煙草多功能作業平臺車的研制

范沿沿 張幸博 李建華 林智宗

1、河南省煙草公司許昌市公司煙葉生產技術中心 2、許昌同興現代農業科技有限公司

煙草多功能作業平臺車的研制

范沿沿1張幸博1李建華1林智宗2

1、河南省煙草公司許昌市公司煙葉生產技術中心 2、許昌同興現代農業科技有限公司

本文研制了一種煙草多功能作業平臺車，更大程度克服煙葉生產周期性強、環節多造成的煙草機械動力浪費、適應性差和閑置問題。其結構主要包括多功能作業平臺車車身和升降懸掛部分，傳動采用液壓驅動，利用catia對其進行設計建模仿真，為煙草機械功能整合提供了參考。

煙草；多功能；機械；液壓

引言

煙草機械化生產是促進煙葉生產技術水平提升的重要手段，是降低勞動成本、減少畝均用工量的重要措施。煙草種植可分為兩個階段，工廠化育苗和大田管理。工廠化育苗階段需要人工操作的環節有育種育苗、剪葉，大田管理階段需要人工操作的環節有起壟、移栽、覆膜、中耕培土、植保、打頂、采收、拔稈等幾個環節[1]。工廠化育苗階段環節的操作幾乎被機械替代，代表的機器有煙葉裝盤播種機、多功能跨池剪葉機。大田管理階段除了打頂抑芽、煙葉采收環節沒有普及機械化外，其余環節市場上都有成熟的專用機械。

煙葉生產周期性強，大田管理環節多，煙草機械出現動力浪費、適應性差和閑置的問題。煙株大田生長高度變化大，從移栽后距離地面0.1米左右，到后期成熟后1.7米左右，導致很多煙草機械通過性差，不能適應煙葉不同時期的作業要求，造成煙草機械閑置。為了解決這個問題，研制一種多功能作業平臺車，目的在于整合多種煙草機械作業功能。

1 設計思路

為更大程度克服煙草機械的周期性、適應性和降低功耗等問題，利用catia進行煙草多功能作業平臺車的模塊化設計[2]，如圖1。即設計一種新型低功耗的高地隙多功能作業平臺車，通過懸掛能夠掛載移栽[3]、覆膜、中耕、培土、植保、拔稈等低功耗環節的煙草機械。車輛行走速度在1～10km/h之間，發動機為20馬力汽油發動機，整車具有1km/h的低速，保證移栽、覆膜、培土等良好的作業效果。

2 煙草多功能作業平臺車的結構原理

煙草多功能作業平臺車的基本車身結構為高地隙作業平臺車。車身最低處距離地面860mm，輪距為1000mm，能夠滿足煙草種植農藝要求。多功能作業平臺車整合了六大功能[4]，分別為移栽、覆膜、中耕、培土、植保、拔稈等。其結構分為兩部分，車身部分和后動力輸出部分。車身部分包括車身機行走、轉向、動力及液壓傳動、機架等[5]，后動力輸出部分包括液壓升降懸掛及升降裝置、液壓動力輸出馬達，如圖2。

圖2 煙草多功能作業平臺車組成圖

3 機架的設計

圖3 煙草多功能作業平臺車的機架結構

煙草多功能作業平臺車的結構設計關鍵在于機架設計。機架的設計要考慮整車在煙葉生產過程中的煙田通過性，特別是植保環節，煙株正處于旺長期，煙株高度變化大。到中期植保，煙株生長高度會達到500～700mm。煙草多功能作業平臺車要保證通過性，車身底部離地高度不能少于700mm。另外還要考慮整車的節能因素，要盡量降低機架的自身重量，降低車輛油耗，減少不必要的結構設計。機架設計如圖3，上部主要為兩個縱向的承重件和五個橫向的承重件，外圍主要安裝其他結構如外殼、發動機、油箱、液壓傳動部分等的支撐架。下部為兩個縱向承重件、附件安裝支架和輪胎的安裝機構。中間部分為上下承重件的連接件，也是保證煙草多功能作業平臺車良好通過性的主要設計。

4 機架的有限元分析

4.1 機架的3D建模

本文運用建模軟件catia對煙草多功能作業平臺車進行建模，并對主要結構機架進行了有限元分析。catia的建模功能比較強，其建模的主要優勢是曲面建模，對機械設計應用幫助非常大。其仿真分析功能使用比較方便，在進行載荷應力分析時，可以根據需求在點、線、面上施加力和力矩，在幾何體上定義重力；最后可以輸出比較直觀的“幅值”圖；載荷可以依照需要來變化，并可以跟隨物體的運動，來計算大的位移或轉動。

為了做好有限元分析，在catia里需要對裝配體進行一定運算。機架的3D建模如圖3，catia有限元分析需要對零件幾何體（partbody）進行網格劃分，但是裝配體是不能抓取的。本文運用布爾運算，將機架的所有零件添加到了partbody。

4.2 網格劃分

多功能作業平臺車機架的材料選擇為冷軋方管，材質為普碳鋼Q235。在catia的材料庫里選擇相對應的材料，以大小為20mm的四面體進行網格劃分。

4.3 系統約束

在多功能作業平臺車機架工作過程中，其輪胎安裝機構和下部承重件輕微的上下位移，基本保持不動。在添加系統約束時，可以看作將機架的下部承重固定不動，自由度為0。

4.4 載荷條件

車架受力主要為4個主要部分。第一個為機架后半部所承載所有機構的重量以及駕駛員的部分重量,第二個為機架上前半部車身重量和駕駛員的部分重量，第三個部分為機架外圍附件支撐架的承載重量，第四部分為輪胎傳動軸對其安裝機構的斜向上的壓力。

4.5 有限元的分析結果

在catia的仿真結果，可以顯示有限元分析的應力圖和位移圖。輸出的應力圖為馮米斯應力圖，輸出的位移圖為變形位移圖。根據仿真結構可以直觀地看到結構件的應力變化和位移變化，為設計提供參考。多功能作業平臺車的馮米斯應力圖如圖4。

圖4 煙草多功能作業平臺車的應力圖

由圖可知，多功能作業平臺車機架的上部前端、輪胎安裝位置和下部承重件前段為主要的最大應力位置。在第二代煙草多功能作業平臺的設計中，應該優先考慮這三個主要受力區域，在設計中增加縱向的支撐件，保證機架的承載能力。

圖5 第二代煙草多功能作業平臺車的機架圖

圖6 第二代煙草多功能作業平臺車的機架位移圖

煙草多功能作業平臺車機架第二代在第一代的基礎上進行了優化設計，如圖5，增加了前半部分的承重件。優化后，進行有限元分析得出機架變形位移圖，如圖6。可以看出，優化后的機構位移變形量比較小，能夠滿足設計要求。最后根據設計，完成了打樣生產。

5 煙草多功能作業平臺車的傳動系統

多功能作業平臺車的動力為20馬力的汽油機，傳動部分為全液壓驅動，液壓圖如圖7。液壓動力傳動分為兩路，一路為柱塞泵和手動換向閥控制的行走部分；一路為雙聯齒輪泵控制的轉向和液壓懸掛部分，其中轉向部分，轉向器控制轉向油缸控制方向盤轉向[6]，液壓懸掛部分，分流閥控制液壓懸掛升降液壓缸和液壓動力輸出馬達。

圖7 煙草多功能作業平臺車液壓示意圖

圖8 煙草多功能作業平臺車樣車

6 結論

通過將煙草大田管理專用機械進行模塊化整合設計，利用catia進行了三維設計和裝配，完成了煙草多功能平臺作業車的研發（圖8）。在試驗田試驗時，多功能平臺車達到了設計要求，得到了現場人員的肯定。從試驗情況看，此煙草多功能作業平臺車在實際使用中，操作方便，能夠掛載起壟、覆膜、移栽、培土、植保、拔稈等煙草機械，能夠降低畝均用工，降低生產投入。

[1]程功,王滿.豫中煙葉生產專用農機的篩選試驗[J].農業技術與裝備,2014(04)∶49～51.

[2]張曉東.基于CATIA的應用開發研究[J].航空計算技術,1999(04)∶6～9.

[3]崔嵬,劉雙喜,高麗娟等.2ZFS-1A型多功能煙草移栽機的研制[J].農業工程學報,2012,28(26)∶202～207.

[4]孫恒,陳作模.機械原理[M].北京∶高等教育出版社,2000.

[5]成大先.機械設計手冊[M].北京∶化學工業出版社,2008.

[6]左建民.液壓與氣動傳動[M].北京∶機械工業出版社,2012.

范沿沿，男，1988年出生，河南虞城人，碩士，研究方向：煙草農機裝備研發。

河南省煙草公司許昌市公司科技項目（XYKJ2015M07）。