基于AVL CRUISE的果園噴霧機底盤動力系統匹配研究

于嘉偉 高琦 徐文鑫 趙紹統 代傳陽 李駿鵬

摘要：針對果園的工作環境和作業需求，對果園噴霧作業機進行動力系統匹配研究。分析了果園噴霧機底盤設計要求，確定了底盤動力與傳動系統的參數和主要性能指標。使用AVL CRUISE仿真軟件建立了果園噴霧機底盤動力系統仿真模型，設置了該底盤運行工作的任務需求，根據底盤實際工況進行了典型性能指標的仿真，通過分析仿真結果，驗證了果園噴霧機底盤動力系統匹配的合理性。

Abstract： According to the working environment and operation requirements of the orchard， the matching of power system of a orchard spraying machine is studied. The design requirements of the orchard sprayer chassis are analyzed， and the parameters and the main performance indexes of the power system and transmission system of the chassis are determined. Then the simulation model of chassis power system of orchard sprayer is established by using AVL CRUISE simulation software. The task requirement of the chassis operation is set up， and the typical performance indicators are simulated according to the actual working conditions of the chassis. The simulation results verifies that the matching of the chassis power system of the orchard sprayer is reasonable.

關鍵詞：果園;噴霧機底盤;動力匹配;仿真

Key words： orchard;sprayer chassis;power matching;simulation

中圖分類號：U462.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0019-04

0? 引言

當前水果逐漸變成了人們生活的必需品，相應果園產業規模逐漸擴大，果園機械化生產也得到了快速發展。在果園生產過程中，噴霧作業占較大的比重，人工噴霧效率低、勞動強度大、成本高，而且農藥殘留對人體有一定的危害。當前針對寬幅、大面積種植的果園，已經成功研制了多種大型、自動化程度較高的噴霧作業機，實現了噴霧機械化作業。但是針對行距株距比較小的矮密化果園，普遍存在大型噴霧作業機具適應性差、作業功能單一、機器閑置率高等問題，現已成為制約我國矮密化果園機械化發展的瓶頸之一。其中主要原因之一是噴霧機底盤動力系統的合理匹配沒有得到足夠重視。噴霧機底盤動力系統匹配的研究對促進果園噴霧作業效率與作物質量的提高，具有重要價值。本文主要針對一款果園噴霧機底盤，通過建模仿真，實現噴霧機底盤合理的動力系統匹配。根據真實的噴霧機底盤工作環境，提出來了噴霧機底盤需要滿足的各種性能需求指標，設計合適的底盤動力系統匹配方案，在AVL CRUISE軟件中，搭建了噴霧機底盤的仿真模型，建立了噴霧機底盤典型仿真工況，將仿真結果與性能指標對照，驗證了果園底盤動力系統匹配合理性。通過本文研究，可以給果園噴霧機設計過程中提供關于底盤部件參數選擇的建議，為適應多種果園的噴霧機生產奠定了基礎。

1? 果園噴霧機底盤設計要求

1.1 底盤動力系統匹配要求分析

果園地形受地域因素影響，底盤的主要工作環境有平原、山區人工林地兩種。其中平原地形的特點為地勢平坦，道路的主要形式為土路，最大坡度一般為8%。而山區人工林地主要建立在丘陵和坡地上，其主要的特點為土路較多，且緩坡較多，一般其坡度值分布在8～26%。基于果園各種不同類型的地形條件，本文提出了果園噴霧機底盤的設計要求，能夠滿足多數崎嶇山區及平原地形果園的使用，其基本性能指標如表1。

果園中道路寬度狹窄，不平度較高，常出現緩坡和坑洼，底盤在設計時應具有較小整機寬度，同時選用履帶式行駛機構，以保證底盤具有較好的道路通過性、爬坡能力，以及較小的轉彎半徑。設計的整機三維圖如圖1所示。

綜合考慮果園噴霧劑底盤的實際工作環境，初步擬定整機基本參數如表2所示。

根據果園噴霧作業特點，噴霧機底盤動力性應滿足：最高行駛速度不低于6km/h，最大爬坡度不小于26%，行駛車速從0～6km/h加速時間不超過6s，最大牽引力不低于2400N。

1.2 底盤傳動系統布置方案確定

根據果園噴霧作業環境的需求，需要保證噴霧機底盤在各種路況下均有較好的動力性能，且滿足作業所需車速要求，選擇汽油機驅動的動力傳動系統布置方案。發動機放置于底盤的前端，與離合器直接相連，離合器輸出軸與變速箱機械連接，動力經由變速箱傳遞至差速器后向兩個半軸進行傳遞，兩個半軸上各安裝一個減速器，最終經過減速器減速、增扭的作用，動力被傳遞至半軸末端的履帶行走機構，驅動輪帶動履帶滾動最終實現噴霧機行走。噴霧機的底盤傳動系統布置方案如圖2所示。

由于果園噴霧機主要在果園內進行噴霧作業，工作環境較為單一，同時為了降低操作難度，選擇一種前一倒一型變速箱，有一個前進擋，一個后退擋，可以靈活的應用于底盤的行進與工作過程中。

2? 果園噴霧機底盤動力與傳動系統參數確定

2.1 發動機性能參數確定

2.1.1 發動機功率的確定

①最高行駛速度下的發動機功率。

果園噴霧機在實際作業過程中，底盤行駛速度通常會低于最高行駛速度，但其工作環境為丘陵、山地時，路面不平度高，常伴有坑洼、緩坡，因此噴霧機底盤應有一定的后備功率，以保證底盤具有一定的爬坡能力。綜合分析果園噴霧機底盤的作業工況，確定其發動機功率應大于底盤在最高行駛速度時所受到的滾動阻力與空氣阻力之和，如式（1）所示。

式中：Pev—發動機在最高行駛速度下的最大功率，W;t—傳動系統效率; m—整機最大質量，kg;f—滾動阻力系數;Cd—空氣阻力系數;A—車輛迎風面積，m2;vmax—噴霧機底盤最高行駛速度，m/s。

②最大爬坡度下的發動機功率。

若果園噴霧機以行駛速度通過va最大坡度角為max的道路，則發動機在最大爬坡度下的最大功率Pe？琢可由式（2）計算得到。

式中：Pe—發動機在最大爬坡度下的最大功率，W;t—傳動系統效率;m—整機最大質量，kg;f—滾動阻力系數;Cd—空氣阻力系數;A—車輛迎風面積，m2;max—噴霧機底盤爬坡時的最大坡度角，°;va—噴霧機底盤爬坡時的行駛速度，m·s-1;imax—噴霧機底盤爬坡的最大坡度值。

2.1.2 發動機扭矩、轉速的確定

果園噴霧機底盤在爬坡工況下，發動機應能輸出滿足爬坡條件的扭矩，此時確定的發動機扭矩應滿足：

式中：Tmax—發動機在最大爬坡度下的最大扭矩，N·m;i0—為減速器的傳動比;r—滾動半徑，m;max—噴霧機底盤爬坡時的最大坡度角，°;va—噴霧機底盤爬坡時的行駛速度，m/s;imax—噴霧機底盤爬坡的最大坡度值;m—整機最大質量，kg;f—滾動阻力系數。

當噴霧機底盤轉向時，發動機輸出力矩驅動履帶轉動實現轉向。轉向過程中，需要克服很大的轉向阻力矩，此時發動機輸出的扭矩計算式為如式（4）所示。

式中：Tz max —發動機在轉向時的最大扭矩，N·m;？濁z—轉向阻力系數;Mu—轉向阻力矩，N·m;B—輪距，m; r—車輪半徑，m。

為保證噴霧機底盤可以在正常作業速度下行駛，發動機的額定轉速可由式（5）確定。

式中：ne—發動機額定轉速，r/min;ve—底盤常規行駛速度，km/h;ie—變速器的傳動比;io—減速機的減速比;r—車輪半徑，m。

發動機的最高轉速可有最高車速確定，如式（6）所示。

式中：nmax—發動機最高轉速，r/min;ie—變速器的傳動比;io—減速機的減速比;vmax—底盤行駛最高速度，km/h;r—車輪半徑，m。

經理論計算可得出發動機的額定功率為2.45kW，額定扭矩為33N·m。根據理論計算結果，初步選定一款發動機，其主要參數如表3所示。

2.2 傳動比的確定

傳動系統參數匹配是底盤動力與傳動匹配的主要環節。根據果園噴霧機底盤的最高行駛速度，可確定最小傳動比范圍，如式（7）所示。

式中：iz min—噴霧機底盤的最小傳動比;r—車輪半徑，m;vmax—噴霧機底盤的最高行駛速度，km/h;np—底盤處于最高車速時對應發動機轉速，r/min。

根據噴霧機底盤實際工作時所需的最大爬坡度，可以確定最大傳動比范圍，如式（8）所示。

式中：izmax—噴霧機底盤的最大傳動比;？濁t—傳動系統效率;r—車輪半徑，m;m—整機最大質量，kg;f—滾動阻力系數。

經計算得出噴霧機傳動系統的傳動比的取值范圍為15.19≤i≤18.43，確定傳動比為18。

3? 果園噴霧機底盤動力性仿真與分析

3.1 仿真模型建立

根據所確定的果園噴霧機底盤整體布置方案，在CRUISE中建立果園噴霧機的整機仿真模型，包括車身模型、離合器模型、發動機模型、變速器模型、差速器模型、減速器模型、車輪模型以及駕駛控制模型等。所建立整機仿真模型如圖3所示。

3.2 仿真任務設置

根據果園噴霧機的實際工況，設置果園噴霧機底盤為滿載狀態，建立的仿真任務有：穩態行駛能力、加速能力、爬坡能力、最大牽引力。

3.2.1 穩態行駛能力

果園噴霧機在實際工作過程中，需要保證穩定行駛狀態，設置穩態行駛能力仿真工況，分析滿載狀態下底盤的最高行駛速度。

3.2.2 全負荷加速能力

果園噴霧機底盤的加速能力表現為從加速開始到加速結束，穩定在最高行駛速度所需的時間。原地起步加速時間通常是指，車輛從靜止狀態起步，以最大加速能力升至某一車速所需要的時間。設置噴霧機底盤的全負荷加速能力仿真工況，分析底盤的原地起步加速時間。

3.2.3 爬坡能力

考慮到果園中土壤環境坑洼、緩坡居多，果園噴霧機底盤需具有一定的爬坡能力，設置爬坡能力仿真工況，分析建立的果園噴霧機底盤爬坡度。

3.2.4 牽引能力

最大牽引力能夠直接反映車輛的動力性能。對于果園噴霧機底盤來說，最大牽引力應在一個合適的范圍之內，過大導致能量的浪費，過小導致在實際過程中難以掛載噴霧裝置工作。設置牽引能力仿真工況，分析底盤最大牽引力。

3.3 仿真結果分析

3.3.1 穩態行駛能力仿真驗證

果園噴霧機底盤穩態行駛能力仿真結果如圖4所示，噴霧機由靜止狀態起步，達到最高行駛速度6.9km/h，大于擬定的噴霧機最大行駛速度6km/h，因此穩態行駛能力仿真分析中，可驗證底盤動力匹配方案的合理性。

3.3.2 全負荷加速能力仿真驗證

圖5為果園噴霧機底盤全負荷加速能力仿真結果。圖5所示，在0-2.1km/h行駛速度范圍內，噴霧機底盤加速經過的時間較長。在2.1-6.3km/h范圍內，底盤行駛速度增加的較快，在6.3km/h之后底盤行駛速度增加緩慢。從靜止加速到擬定的理論最高車速6km/h共用了4s，符合設計要求。

3.3.3 爬坡能力仿真驗證

果園噴霧機底盤爬坡能力仿真結果如圖6所示。從圖6中可以看出，當果園噴霧機底盤行駛速度達到在3km/h左右，最大爬坡度為47.5%，超過了設計，擬定的性能指標26%，由此可以驗證底盤爬坡度能力滿足設計要求上，動力系統匹配方案合理。

3.3.4 牽引能力仿真驗證

圖7為噴霧機底盤牽引能力仿真結果。從圖7可以看出當底盤的行駛速度處于2.4-4.2km/h時，其牽引力超過2400N。當行駛速度達到3km/h時，噴霧機達到最大牽引力2790N，當噴霧機速度超過3.6km/h之后，噴霧機底盤最大牽引力開始逐漸下降。最大牽引力為2790N大于設計時擬定的性能指標值2400N，由此可以驗證在牽引能力要求上，動力系統匹配方案合理。

4? 結論

本文主要針對一款果園噴霧機底盤，通過建模仿真，實現噴霧機底盤合理的動力系統匹配。首先，根據真實的噴霧機底盤工作環境，提出了噴霧機底盤需要滿足的各種性能需求指標，設計了合適的底盤動力與傳動系統匹配方案;然后，根據噴霧機作業的性能要求，通過理論計算，確定了其底盤動力與傳動系統的關鍵參數;最后，在AVL CRUISE中搭建了噴霧機底盤的仿真模型，建立了噴霧機底盤典型仿真工況，將仿真結果與性能指標對照，驗證了果園底盤動力系統匹配合理性。果園噴霧機底盤采用汽油發動機驅動，發動機額定功率為2.45kW，額定扭矩為33 N·m，傳動比為18。通過本文研究，可以給果園噴霧機設計過程中提供關于底盤部件參數選擇的建議，為適應多種果園的噴霧機生產奠定了基礎。

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