一種多功能鉸接式玉米田間管理機底盤的設計

申屠留芳，秦紹波，孫星釗，孫亞軍,3，唐立杰,3，張 炎

(1. 淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港 222005；2. 連云港市元天農機研究所，江蘇 連云港 222006；3. 中國礦業大學 機電學院，江蘇 徐州 221008)

0 引言

由于玉米自身的生長特點，在前、中期時生長的速度很快，一般5月初播種到5月底便可長到300mm，到了中后期便可長到1 200mm，期間則需要對不同時期的玉米施撒相應的肥料、農藥和水分，且還要定期去除株間的雜草，以確保玉米有足夠的養分和水分[1-2]。目前，市場上的管理機大多以拖拉機為載體，再配備農機具作業，完全無法滿足通過性要求。有很少一部分自走式管理機雖然滿足了高地隙要求，但機體結構簡單，高橋基本采用的都是軸傳動和鏈傳動，強度差、易壞、工作不可靠、維修費用高，且僅有一種或兩種管理功能(基本沒有中耕除草功能)，實用效果不好。

針對現有的玉米田間管理機的不足，設計了一款可以實現自走、高地隙、多功能及強動力的田間管理機，可在中后期的玉米田里自如行駛，操縱簡單可靠，實現玉米管理的全部作業(中耕除草、施肥、灌溉噴藥)。底盤是多功能管理機研制的核心部件，其結構決定了管理機的離地間隙，同時影響管理機在玉米田間的通過性、可靠性和穩定性等[3]，所以本文主要對管理機底盤的行駛系統及傳動系統等主要部件和系統進行設計。

1 玉米田間管理機底盤的設計要求

1)通過性要求。玉米稈因為本身的特征，在玉米的中期便可長到800～1 200cm，為了確保在玉米中期仍能進行作業，管理機要具有足夠高的地隙。

2)穩定性要求。由于該機要實現玉米田間管理的所有功能，所以保證底盤具有足夠的結構強度，工作安全可靠，因此管理機具有足夠的穩定性。

3)動力匹配問題。發動機應有足夠強勁的動力來保證管理機配備農機具工作時在任何路況下可以正常工作。

4)適配性要求。管理機底盤的懸掛不僅可以與中耕機、撒肥機、噴灑機構等農機具配套使用，滿足玉米前、中期間的作業要求，還能為玉米田間管理實施各種新型農機具提供綜合應用開發的平臺，真正地實現“一機多用”的要求。

5)適應性要求。結合玉米種植時株間距、密度的特點來有效解決管理機工作時誤傷、壓玉米稈等問題。

6)整機合理性要求。設計的底盤配套機具位置合理性、作業合理性及綜合性能滿足高效、可靠、簡單、安全和易操作等要求。

2 底盤設計方案

2.1 玉米管理機型結構的選擇

本設計選用鉸接式車架，試驗表明：①在相同軸距、輪距情況下，鉸接車輛轉向半徑約為偏轉前輪轉向半徑的80%，很適合在玉米地狹小的空地上轉向。②在松軟地面上曲線行駛時仍能獲得較大的牽引力，保證了管理機在玉米地里不會因動力不足而無法行駛。③軸距更大，從而提高了行駛縱向穩定性。④由于車架前后可以隨意擺動, 使車輪可以適應不平地形,保持車輛有均勻的垂直載荷和良好的接地能力,改善了牽引性能,使車架的扭轉應力大大減小。⑤由轉向橫拉桿控制管理機轉向，從而使前后橋的結構和制造工藝簡單，降低生產成本[4]。綜合考慮后初定前車架長2 120mm，后車架長1 200mm，寬800mm。

2.2 驅動方式的選擇

目前，市場上管理車常見的驅動方式主要是四輪驅動和前、后輪單獨驅動，試驗表明：①當滑移率在50%，四輪驅動的牽引力較兩輪驅動大20%，所以四輪驅動的車輛牽引附著性更好，很適合附著性能較差的玉米地作業需要[5]。②四輪驅動管理機在前橋上有較大的質量分配，并且前輪有驅動力，所以穩定性和操縱性好。③四輪驅動減少了每一驅動輪的驅動力負擔，可以將足夠的動力傳至路面，所以四輪驅動的方式可以更好地應對農田地坑洼不平的地況，也更好低保護了農田地土壤結構。④四輪驅動車輛的前后車橋和輪胎的磨損均勻，有利于延長管理機的使用壽命。結合以上所述，本傳動設計選擇四輪驅動的行駛方式。

2.3 發動機選型和動力參數

發動機的選擇以可以滿足管理機在配備中耕機正常工作為標準來選擇，同時盡量選用較小功率發動機以減少整機的質量和生產成本。中耕除草作業消耗的發動機功率Nj為

Nj=0.1Kλ·d·νl·Bj/ηj

(1)

式中Kλ—中耕比阻(N/cm2)，查表取5.89[6]；

d—耕深(m)，d=2；

vl—運行速度(m/s)，Vl=2；

Bj—中耕幅寬(m)，Bj=2；

ηj—傳動系比，取0.72[6]。

計算得Nj≈33kW。管理機工作時所消耗的功率Px為

(2)

u—摩擦因數，取0.3[6]；

ηψ—管理機傳動總效率，取0.75[6]。

計算得Px≈12kW。所以，管理機進行中耕除草工作所需發動機功率為P=Nj+Px=44kW。因此，所選發動機功率必須大于44kW。經過一番的市場考察，本設計發動機采用濰坊華信HX495四缸水冷柴油發動機。該發動機額定功率為46.5kW，額定轉速為2 600r/min，國產品牌，成本低、質量輕。

2.4 軸距、輪距選定

軸距是管理機的一項重要參數，對整車整備質量、總長、最小轉彎半徑、傳動軸長度及縱向通過半徑都有影響，且直接影響管理機的重心。因為玉米田空間狹窄，要求管理機有較小的轉彎半徑，因此軸距不能過大；但也不能過小，否則縱向穩定性和舒適性變差。因此，考慮管理機發動機與變速箱都應該放置在前車架和當懸掛農機具工作時重心后移等因素，初定軸距為2 000mm，保證管理機在空載還是農機具工作時重心都在兩軸之間。

輪距與管理機的總寬、總重、側向穩定性和安全性有影響。當軸距變小時，管理機的側向穩定性變差；軸距過大時，管理機的轉向半徑便會變大。因此根據農藝要求，其輪距應與玉米行距相適應，應有足夠寬的保護帶，一般玉米種植為600mm等行距，本機設計輪距初定為2 000mm。

2.5 高橋傳動

為了確保管理機有足夠的離地間隙，所以在驅動橋與車輪之間加一高橋，不僅可以獲得高地隙，還可以進一步增大傳動比。考慮到農田地土壤松軟而粘重，管理機行走阻力大，所以本設計高橋傳動采用五級直齒圓柱齒輪傳動，模數為6，可有效分擔變速箱和中央傳動的傳動比，確保機械強度。前后驅動橋主減速器半軸直接嚙合在高橋第一級齒輪上，中間經過三級齒輪過度，第五級齒輪直接與輸出軸嚙合，從而將動力傳遞給車輪，從而實現四輪驅動，結構簡圖如圖1所示。其總長855mm，寬110mm，高橋最終傳動比i0≈3。

圖1 高橋傳動示意圖Fig.1 Schematic of high bridge transmission

2.6 行走輪胎

由于玉米種植間距小，選用輪胎一定要足夠窄，又要考慮玉米稈的高度，保證管理機的通過性，所以該管理機應該使用窄而大的輪胎。不僅可以防止輪胎壓玉米稈還可以獲得較高的離地間隙，同時減少了土壤的壓實，保護了土壤，實屬一舉三得。本前后行走輪胎都采用橡膠凸耳輪，為剛性輪胎，輪胎外徑D0=1 335mm，寬度B0=130mm，如圖2所示。

圖2 輪胎示意圖Fig.2 Schematic of tires

3 關鍵工作機構與系統設計

3.1 變速箱的設計

本設計將變速箱與分動器設計成一體，不僅可以變速又可將動力多向傳動，且結構緊湊便于整體的布置[7]。其中，變速器齒輪選用成熟產品，提高了可靠性的同時又節約了成本。傳動軸是承擔扭矩的主要部件，所以針對軸進行專門的材料和尺寸選取，以其中一轉軸為例：軸的材料選用合金結構鋼40Cr，查資料知40Cr的彎曲疲勞極限δ-1=370MPa，扭轉疲勞極限τ-1=210MPa。軸的扭轉強度條件為

(3)

式中T—軸所傳遞的扭矩(N·m),T=170；

Wt—抗扭截面模量。

Wt=πd3/16mm3

將式(3)變形得到軸直徑d的不等式(4)，即

(4)

式中C—系數;

[τ]—許用扭轉剪切力。

由于前后輪胎直徑相同，所以在分動時采用同一根軸將動力分別傳至前后驅動橋。由于管理機使用的輪胎為剛性的，所以輪胎的變形可以忽略不計，便可認為前后輪的差速率為零，實現同速傳動。管理機在農田工作時速度變化范圍不大，所以變速分動器內有3個前進擋，2個倒退擋，各檔傳動比如表1所示，傳動簡圖如圖3所示。

表1 檔位傳動比比值表

1.Ⅰ軸 2.Ⅱ軸 3.Ⅰ～Ⅲ擋從動齒輪 4.Ⅱ軸常嚙合齒輪 5.結合套 6.副動力輸出軸 7.中間齒輪 8.最終傳動齒輪 9.分動軸 10.被動齒輪 11.主動齒輪 12.倒擋齒輪 13.倒擋軸 14.Ⅱ～Ⅲ擋滑動齒輪 15.殼體圖3 變速分動器傳動簡圖Fig.3 Schematic of variable speed transfer transmission

3.2 傳動系統的設計

該管理機的發動機不僅要行駛提供動力，還要為灌溉、中耕、施肥等提供動力，所以管理機的傳動系統顯得尤為重要[9]。整機傳動方案如圖4所示。

圖4中，液壓泵1直接連接在發動機2上，發動機2部分動力傳至液壓泵1，液壓泵1將為轉向器、轉向橫拉稈、升降系統、撒肥機等提供動力，形成一整套液壓系統；發動機2通過發動機離合器3將動力傳至變速分動器4，經過降速增距后將大部分動力通過萬向節5傳至前橋6和后橋9；然后動力經過前后橋的差速器、半軸傳至前高立橋7和后高立橋10，最后將動力分別傳至前輪8和后輪11，實現四輪驅動。同時，變速分動器內還設有后輸出軸12，通過萬向節5與齒輪分動箱13連接，實現二次分動。齒輪分動箱13將動力分成兩路：一路與隔膜泵15相連，隔膜泵15將為噴灑裝置提供動力；另一路通過萬向節5與齒輪離合器14相連，當需要管理機中耕工作時，齒輪離合器嚙合將為中耕機提供動力，不需要中耕時將齒輪離合器斷開便可停止中耕機工作，最終實現管理機整機的動力傳動。玉米田間管理機的底盤傳動示意圖，如圖5所示。

圖4 底盤傳動方案Fig.4 Schematic of chassis transmission

1.液壓泵 2.發動機 3.前輪 4.離合器 5.前高立橋 6.齒輪離合器 7.前橋 8.萬向節 9.后橋 10.后高立橋 11.后輪 12.齒輪離合器 13.隔膜泵 14.齒輪分動箱 15.后輸出軸圖5 玉米田間管理機的底盤傳動示意圖Fig.5 Schematic of maize field management machine chassis transmission

4 整機的結構實現

4.1 底盤方案設計

底盤布置方案中，將發動機放在前車架上縱向布置，既可以保證前橋承載一定的質量，又可使離合器、變速分動箱等質量較大的部件盡量靠近前橋布置，證了管理機的通過性。根據上述的設計方案，底盤布置方案如圖6所示。

4.2 管理機底盤結構實現

根據上述的底盤布置方案，進行結構裝配并不斷調整裝配位置，最終得到管理機總體底盤結構設計方案，如圖7所示。

1.前車架 2.發動機 3.離合器 4.轉向器 5.齒輪離合器 6.齒輪分動箱 7.隔膜泵 8.齒輪離合器 9.后車架 10.后驅動橋 11.后高立橋 12.后輪 13.中間鉸接箱 14.前驅動橋 15.前高立橋 16.前輪圖6 管理機底盤布置方案圖Fig.6 Schematic of management machine chassis layout

4.3 管理機整機結構布局實現

完成管理機底盤設計方案后對管理機的配套設備進行布置，得到整機結構布局如圖8所示。將噴灑機構布置在前車架前端，采用龍門式升降架來控制噴稈的升降，噴桿為三段折疊式，兩端的噴桿由雙向電動拉桿控制。后車架尾部上端安置通用性三點懸掛，可以根據工作需要方便快捷地更換中耕機或者撒肥機，藥液箱安置在后車架前端，使重心落在后橋位置上，合理分配整機質量。其中，噴桿的折疊、噴灑系統的控制閥和液壓系統的控制閥都安裝在操作臺上，完成駕駛室的控制集成化，方便對整機的操縱，從而實現玉米田間管理機的全套工作。管理機外形尺寸(L×W×H)為5 400mm×2 040mm×3 000mm，離地間隙為1 200mm，空載總質量約620kg；水泵功率/轉速為5.5kW/600r/min，藥液箱容積為1 050L，撒肥箱容量為480L，中耕除草刀結構犁式為旋轉式割刀。

1.前車架 2.發動機 3.離合器 4.轉向器 5.齒輪離合器 6.齒輪分動箱 7.隔膜泵 8.齒輪離合器 9.后車架 10.后驅動橋 11.后高立橋12.后輪 13.中間鉸接箱 14.前驅動橋 15.前高立橋 16.前輪圖7 管理機底盤設計方案圖Fig.7 The design drawing of management machine chassis

1.龍門式升降架 2.1號液壓箱 3.發動機 4.柴油箱 5.液壓控制閥 6.灌溉系統控制閥 7.雙人座椅 8.二號液壓箱 9.藥液箱 10.懸掛系統 11.配套撒肥機 12.配套中耕機 13.中間過渡軸 14.轉向橫拉稈圖8 管理機整機設計方案圖Fig.8 The design drawing of the whole management machine

5 田間試驗與結果

5.1 試驗基本條件

田間性能試驗在位于連云港東海縣白塔鎮王小埠村進行。試驗地屬于平原地區，土壤為壤土；當日環境溫度為16.4℃，相對濕度為53.6%,大氣壓力為102.5kPa，土壤堅實度為247.5×104Pa。試驗地塊玉米收獲后，秸稈粉碎機粉碎還田。秸稈覆蓋量3.8kg/m2。試驗分為3大部分，分別為噴灑試驗、中耕試驗和撒肥試驗。

5.2 試驗基本條件

本管理機試驗結果，如表2所示。

表2 多功能鉸接式管理機試驗性能結果

6 結論

針對目前市場缺少多功能玉米田間管理機的問題，通過研究玉米種植、玉米地況和需要田間的管理作業設計了一套符合玉米種植前、中期的管理作業的高地隙強動力底盤。試驗表明：該管理機滿足通過性要求，各種玉米田間管理工作質量符合農藝要求(中耕除草、施肥、灌溉噴藥)，性能可靠，真正實現了多功能、高效率及低成本的目標。

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