(guó)標(biāo)Q235方管60 mm×60 mm×4 mm，將駕駛員站立位置設(shè)置在機(jī)架后方設(shè)有保護(hù)桿，視野較好。為保證整機(jī)重心保持平衡，播種機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架中部位置，發(fā)電機(jī)放置在機(jī)架前部，駕駛員觸摸操作平臺(tái)、提升電機(jī)和提升機(jī)構(gòu)設(shè)置于機(jī)架中后方位置，結(jié)構(gòu)示意如圖3。

圖3 自走式蔬菜播種機(jī)機(jī)架示意圖Figure 3 Self-propelled vegetable seeder frame diagram

1.3.2 機(jī)架靜力學(xué)仿真

1.3.2.1 模型建立 本研究的蔬菜播種機(jī)機(jī)架主體是焊接而成，為提高計(jì)算速度，對(duì)播種機(jī)整機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化：（1）刪除播種機(jī)構(gòu)、仿形機(jī)構(gòu)、電箱等與分析底盤無(wú)關(guān)機(jī)構(gòu)，對(duì)相關(guān)部位在分析過程中施加力、扭矩。（2）對(duì)于機(jī)架的強(qiáng)度進(jìn)行校核，處理焊縫和機(jī)架主梁一體，不考慮焊接對(duì)車架材料的影響，忽略部分焊接。模型另存為X_T格式并導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中。

1.3.2.2 設(shè)置材料屬性 本機(jī)機(jī)架采用Q235碳素鋼材料特性進(jìn)行設(shè)置，該材料性能參數(shù)如表2。

表2 材料性能參數(shù)Table 2 Material performance parameters table

1.3.2.3 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)默認(rèn)配置，網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm 的四面體網(wǎng)格，軟件中查看結(jié)果顯示為1 475 759個(gè)節(jié)點(diǎn)，512 356個(gè)單元，網(wǎng)格劃分如圖4。

1.3.2.4 求解及分析 由圖5 可知，在所設(shè)定的負(fù)載下機(jī)架最大變形位置在駕駛員支撐踏板結(jié)構(gòu)上，最大變形量為4.080 5 mm，車架的最大等效應(yīng)力同樣在駕駛員支撐踏板結(jié)構(gòu)上，為182.4 MPa。Q235 材料屈服強(qiáng)度為235 MPa，取安全系數(shù)n=1.2[11]，由公式可知許用應(yīng)力為195 MPa，本次分析結(jié)果中最大等效應(yīng)力182.4 MPa，小于許用應(yīng)力195 MPa，滿足要求。

圖5 機(jī)架靜力學(xué)分析Figure 5 Static analysis of the frame

1.3.3 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在實(shí)際生產(chǎn)中，所起壟面高度和寬度分別為200 mm 和1 000 mm[12]，為使蔬菜播種機(jī)在作業(yè)過程中能適應(yīng)不同壟面，本研究設(shè)計(jì)了一種通過電機(jī)控制的提升機(jī)構(gòu)，工作原理為提升電機(jī)的輸出端與螺桿連接，提升桿與螺桿連接并可沿螺桿的長(zhǎng)度方向移動(dòng)，兩塊限位板分別位于提升桿的兩端，通過螺栓固定在機(jī)架，限位板開有沿豎直方向分布的限位孔，提升桿的兩端可移動(dòng)地設(shè)置于對(duì)應(yīng)的限位孔中。在壟面有高低落差的時(shí)候，保證排種器與壟面的相對(duì)高度保持一致，確保播種穴距穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)示意如圖6。

圖6 提升機(jī)構(gòu)示意圖Figure 6 Diagram of lifting mechanism

1.3.4 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 行走系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)控制部分，前后輪分別采用直徑為650 mm 和400 mm的人字形花紋輪胎，驅(qū)動(dòng)控制部分設(shè)置有三菱可編程控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)輪直接連接，減少經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳往驅(qū)動(dòng)輪的能量損失，結(jié)構(gòu)示意如圖7。

圖7 行走機(jī)構(gòu)示意圖Figure 7 Walking mechanism diagram

2 消耗功率的計(jì)算與主要原件選型

行駛過程中工作阻力包括開溝阻力和行駛阻力，設(shè)定播種機(jī)的最高行駛速度為1 m·s-1，理論計(jì)算可分別得到開溝阻力和行駛阻力數(shù)值，最終確定電機(jī)功率。

2.1 開溝阻力與功率

雙圓盤開溝器兩圓盤相交位置的點(diǎn)為聚點(diǎn)m，聚點(diǎn)m 位置如圖8，m 的位置高，開溝器開出的溝寬大，聚點(diǎn)m 的位置低，會(huì)使得大部分土壤從聚點(diǎn)m 上方進(jìn)入到開溝器之間，造成夾土而縮短軸承使用壽命，聚點(diǎn)m 的位置常用β角表示[13]，β取值一般為55～75°[14]，本研究參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及眾多文獻(xiàn)β值取65°。圓盤夾角越大，開出的溝也就越寬，增加了開溝器在工作過程中的阻力，但圓盤角度過小，導(dǎo)致開溝器與排種管的裝配存在問題，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，雙圓盤夾角范圍一般在9～16°，本研究圓盤夾角Φ取14°。參考黃明等[15]方法計(jì)算單個(gè)雙圓盤開溝器的工作阻力：

圖8 雙圓盤聚點(diǎn)位置Figure 8 Double disc spotting position

式中：Pt為常用耕速下額定牽引力（N）；n為配套犁體系數(shù)，取1；ηt為牽引力利用系數(shù)，取0.8；a為開溝器工作深度（mm）；K為土功率消耗，取65 kPa。

式中：Dp為圓盤直徑（mm）；β為聚點(diǎn)m的位置（°）；Φ圓盤夾角（°）。

開溝器直徑Dp為120 mm，β為65°，Φ為14°，a為30 mm，由式(2)和式(1)得到寬度和工作阻力分別為8.44 mm 和20.6 N，配套開溝器為10 個(gè)。故總的開溝器阻力206 N，最高行駛速度為1 m·s-1，故開溝器消耗功率為206 W。

2.2 行駛阻力與功率

播種機(jī)行駛途中，驅(qū)動(dòng)輪受到來(lái)自地面切向和法向作用力，受力分析如圖9。

圖9 驅(qū)動(dòng)輪受力圖Figure 9 Drive wheel force diagram

播種機(jī)加速上坡行駛方程式為：

式中：m為滿載質(zhì)量（kg）；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.25；γ為坡度角（°）；Fj為加速阻力（N）；Fw為空氣阻力（N）。

對(duì)大部分農(nóng)耕土地來(lái)說，最大坡度角不超過25°[15]，滿載質(zhì)量為560 kg，坡度角為25°，由式(3)可得行駛阻力約為1 823 N，行駛消耗功率為1 823 W。

2.3 消耗總功率

消耗總功率為開溝阻力功率和行駛阻力功率之和，已知最高行駛速度為1 m·s-1，故消耗的總功率為2 029 W。在土壤中作業(yè)與柏油路相比，牽引功率下降較快，有效功率僅為55%[17]，本研究電機(jī)選型在消耗總功率基礎(chǔ)上留50%的后備功率，由式(4)可得電機(jī)功率為3 044 W，因此選用兩個(gè)1.5 kW 的直流伺服電機(jī)作為整機(jī)動(dòng)力來(lái)源。

式中：Pw為電機(jī)功率（W）；P為消耗總功率（W）；

2.4 主要元件的選型

2.4.1 電機(jī)的選型 本研究選取一種直流伺服電機(jī)，電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表如表3。

表3 電機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 3 Motor technical parameter table

功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：

式中：Pw為電機(jī)功率（kW）；V為行駛速度（m·s-1）；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r·min-1）；F為牽引力（N）；T為電機(jī)額定扭矩（N·m）；η為傳動(dòng)效率。將式(5)和式(6)聯(lián)立得牽引力為1 500 N，所選電機(jī)可提供3 000 N的牽引力，滿足作業(yè)需求。

2.4.2 減速機(jī)的選配 放置電機(jī)和減速機(jī)空間位置有限，計(jì)劃采用電機(jī)動(dòng)力輸出軸與減速機(jī)動(dòng)力輸出軸之間成90°的傳動(dòng)形式，最終選擇蝸輪蝸桿減速機(jī)作為本機(jī)的減速傳動(dòng)裝置。圖10為電機(jī)與減速機(jī)三維裝配圖。

圖10 電機(jī)減速機(jī)裝配圖Figure 10 Motor reducer assembly diagram

參考梁健明研究[18]已知輸出軸轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)輪半徑和車速可得到最小傳動(dòng)比imin：

式中：imin為減速機(jī)最小傳動(dòng)比；nmax為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r·min-1）；r為驅(qū)動(dòng)輪半徑（mm）；代入式(7)可得imin≤68.1，故取減速比為60。

3 底盤行走性能分析

3.1 越坎性能分析

播種機(jī)在田間進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)時(shí)需翻越田埂，因此，越坎性能是評(píng)價(jià)播種機(jī)底盤性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，越坎時(shí)播種機(jī)速度較低，可簡(jiǎn)化為靜力學(xué)問題進(jìn)行研究[19]。忽略空氣阻力和加速阻力，對(duì)播種機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，前輪越坎受力分析如圖11。

圖11 前輪越坎受力分析Figure 11 Analysis of the force on the front wheel over the bump

前輪越坎力學(xué)平衡方程為：

式中：Fn1為地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的法向作用力（N）；Fn2為地面對(duì)后輪的法向作用力（N）；α為驅(qū)動(dòng)輪與障礙物的夾角（°）；L1為軸距（mm）；L2為重心到后輪軸的距離（mm）；ψ為附著系數(shù)，0.5；h1為前輪越坎高度（mm）。

后輪越坎受力分析如圖12。

圖12 后輪越坎受力分析Figure 12 Force analysis of rear wheel crossing bump

后輪越坎力學(xué)平衡方程為：

參考汽車?yán)碚撛诔睗衤访嫦赂街禂?shù)取值范圍在0.5～0.6，本研究附著系數(shù)ψ取0.5，代入式(8)和式(9)得到的前后輪最大越坎高度分別為113.15 mm和69.86 mm。

3.2 穩(wěn)定性能分析

3.2.1 橫向穩(wěn)定性 當(dāng)播種機(jī)以靜止?fàn)顟B(tài)停放在坡道上而不產(chǎn)生翻傾的最大坡度角即為橫向極限翻傾角，對(duì)播種機(jī)各部分簡(jiǎn)化并作受力分析，受力分析如圖13。

圖13 播種機(jī)底盤側(cè)傾穩(wěn)定性示意圖Figure 13 Diagram of seeder chassis lateral stability

當(dāng)播種機(jī)在坡道上處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，以Fn3為支撐點(diǎn)列出側(cè)傾力矩。

式中：Fn3、Fn4為土壤垂直反力（N）；Fz3、Fz4為輪胎平行于坡面的力（N）；B為輪距（mm）；h為重心垂直于坡面的距離（mm）；

播種機(jī)不發(fā)生傾翻的條件是Fn4≥0[20]，即橫向極限翻傾角為：

代入式(11)可得橫向極限傾翻角θ為46.8°。

3.2.2 縱向穩(wěn)定性 圖14和圖15分別為自走式蔬菜播種機(jī)底盤縱向穩(wěn)定示意圖，忽略空氣阻力和輪胎變形，假設(shè)在坡面上不發(fā)生失穩(wěn)，重點(diǎn)研究其傾翻臨界角[21]。

圖14 上坡狀態(tài)示意圖Figure 14 Diagram of uphill condition

圖15 下坡狀態(tài)示意圖Figure 15 Downhill state diagram

上坡狀態(tài)下力學(xué)平衡方程：

式中：Fn1為地面對(duì)前輪法向作用力（N）；Fn2為地面對(duì)后輪法向作用力（N）；Ft1為地面對(duì)前輪切向作用力（N）；Ft2為地面對(duì)后輪切向作用力（N）；αlim為縱向傾翻角；L1為軸距（mm）；L2為重心到后輪軸距離（mm）；h為重心垂直于坡面的距離（mm）。

播種機(jī)在上坡工況發(fā)生極限翻傾，則此時(shí)地面對(duì)前輪的法向作用力和地面對(duì)于前輪的切向作用力同時(shí)為0，由力學(xué)平衡方程可得上坡時(shí)極限翻傾角：

播種機(jī)在下坡工況發(fā)生極限翻傾，則此時(shí)地面對(duì)后輪的法向作用力和地面對(duì)于前輪的切向作用力同時(shí)為0，由力學(xué)平衡方程可得下坡時(shí)極限翻傾角：

由式(13)和式(14)可知，重心越低，整機(jī)抗翻傾能力越強(qiáng)。在SolidWroks 2020中確定重心位置，用軟件中測(cè)量功能測(cè)得軸距為1 692 mm，重心垂直于坡面的距離為660 mm，重心到后輪軸的距離為912 mm，代入式(13)和式(14)，得到上坡極限翻傾角為56.7°，下坡極限翻傾角為49.8°，滿足最大爬坡角25°的要求，具有良好的縱向穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)分析

4.1 虛擬樣機(jī)試驗(yàn)

4.1.1 爬坡性能仿真 本研究設(shè)定10，15，20，25°共4種不同的坡度路面，速度采用I檔15 m·min-1，Ⅱ檔30 m·min-1，Ⅲ檔45 m·min-1，和Ⅳ檔60 m·min-1的速度行駛，初始未設(shè)置緩和沖擊，整機(jī)有一段自由下落過程，仿真時(shí)長(zhǎng)分別為45，23，15，12 s，步長(zhǎng)均為1 000 步，Ⅱ檔爬坡10°界面如圖16。Ⅳ檔模式下分別攀爬10，15，20，25°的坡面，俯仰角如圖17。

圖16 播種機(jī)虛擬樣機(jī)模型Figure 16 Seeder virtual prototype model

圖17 Ⅳ檔模式下攀爬各角度坡面俯仰角變化圖Figure 17 The change of pitch angle for climbing each angle of slope in Ⅳgear mode

由圖17 可知，播種機(jī)在3.5 s開始上坡，坡度角的增加俯仰角也隨之增大且行駛途中質(zhì)心波動(dòng)越明顯，10，15，20°的坡面均能安全通過，25°坡面下滑的分量過大導(dǎo)致播種機(jī)橫向行駛掉下路面，俯仰角在13.68 s 發(fā)生突變，原因?yàn)檩喬ピ谀骋晃恢么蚧瑢?dǎo)致左右輪輸出扭矩不同。圖18 為播種機(jī)在各檔位模式下行駛在20°坡面過程中的機(jī)體橫向偏移量，軟件中查得Ⅰ檔行駛位移10 178 mm；Ⅱ檔行駛位移10 305 mm；Ⅲ檔行駛位移11 242 mm；Ⅳ檔行駛位移10 767 mm，圖18 可知Ⅳ檔橫向偏移位移約為450 mm，計(jì)算Ⅳ檔滑移量為4.2%，參照《GB/T 15370.4-2012 農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件第4部分：履帶拖拉機(jī)》跑偏量不應(yīng)該超出6%，故播種機(jī)應(yīng)在小于20°的坡面上行駛。

圖18 同一坡面不同檔位模式下機(jī)體橫向偏移量變化圖Figure 18 Variation of the lateral offset of the body under different gear modes on the same slope

圖19為播種機(jī)在不同檔位模式下攀爬15°的坡面，由圖19可知，速度越大則爬坡時(shí)間越短，爬坡過程中整機(jī)質(zhì)心垂向速度發(fā)生了正負(fù)跳動(dòng)，原因是路面不平和輪胎胎紋所導(dǎo)致，Ⅰ檔模式下，質(zhì)心垂向速度最大值為86.37 mm·s-1；Ⅱ檔模式下，質(zhì)心垂向速度最大值為155.95 mm·s-1；Ⅲ檔模式下，質(zhì)心垂向速度最大值為241.39 mm·s-1，Ⅳ檔模式下，速度最大值為307.46 mm·s-1。Ⅳ檔模式下垂向速度全程波動(dòng)最大，質(zhì)心垂向速度波動(dòng)越大，在作業(yè)過程中就可能發(fā)生傾翻現(xiàn)象。因此，上坡過程中應(yīng)采用最低檔位行駛。

圖19 同一坡面不同檔位模式下質(zhì)心垂向速度變化圖Figure 19 Plot of mass vertical velocity variation in different gearing modes on the same slope

圖20 為播種機(jī)Ⅰ檔模式下行駛在10°的坡面時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的力矩輸出曲線圖，由圖20 可知，12.51 s 末前輪開始爬坡，右前輪的輸出扭矩逐漸增大，左驅(qū)動(dòng)輪扭矩波動(dòng)較小，扭矩差異導(dǎo)致整機(jī)發(fā)生輕微跑偏，30 s開始左驅(qū)動(dòng)輪扭矩增大，方向回正，30.87 s 爬坡結(jié)束，兩驅(qū)動(dòng)輪的輸出的扭矩基本保持一致，原因?yàn)槌跏茧A段左前輪輪胎與路面產(chǎn)生滑移。實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中某一輪胎的滑移發(fā)生跑偏是不可避免的現(xiàn)象，需要駕駛員在行駛途中不斷的修正方向。

圖20 驅(qū)動(dòng)輪扭矩變化圖Figure 20 Drive wheel torque variation graph

4.1.2 越坎性能分析

4.1.2.1 后輪越坎性能 為驗(yàn)證后輪越坎性能，結(jié)合理論計(jì)算，在路面上設(shè)置高度為60，65，70，75，80 mm 的坎。速度不能過快否則可能會(huì)導(dǎo)致懸架變形，采用最低檔進(jìn)行仿真，仿真時(shí)長(zhǎng)60 s，步長(zhǎng)800步，圖21為播種機(jī)在跨越不同高度坎下的俯仰角曲線圖，在水平路面上俯仰角有微小波動(dòng)，原因是路面不平和輪胎胎紋導(dǎo)致，隨著越坎高度的增加，整機(jī)質(zhì)心點(diǎn)俯仰角幅值就越大，在跨越65 mm 坎時(shí)，質(zhì)心的最大俯仰角為2.36°，70 mm 的垂直壁后輪無(wú)法越過，附著系數(shù)改為0.6后可通過70 mm 坎，理論跟仿真結(jié)果在5%以內(nèi)，在理論高度內(nèi)越坎對(duì)整機(jī)的穩(wěn)定性影響較小。

圖21 后輪翻越不同高度坎時(shí)俯仰角變化圖Figure 21 Pitch angle change of the rear wheel crossing over different vertical walls

要求播種機(jī)在完成越坎后還能恢復(fù)到平地上正常作業(yè)，圖22為播種機(jī)翻越不同高度坎時(shí)的行駛速度曲線圖。播種機(jī)以I檔15 m·min-1的速度行駛，因?qū)挾葘?duì)速度影響較小，本研究所設(shè)越坎寬度均為20 mm，在翻越65 mm 高度的坎時(shí)，26 s 播種機(jī)車速較大，但整體波動(dòng)范圍較小，因此，以低速檔越坎時(shí)能保證車身的穩(wěn)定性，表4 為后輪翻越不同垂直壁時(shí)的通過情況。

表4 后輪翻越不同高度坎結(jié)果Table 4 Results of rear wheels over vertical walls of different heights

圖22 后輪翻越不同高度坎時(shí)速度變化圖Figure 22 Variation of speed of the rear wheel crossing over vertical walls of different heights

4.1.2.2 前輪越坎性能 為驗(yàn)證前輪越坎性能，設(shè)置坎高度為100，110，120，125 mm，仿真時(shí)長(zhǎng)12 s，步長(zhǎng)600步，圖23 為越坎時(shí)俯仰角變化曲線圖。由圖23 可知，在翻越120 mm 坎時(shí)，7.5～8.48 s 俯仰角出現(xiàn)較大波動(dòng)，越坎途中前輪被棱頂回，艱難越過，俯仰角最大為4.12°，高度設(shè)置為125 mm時(shí)，無(wú)法越過。

圖23 前輪翻越不同高度垂直壁時(shí)俯仰角變化圖Figure 23 Pitch angle change of the front wheels passing over vertical walls of different heights

圖24為播種機(jī)前輪翻越不同坎高度速度的變化情況，3種高度前0.36 s以內(nèi)速度都發(fā)生了很大的波動(dòng)，由于未設(shè)置緩沖時(shí)間，導(dǎo)致播種機(jī)有一段自由下落的過程，7.46～8.58 s 內(nèi)都完成越坎，越坎高度越高速度波動(dòng)越大，在理論范圍內(nèi)整機(jī)能保證穩(wěn)定性，表5為前輪翻越不同垂直壁的通過情況。

表5 前輪翻越不同坎的結(jié)果Table 5 Results of front wheels over different vertical walls

圖24 前輪翻越不同高度坎時(shí)速度變化圖Figure 24 Speed variation of front wheels over vertical walls of different heights

4.1.3 橫向穩(wěn)定性能分析 在軟件中建立了25，30，40°的橫向坡，仿真速度采用I 檔15 m·min-1速度行駛，仿真時(shí)長(zhǎng)和步長(zhǎng)分別為45 s 和1 000 步，結(jié)果表明整機(jī)可以正常行駛在25°和30°坡面，當(dāng)行駛在40°坡面時(shí)在25 s 掉落所建立的路面，25 °坡面滑移率為1.1%，在30°坡面時(shí)滑移率高達(dá)8.8%，超過了規(guī)定的6%，結(jié)合縱向爬坡仿真結(jié)果播種機(jī)應(yīng)在20°以下的坡面上橫向行駛，圖25為3種坡面上的橫向位移。

圖25 Ⅰ檔模式下不同坡面的橫向偏移量變化圖Figure 25 Variation of lateral offset for different slopes inⅠ-gear mode

4.2 田間試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)條件 2022 年11 月16 日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地對(duì)于播種機(jī)底盤進(jìn)行性能測(cè)試（圖26），試驗(yàn)設(shè)備有卷尺、鋼卷尺、秒表、土壤水分測(cè)定儀和土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀。參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》（GB/T 5262-2008），分別用土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀、土壤水分測(cè)定儀和鋼卷尺對(duì)試驗(yàn)田土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率和壟高壟寬進(jìn)行測(cè)量，田間土壤參數(shù)如圖27。測(cè)量結(jié)果為土壤含水率12.7%，土壤堅(jiān)實(shí)度101.5 kPa，壟高200 mm，壟寬1 000 mm。

圖26 蔬菜播種機(jī)及田間試驗(yàn)Figure 26 Vegetable seeders and field trials

圖27 田間土壤參數(shù)Figure 27 Soil parameters in the field

4.2.2 試驗(yàn)方法 參照《汽車地形通過性試驗(yàn)方法》（GB/T 12541-1990）和《汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑、最小轉(zhuǎn)彎通道圓直徑和外擺值》（GB/T 12540-2009）對(duì)最高行駛速度、最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大爬坡角度、越坎高度、輪陷深度和輪陷寬度進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)步驟和方法為：（1）行駛速度。為了滿足播種機(jī)在不同道路上作業(yè)時(shí)的速度需求。分別對(duì)于底盤I 檔～Ⅳ檔下的行駛速度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試路面分為水泥和田間兩種，在田間和水泥道路上分別選取20 m進(jìn)行測(cè)試，用秒表記錄在兩種路面上行駛的時(shí)間，每次測(cè)試重復(fù)3次，速度測(cè)試如圖28。（2）最小轉(zhuǎn)彎半徑。試驗(yàn)場(chǎng)地為平整的田間，大小能允許車輛做直徑不小于30 m的圓周運(yùn)動(dòng)，整機(jī)處于空載，駕駛員操控以最低前進(jìn)擋以較低車速行駛，搖桿處于極限位置保持不變，整機(jī)行駛一周，測(cè)得各點(diǎn)顯示出封閉的運(yùn)動(dòng)軌跡即為整機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑，車輪軌跡如圖29。（3）越坎高度。在田間選取高度不同但有一定斜度的田埂，在水泥路面選取高度不同的垂直壁，對(duì)于樣機(jī)以最低前進(jìn)擋翻越不同田埂的高度進(jìn)行測(cè)量，直到無(wú)法翻越所翻田埂的最大值。（4）輪陷深度。依據(jù)車輪軌跡，30 m 內(nèi)取15 個(gè)點(diǎn)，測(cè)得輪陷深度，去掉極大值和極小值取平均值。（5）爬坡角度。播種機(jī)應(yīng)具有良好的爬坡能力，大部分農(nóng)耕土地最大坡度角不超過25°，結(jié)合仿真分析結(jié)果，最大爬坡度應(yīng)保持在20°以下。因此，在試驗(yàn)基地，本研究選取坡度角為8，13，15°的坡面進(jìn)行測(cè)試，13°坡面測(cè)試如圖30。

圖28 行駛速度測(cè)試Figure 28 Travel speed test

圖30 13 °坡面測(cè)試Figure 30 13 ° slope test

5 討論與結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)蔬菜播種機(jī)大多以掛接式為主，掛接在大型拖拉機(jī)和插秧機(jī)上由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境造成污染，在國(guó)家實(shí)行節(jié)能減排的號(hào)召下，崔保鍵等[22]研發(fā)了一種電動(dòng)蔬菜播種機(jī)，與本研究的自走式蔬菜播種機(jī)相比通過性較差；DB-S03系列自走式蔬菜播種機(jī)以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，空氣污染較為嚴(yán)重；袁博等[6]研制了一種基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精量蔬菜播種機(jī)相比較與本研究相比具有更好的直線度。后續(xù)播種試驗(yàn)部分，采用一種24 V鋰電池代替發(fā)電機(jī)給PLC供電，不僅減輕了播種機(jī)質(zhì)量，且真正意義實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染。

本研究基于底盤性能理論分析、Recurdyn 虛擬樣機(jī)技術(shù)和田間試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了整機(jī)分析模型，分析底盤穩(wěn)定性和越坎性能，計(jì)算得上、下坡縱向極限翻傾角分別為56.7°和49.8°；橫向極限翻傾角為47.6°；前后輪最大越坎高度分別為113.15 mm 和69.86 mm；通過Recurdyn 仿真軟件建立虛擬樣機(jī)，對(duì)其爬坡、越坎及橫向穩(wěn)定性能進(jìn)行仿真分析。得到了播種機(jī)爬坡時(shí)的驅(qū)動(dòng)輪輸出力距和行走速度變化曲線、差速轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪力矩和垂直方向加速度曲線，在SolidWorks 中分別繪制不同高度的垂直壁進(jìn)行驗(yàn)證，得到俯仰角和越坎時(shí)車速變化曲線，結(jié)果顯示播種機(jī)最大爬坡角為20°，前后輪最大越坎高度為70 mm和120 mm；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，播種機(jī)在干燥水泥路面行駛速度為0.23～0.99 m·s-1，水泥路面最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 132 mm，田間作業(yè)速度保持在0.15～0.85 m·s-1，轉(zhuǎn)彎半徑約為2 309 mm，最大爬坡角為14°，前后輪最大越坎高度分別為136 mm 和82 mm，輪陷平均深度為135 mm，平均輪陷寬度為110 mm，輪陷深度未超過200 mm能夠滿足田間作業(yè)需要。