高地隙通用作業底盤的設計與試驗

李 澤

石毅新1,2

蔣 蘋1,2

胡文武1,2

林 偉1,2

(1.湖南農業大學工學院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙 410128)

南方作物種植多樣性，其標準化種植的葡萄、茶葉、金銀花等經濟作物的采摘以及煙草、玉米等高稈作物的田間管理可采用高地隙機械跨行作業，這就要求高地隙機械不但能根據作物行距與植株高度適當調整輪距與離地間隙，而且其穩定性能滿足在不同高度時作業的需求。

南方水田的地勢高低落差、土壤黏度和含水率、泥腳深度等特性變化較大，田間作業機械非常容易陷車，嚴重影響了農業機械在南方水田的通過性。且南方水田多以小塊分布，田塊之間用田埂隔開，當通用底盤大區域作業時，需要進行田塊間轉移，田埂的高度，泥腳的深度對高地隙通用底盤的附著力和穩定性提出了較高要求。

基于上述問題，設計了一種高地隙自走式全液壓四輪獨立驅動轉向通用作業底盤，并著重探討其水田通過性。在田間作業時，驅動力、附著力和越障能力是研究通用底盤通過性的關鍵因素[1]。本研究擬結合高地隙通用底盤的總體參數、液壓系統參數、工作環境和受力特點進行綜合分析，通過建立其通過性數學模型并用實驗驗證的方法，來探討該通用底盤在水田中的通過性能。

1 總體設計

1.1 總體參數

南方丘陵地帶的水田作業環境，農作物特征等因素對農業機械的研發提出了更多考驗，因此傳統農業作業機具不能滿足農民的需求，轉變成對多功能性，高通過性，高效率作業機械的需求[2]。根據南方農業機械的發展趨勢，本設計提出高地隙通用底盤的通過性要求及參數見表1。

表1 高地隙通用底盤設計參數Table 1 Design parameters of high ground gap universal chassis

1.2 整機結構與工作原理

高地隙自走式全液壓四輪驅動通用底盤由柴油機及其附件、液壓系統、操作臺、轉向系統、前后掛接架、車架底盤等組成，見圖1。

根據結構設計，通用底盤上發動機與行走變量泵采用直連形式。發動機將扭矩與轉速傳遞到液壓泵，實現行走系統、轉向與舉升系統運作。其中，行走系統通過液壓馬達直接驅動車輪來傳遞動力；轉向系統通過液壓馬達、齒輪減速機與轉向軸采用直連的方式實現轉向動作；舉升系統則采用4個支腿對角安裝的底盤與4個液壓缸配合完成車架的升降。

1.前掛接架 2.柴油機 3.操作臺 4.轉向結構 5.后掛接架 6.行走馬達 7.液壓油箱 8.車架底盤 9.行走泵

圖1 通用底盤結構布置圖
Figure 1 Universal chassis structure layout

1.3 液壓系統

通用底盤采用全液壓四輪驅動系統。如圖2所示，行走液壓系統是一個閉環系統，由2個行走變量泵和2個前輪馬達(左前輪馬達、右前輪馬達)，2個后輪馬達(左后輪馬達，右后輪馬達)，1個一分四分流集流閥，1個沖洗閥，2個二位三通電磁閥，1個油箱，1個吸油過濾器，1個行走手柄，1個壓油過濾器等輔助液壓元件組成。

1.壓油過濾器 2.二位三通電磁閥 3.二位三通電磁閥 4.左后輪馬達 5.右后輪馬達 6.右前輪馬達 7.左前輪馬達 8.分流集流閥 9.行走手柄 10.沖洗閥 11.行走變量泵 12.吸油過濾器 13.液壓油箱

圖2 通用底盤液壓系統原理圖
Figure 2 Hydraulic system schematic ofuniversal chassis

泵上的綜合補給油泵為泵控制系統提供液壓油、冷卻油和液壓油。變量泵的補油壓力由泵上的溢流閥控制，并且采用了壓油過濾和吸油過濾2種模式；泵控方式為電比例排量控制；通過操縱手柄發出電壓信號，再由控制器將信號傳遞給變量泵上面的電磁線圈，從而實現正反轉以及排量控制。分流集流閥處于精密分流時，實現設備的長距離直線行駛，保證了4個車輪較高的同步性，利用分流集流閥的松散分流，實現設備的自由轉彎[3]。通過控制其中的1個二位三通來控制2個后輪馬達的制動，用1個二位三通控制2個雙向馬達的變量，實現通用底盤的高低速作業模式轉換。

2 主要零部件選型與設計

2.1 液壓系統元件選型

通用底盤采用全液壓四輪驅動。因此液壓系統的可行性，穩定性制約著其通過性能。基于高地隙全液壓四輪驅動通用底盤需要具備在滿載的情況下穩定通過40°坡道的最大爬坡能力，來確定該通用底盤液壓系統中液壓馬達與液壓泵的型號。

2.1.1 馬達選型 通用底盤在坡道上行駛時，受力情況見圖3。

圖3 通用底盤爬坡分析Figure 3 Analysis of climbinguniversal chassis climbing

Fz=Fg+Fp+Fw，

(1)

式中：

Fg——滾動阻力，N；

Fp——坡度阻力，N；

Fw——工作阻力，N。

其中，工作阻力主要指空氣阻力和加速阻力。水田低速作業時，加速阻力與空氣阻力遠小于滾動阻力和坡度阻力，故在設計時可將Fw的影響忽略不計[4]。因此，通用底盤在進行爬坡時其主要影響阻力因素為Fg與Fp。

通用底盤滿載爬坡時所需驅動力為：

F=Fg+Fp=G×(fcosα+sinα)，

(2)

式中：

G——通用底盤滿載總重量，N；

f——滾動阻力系數；

α——坡度，(°)。

其中G=19 600 N；查閱文獻選取f=0.15；將已知參數代入式(2)計算得出：通用底盤滿載爬坡所需驅動力F=14 850.81 N。

從而得出單個車輪所受扭矩M為2 041.99 N·m。

馬達排量V為：

(3)

式中：

V——馬達排量，mL/r；

ηm——馬達的容積效率，取值0.95；

Pm——系統工作壓差，取值34 MPa。

計算得馬達的理論排量為397 mL/r。

通用底盤穩定行駛最高速度為：

(4)

式中：

vxm——通用底盤穩定行駛最大速度，km/h；

nxm——馬達最大轉速，r/min；

r——車輪半徑，mm。

其中，根據通用底盤設計參數可知：其最大穩定行駛速度[5]為13 km/h；車輪半徑為550 mm。

因此，通過式(4)計算得出馬達最大轉速為225.82 r/min。

故單個馬達所需最大流量為：

(5)

式中：

Qxm——馬達最大流量，L/min。

代入已知量，由式(6)可得馬達最大流量Qxm為51.50 L/min。

通過分析，根據作業需求與計算獲得馬達的排量參數選定了丹佛斯MS02型軸向柱塞馬達，其基本參數為理論排量398/199 mL/r，最大轉速230 r/min，理論扭矩633 N·m。此類型馬達具備低速大扭矩特征，能夠保證較好的通過性要求。

2.1.2 泵的選型 基于本研究使用的通用底盤行走液壓系統為閉環控制系統，且采用容積變速控制方式[6]，通用底盤的工作性能很大程度上取決于行走泵的排量與壓力。同時考慮作業底盤的動力要求與功能的多樣性，其液壓系統的工作壓力設定為25 MPa。

由于行走泵與通用底盤4個馬達采用并聯方式控制，故有Qxb=4Qxm。

泵的排量為：

(6)

式中：

Vxb——泵的排量，mL/r；

Qxb——行走泵輸出流量，L/min；

ηxb——泵的容積效率，取值0.95；

nxb——泵的輸入轉速，r/min。

由于通用底盤發動機與泵為直連形式，因此有nxb=nf，nf為發動機額定轉速。nf=2 400 r/min。

故由式(6)可得泵的排量為Vxb=95.37 mL/r。

根據作業底盤的性能要求與作業環境的復雜性等情況，故采用低速大扭矩軸向柱塞泵[7]；且能保證排量可調，選用丹佛斯90L055KA1N6S3C6C03NNN353524系列變量泵。其排量為100 mL/r，最高壓力40 MPa。

2.2 車架設計及分析

2.2.1 機架尺寸選定及結構設計 由于車架上應力會合的表現一般發生于螺桿安裝的位置[8]，且該位置的形變量會比較大，因此考慮在該處增加車架的鋼材用量。一方面從結構上做改變；另一方面可以加大鋼材的厚度等。地隙可變通用底盤受力的質心位于機架幾何中心點。故可加大此處的鋼材厚度改善機架的疲勞強度，以此來達到設計的目的。設定機架長2 500 mm，寬1 200 mm。為了方便4個轉向支腿的安裝，機架四角處為45°，斜邊長380 mm，兩斜梁相距100 mm，全部采用80×40 mm的5 mm厚方鋼。 兩端受力較小用3根桿，中間用4根桿。車架示意圖見圖4。

圖4 車架示意圖Figure 4 Frame sketch map

2.2.2 車架受力分析 根據一般農用車車架使用的材料來看[9]，本設計使用的通用底盤的機架用料選擇Q235。該材料的屈服強度為235 MPa，而車架的兩側最長方鋼和車架的四角焊接點是應力集中的最大點，故只需校核這兩處的強度。

由于機架的載荷為非均勻分布，故可根據機架中心處強度進行校核。其中最危險可能性載荷全部作用于中心位置。因此計算取中間一根最危險桿進行計算。

圖5為機架受力圖。根據材料力學關于橫力彎曲的彎曲許用應力的驗算公式可得：

(7)

圖5 機架中心處受力圖Figure 5 Rack by attempt

式中：

σ——橫梁許用應力，Pa；

b——矩形截面的寬，mm；

h——矩形截面的高，mm。

代入已知參數，由式(7)可得：σ=23.44 MPa。

由于Q235鋼材的許用彎曲應力為120～190 MPa[10]，所以機架的兩側方鋼橫梁的強度足夠，設計方案可以采用。

2.2.3 車架應力分析 駕駛過程中通用底盤的應力分布情況見圖6。通過選取150倍變形比例[11]，得到該車架應力的分布情況圖。車架整體的應力比較小，其中最大的應力集中點出現在車架外橫梁與支腿立板的焊接點。從圖6中的顏色可以看出，應力較大值位置位于車架結合尖角位置(圖中標記)；一方面符合材料力學的原理，另一方面是尖角處一般容易產生應力集中。車架主要的應力大小一般在187 MPa 以下，明顯不到鋼材的許用應力，故機架的強度滿足了設計的需求。

圖6 應力分布圖Figure 6 Stress distribution diagram

2.2.4 車架應變分析 駕駛過程中通用底盤的位移分布情況見圖7。由圖7可知，機架發生的最大的形變量出現在車架中部，最大變形量為2.318×10-3m。整體來看位移量對機架的影響很小，幾乎可以不計，故機架的剛度滿足了設計的需求。

圖7 底盤應變分析圖Figure 7 Chassis strain diagram

2.3 轉向支腿的結構設計

在地隙可變[12]通用底盤轉向系統設計中。一方面將支腿套管作為轉向系統主要受力部件，通過平行布置的支腿半耳板與垂直布置的支腿立板焊接固定，見圖8。支腿套管中心孔兩端內徑大于中部內徑呈臺階形狀內孔，在支腿套管內徑的臺階部分分別安裝兩個調心推力軸承，內徑為60 mm的支腿轉向軸插入兩調心推力軸承中心孔。同時在調心推力軸承上方旋緊2個圓螺母，在支腿轉軸的螺紋處，并用止動墊圈鎖死；在調心推力軸承下方分別安裝油封和套筒，使支腿轉軸固定在支腿套管中心孔中，并且能實現支腿轉軸自由轉動。另一方面轉向系統由液壓系統將動力傳輸至轉向馬達和減速機上，再由安裝法蘭內的花鍵套將轉向減速機外花鍵和支腿轉軸外花鍵聯結傳遞轉矩，同時安裝法蘭將減速機固定。此時轉向馬達和減速機上的轉矩傳遞到支腿轉軸上，再經過支腿直角支撐架，將轉向力矩傳送至輪胎來實現轉向功能。

圖8 轉向支腿整體示意圖Figure 8 Sketch map of the whole structure of steering leg

3 通用底盤通過性能分析

在通用底盤作業過程中，經常以較低的速度去克服某些障礙物，比如田埂、臺階等。越障能力是評價通用底盤通過性能的一個重要指標[13]。根據數學模型分析機具結構參數與越障能力的關系，從而得出通用底盤的軸距變化值。

圖9為四輪驅動高地隙通用底盤越過臺階時的受力情況。從圖9中可以看出，當前輪碰到臺階時，由各受力情況可得到以下平衡方程式：

(8)

圖9 前輪跨越臺階受力圖Figure 9 Force analysis of front wheel over steps

式中：

D——輪胎的直徑，mm；

G——通用底盤總重力，N；

Fz2——后軸負荷，N；

μg——附著系數；

L1——重心到前軸的距離，mm；

L2——重心到后軸的距離，mm；

L——軸距，mm。

其中，在水泥路面上做跨越臺階試驗時，滾動阻力系數近似為0，忽略不計[14]。

設臺階高度為hw[15]，由圖9中的幾何關系可知：

(9)

代入式(8)化簡得：

(10)

式中：

由式(10)可知，L/D越大及L1/L越大，hw就越大，即通用底盤的前輪能越過更高的臺階。分析結果表明，hw是隨著L/D的增大而增大的；另外，當L1/L的比值增大時，四輪液壓驅動的通用底盤其前輪過臺階的能力大大提高，甚至車輪也能越過大于其半徑的高度。因此，可以得知前輪的越障能力與μg、L1/D、L/D3個參數有關。

當通用底盤的后輪碰到臺階時，其受力情況見圖10。

圖10 后輪跨越臺階受力圖Figure 10 Force analysis of real wheel over steps

后輪越過臺階時，其平衡方程式見式(11)。

(11)

式中：

e——車輛重心到前后軸心連接線的距離，mm；

β——水平路面與前后軸心連接線的夾角，(°)；

Fz1——前軸負荷，N。

由圖10中的幾何關系可知：

(12)

代入式(11)化簡得：

(13)

(14)

由式(14)可知，后輪跨越臺階的能力與μg、L1/D、L/D、e/L4個參數有關。其中，后輪越障能力隨μg增大而提高，隨L1/D、L/D、e/L增大而降低。

通用底盤前后輪越障能力都與附著系數呈正比，其中μg、L1/D、L/D同時制約前后輪越障能力。因此根據該參數選擇最佳通過性結構參數。通過前輪越障數學模型以及總體參數要求值決定機體結構參數。在不同的L1、D、e參數值情況下，通過性參數L值的選定見表2。

表2不同質心位置參數與軸距L關系數值
Table 2 Relationship between different centroid position parameters and wheelbaseL

hw(目標值)/mmμgD/mmL1/mm(L1≤1800)L/mm(2200≤L≤3200)4000．6110012032374．824000．6110015032865．184000．6110017033192．36

4 驗證實驗結果與分析

4.1 實驗場地與設備

為了獲取更加全面、合理的通過性數據，此試驗分2個不同地形進行測試。2017年7月，在吉首市宗南重工產業園與本校實訓中心及耘園教學基地試驗田進行通用底盤通過性能試驗，主要試驗儀器設備包括：液壓系統測試軟件(LERO iTest-008SRD1 V4.0.5，深圳雷諾智能技術有限公司)、液壓數據處理軟件(LERO_HTDAD_V1.01，深圳雷諾智能技術有限公司)、測試儀表(CHPM440/480，深圳雷諾智能技術有限公司)、壓力傳感器(0～60 MPa，深圳雷諾智能技術有限公司)、流量傳感器(0～150 L/min，深圳雷諾智能技術有限公司)、角度儀(VCHON LD-60，P≤0.95 mW，λ=620 nm，浙江省縉云偉創電子有限公司)等。

4.2 試驗方法

4.2.1 越障試驗 在跨臺階試驗中，根據GB/T 12541—1990的要求，選定試驗場地。在進行垂直障礙測試時，通用底盤滿載，發動機油門調到最大，行走馬達分2種排量模式進行測試。在越過臺階之前，車輛在水平地面行駛，然后通過操縱手柄來調節行走變量泵的排量，改變系統的壓力大小，從而驅動行走液壓馬達使車輪跨越垂直障礙物。同時，通過設置3次輪距與軸距的調整，來獲取不同的機體參數；從而得到3種情形下的通過性參數來驗證機體參數與通用底盤的通過性關系。此外，通過速度不限，以通過一次為標準，進行多次試驗，并記錄數據。

4.2.2 爬坡試驗 在爬坡試驗中，根據 GB/T 3871—2006的要求，在湖南農業大學實訓中心設置測試坡道。其中，坡道有效長度需大于噴藥機整體長度，并劃分為發車區域、試驗區域、緩沖區域。將液壓測試設備裝在行走馬達進出口，通過連接線纜與測試儀進行匹配，設置測試儀的測試接口與數據采集頻率為20 ms。首先將噴藥機在起步區域平坦路面發車，噴藥機行走馬達排量調為低速模式，向前推動行走手柄，進行測試。然后根據噴藥機通過情況進行液壓參數記錄以及噴藥機在進行爬坡時的通過情況進行記錄。

4.2.3 行駛速度與最小轉彎半徑試驗 為滿足通用底盤在南方水田的作業要求，在試驗田與實訓中心分別選取2條長度大于50 m，寬度大于5 m的試驗場地。設定50 m范圍內為測試區域，通用底盤在區域外啟動，在發動機油門控制在最大，行走手柄將變量泵排量控制在最大情況下測試低速與高速模式下通用底盤在試驗區域的行駛時間，得到通用底盤的最高行駛速度；每個場地采取三輪測試，取平均值并記錄。

根據試驗要求[16]，通用底盤最小轉彎半徑試驗在長度大于50 m，寬度大于15 m試驗田進行。通用底盤預先停放在試驗田塊中間區域，轉向模式設置為小場地轉向(前后輪同時45°左右轉)，啟動車子并低速行駛，將轉向手柄轉到極限位置，保持此位置不變，待通用底盤穩定行駛360°后，駛出測試區域。用鋼卷尺測量車輪轉向軌跡圓半徑并記錄數據。

4.3 試驗結果

在各工況下通用底盤通過性能測試結果見表3。通過設計值與實測值進行對比發現，各項通過性參數達到設計目標值，通用底盤通過性能較好。

表3 通用底盤通過性能試驗結果Table 3 The performance test results of the universal chassis

5 結論

基于南方水田再生稻、高植株果園等作物收獲采摘時機械化收獲、田間管理困難的問題，研究設計了一臺高地隙全液壓四輪驅動通用底盤。

(1) 根據通用底盤通過性要求，完成了液壓系統主要部件選型。選定了丹佛斯MS02型軸向柱塞變量馬達及90系列軸向柱塞變量泵。同時進行了機架尺寸選定及結構設計與轉向支腿的結構設計；并通過機架的受力分析與應力、應變校驗表明：機架在150倍變形條件下，其強度與剛度符合設計要求，驗證了機械結構的可行性與穩定性。

(2) 結合通過性參數目標值，建立了通用底盤軸距與結構參數之間的越障數學模型。經分析指出：通用底盤的越障能力與μg、L1、e、L、D5個因素存在一定的比例關系；并基于越障高度400 mm的條件下確定了底盤的軸距參數，對底盤樣機的制造與試驗提供了一定指導依據。

(3) 對通用底盤通過性能進行試驗，包括爬坡能力、越障高度、行駛速度、最小轉彎半徑各項指標。試驗表明：在坡度小于41°的坡道上能夠獲得較好的通過性；在滿載情況下，通用底盤能夠跨越的最大垂直障礙物高度為493 mm，最小轉彎半徑為3.7 m，水泥路面行駛速度范圍為0～13 km/h，水田作業速度范圍為0～11 km/h滿足了南方水田的作業要求。

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