多功能底盤技術研究方法可行性探索

王立軍　靳曉燕　陳寶昌　李存斌　孫士明

摘 要：為突破傳統農用動力拖拉機的應用技術瓶頸問題，以填補我國農用多點懸掛、全方位液壓電力多形式動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具空白為目的，滿足農機化新技術對高性能供電系統、高性能液壓動力輸出系統、高性能懸掛系統動力底盤及與之配套的關鍵田間作業功能部件的迫切需求，為變量作業技術、智能監控技術、信息化技術在農業機械上的應用消除了一項瓶頸問題。文中通過探索農用多點懸掛、全方位動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具的可行性研究方法，以期給國內同行在多功能底盤技術的后續研究和應用提供借鑒與參考。

關鍵詞：多功能底盤;多點懸掛;多點動力輸出;電液驅動

中圖分類號：S220.3文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.008

0 引言

我國傳統農用動力拖拉機，與之配套的農機具多采用后懸掛（國外有少數拖拉機配前懸掛系統），動力輸出都為機械輸出軸，此類懸掛和動力輸出方式存在的問題是：（1）與此類拖拉機配套的農機具必須自成一體，拖拉機與農具的融合度較低，無法將藥箱、肥箱、種箱等承裝或載重類部件安裝在拖拉機底盤中上部，比如播種機的肥箱、種箱，植保機械的藥箱必須配置到農機具上，因此帶來的是拖拉機縱向穩定性降低的問題;（2）動力輸出軸轉速為固定值，與之配套農具需要配置變速箱，且速度調整很難做到無極變速;（3）懸掛在拖拉機后部的農具由于距離拖拉機轉向輪較遠，拖拉機行進方向的不穩定性會較大程度的影響播種、耕作類機械的對行精度和耕深精度;（4）動力輸出只能連接一個功能件，無法適應多功能聯合作業時對多條件多點動力輸出的要求;（5）拖拉機輪距調整為人工調換輪輻的安裝方向，而且輪距不能夠無級調整;（6）傳統拖拉機地隙已經滿足不了作物中后期田間管理作業的需求;（7）傳統拖拉機皆為前輪轉向，轉彎半徑較大，無法適應地頭區域比較狹窄的地塊作業需求;（8）傳統拖拉機與農業裝備新技術兼容性差，很難在其上做與新技術含量較高的農機具改造;（9）幾乎不可能把農機裝備新技術移動試驗臺架、移動試驗平臺、移動試驗站設計在傳統拖拉機上。因此，研究開發靜液壓驅動多點懸掛（前中后）、全方位動力輸出底盤是一種可拓展性很強的全新底盤，可以從根本上解決上述問題，為農業裝備智能化、信息化、集約化、節能節本增效和新技術的綜合應用提供可擴展性的基礎動力平臺，為農具技術進步解決了瓶頸問題同時又研發出與之配套的關鍵農機具，為田間作業農機裝備創新技術構建了一個與傳統拖拉機技術路線平行的新技術試驗平臺。

國外發達國家部分廠家的拖拉機有配置前后雙懸掛雙動力輸出的產品，美國CASE、John Deere、愛科.維美德等公司，而靜液壓驅動的底盤很少，即便是有也多為專用底盤，比如美國CASE、John Deere、丹麥Hadi的自走噴霧機專用底盤的液壓驅動閉式系統的高壓泵、行走馬達和驅動橋技術已非常成熟，行走、轉向、地隙和輪距調整均采用靜液壓驅動、四輪獨立驅動和懸掛，全智能化操縱。高地隙底盤配套的噴霧系統普遍集成機電液一體化、精準控制、高精度定位與變量作業等技術。如美國Hagie公司的驅動STS16型自走式噴霧機配備300馬力發動機，離地間隙可達2 m以上，幅寬可達40 m，藥箱容積6058 L，配備歐洲“Green Star”施藥系統，采用衛星定位、自主導航及變量施藥方式作業，保證了高精度施藥性能。丹麥Hardi公司的Alpha4100型自走式施藥機，采用雙氣流輔助噴霧技術可減少藥液飄移、作業速度提高一倍以上、節省農藥30%以上。

綜上所述，研發農用多點懸掛、全方位動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具可填補我國農用多點懸掛、全方位液壓電力多形式動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具空白，滿足農機化新技術對高性能供電系統、高性能液壓動力輸出系統、高性能懸掛系統動力底盤及與之配套的關鍵田間作業功能部件的迫切需求，為變量作業技術、智能監控技術、信息化技術在農業機械上的應用消除了一項瓶頸問題。

1 與多功能底盤相融合的功能部件技術解析

（1）高速精量播種關鍵部件及智能監控技術。本項技術應著重解決作物不同播種方式、種植參數對機械化高速播種與農藝適應性問題;研究種子特性與高速排種防損傷機理相適應的低傷種率問題;研究漏播堵塞故障診斷技術，保證高速作業播種質量;研究高速播種單體仿形技術，實現播深一致性精確調控。

（2）精量施藥技術。以主糧、經濟作物為作業對象，探索霧滴在生長中后期冠層中的運移、穿透與沉積機理，研究霧滴防漂移和均勻沉積的精準施藥技術和最佳噴霧模式優化技術，研發基于不同生長期形態和實時作業環境信息反饋的精準施藥調控技術，開發在線變量混藥、大幅寬噴桿動態調平、基于智能控制的作業質量監測控制技術。

（3）精量配混深施肥技術。研究智能控制技術驅動計量排肥裝置動態控制排肥量的方法;研究利用氣流實現固態肥的輸送、防沉降結團、混拌及均勻分配技術。

（4）精準耕耘變量施肥技術。針對農田耕耘施肥精量化程度低的問題，研究低阻脫附節能作業技術;研究基于農田環境和作物信息反饋與機具之間的交互關系解決現有耕作機具中存在的精量化程度低和效率低等問題。

2 與多功能底盤相融合的功能部件可行性研究

首先從模塊化、整機優化及輕量化技術研究入手，分析市場需求，確定整機方案與明確設計目標，構建模塊與子系統功能定義、模塊通用性與互換性定義兩個任務體系，通過結構布局拓撲優化、模塊與系統優化、加工材料與工藝優化研究方法，建立整機設計集成平臺同時考慮輕量化設計要求，形成整機總體設計方案。

其次以總體方案為基礎，進一步確定高地隙底盤和系列多功能機具的結構參數與動力匹配參數，在整機設計方案參數確定的同時做充分的整機工作穩定性、可靠性和耐久性分析;集成高地隙靜液壓底盤與動力輸出技術、精量施藥技術、固液態肥精量配混施肥技術、精準耕耘施肥技術等關鍵共性技術，搭建多功能整機集成平臺;集成高地隙靜液壓驅動智能控制模塊、精準施藥控制模塊、精量施肥控制模塊、在線反饋質量監控模塊，開發整機智能控制系統及整機作業質量監控系統，實現整機智能控制與作業質量監控。

最后在各模塊開發過程中構建各功能部件試驗測試平臺、各性能評價指標與可靠性評價方法，對行駛速度、轉向性能、動力輸出、牽引性能、極限負載、偏載工況、播種性能、耕耘性能、施藥性能、配混肥性能、施肥性能、除草性能、培土性能等進行充分測試，形成綜合測試性能試驗報告，為改進優化設計提供可靠數據支撐。

3 與多功能底盤相融合的整機研究方法

本研究方法在研究的關鍵技術基礎上，將先進成果整合集成，借助虛擬現實技術建立配套裝置及整機仿真模型，針對整機工作工況分別模擬各項性能仿真測試，實現整機動力系統參數優化;利用硬件在環仿真系統實現基于整機工況模擬的精準耕耘、精量播種、精量施藥、混配施肥、氣流輔助、靜電噴霧、精量配混過程中整機控制器、電機控制器等電控系統的仿真測試及各系統優化設計;在各關鍵總成及其控制器性能優化基礎上，完成各功能的關鍵部件模塊化設計及整機匹配集成;最后借助整機試驗測試，完成整機的性能評估及定型設計。在該過程中，課題利用虛擬仿真技術、硬件在環技術、整機試驗技術等技術手段，逐步完成整機由前期設計到定型樣機的設計，技術路線環環相扣、由仿真到試驗、由虛擬到樣機，最終實現物理樣機、試驗樣機和定型樣機的整機集成制造，從技術路線及方案設計方面保證了課題的順利執行。

試驗方案環節：以樣機性能及可靠性為測試目標，在關鍵零部件、關鍵總成、整機等環節進行包括振動噪聲試驗、臺架試驗、整機性能試驗、整機安全性試驗等在內的各項試驗測試，針對試驗中所暴露的問題進行整改，從而提高整機各項性能指標及可靠性。試驗方案設計幾乎包括了研發、生產過程所需要的全部試驗測試，試驗方案全面、合理、滿足課題在試驗環節方面的要求，利用試驗、檢測設備，構建測試試驗平臺，運用計算機測控技術、半物理仿真測試技術、網絡測試技術等方法進行關鍵裝置的性能和可靠性試驗，并針對試驗中所暴露的問題進行整改。從試驗方面保證研究的順利開展。

參考文獻：

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