水田行走底盤液壓轉向機構研究

任貴東 王志濤 柳海鶴 孫卓 孫明哲 吳艷麗 譚宏杰

(吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130021)

引言

我國農(nóng)機生產(chǎn)和擁有量都保持世界第一。底盤總成是農(nóng)機裝備的重要組成部分，對農(nóng)機裝備的功能和運行效率都將產(chǎn)生重大影響。在水田作業(yè)環(huán)境中，由于水田土壤含水量高，軟泥層深度較大，一般在8～16cm。水田機械車輪下陷量大、打滑率高、行走阻力大[1,2]。因此需要合理選擇水田機械底盤傳動系統(tǒng)。

水田的地塊一般較小，長度和寬度一般都不大于50m。這導致水田機械需要頻繁轉向且轉向時所需扭矩大。因此轉向機構的可靠性，轉彎半徑的大小都是關鍵的設計參數(shù)。轉向系統(tǒng)設計是否科學合理，直接關系到水田車輛能否正常運行，科學的設計轉向機構，保證轉彎半徑在合理的范圍內，選擇合適的轉向液壓缸，使其既滿足轉向所需的最大推力，又不浪費動力系統(tǒng)的功率顯得至關重要，這有利于保證轉向系統(tǒng)工作的安全性、可靠性和平穩(wěn)性。

本文重點討論水田農(nóng)機裝備中，底盤傳統(tǒng)的系統(tǒng)選擇和轉向機構中轉向液壓缸確定。

1 農(nóng)業(yè)機械底盤傳動系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機械裝備中，底盤傳動系統(tǒng)有3種布置形式，分別是機械式、液力式、電力式[3]。

機械式底盤，其傳動系統(tǒng)的基本結構構成如下：發(fā)動機(汽油機或者柴油機)把動力經(jīng)過變速器傳遞各驅動橋，經(jīng)過驅動橋再傳遞給車輛車輪。這種結構主要用于水田插秧機、秧苗運輸機、農(nóng)用拖拉機、玉米的收貨機械。洋馬YR80D，見圖1，乘坐式8行插秧機，采用機械底盤，配備3TNM72型三缸水冷柴油機，高效HMT行走變速箱(液壓變速加齒輪傳動)，踏板變速，方向助力，轉向對行操控便捷。

圖1 洋馬YR80D乘坐式8行插秧機

液力式底盤傳動系統(tǒng)，由于不受傳動結構限制，通常應用在具有高地隙的農(nóng)用植保機械車輛，如旱田植保機械、水田植保機械。其能量的傳遞主要依靠液壓油，液壓油在液壓泵的作用下循環(huán)運動，將液體具有的壓力能轉變?yōu)閭鲃酉到y(tǒng)的機械能。

豐諾植保機械制造有限公司生產(chǎn)的240馬力大型液壓四驅式高架噴藥機，見圖2，采用液力式墊盤，具有高地隙，能夠進行液壓驅動四輪轉向等特點，適合多種地形，適應多種農(nóng)作物的植保工作。

電力驅動具有低噪音、無污染、能耗低以及傳動效率高等明顯優(yōu)勢，尤其是在當前新能源車輛井噴式發(fā)展的情況下，具有廣闊的發(fā)展前景。電力式底盤傳動系統(tǒng)分為2種基本機構：直接安裝輪轂電機；電動機的動力經(jīng)過變速齒輪箱、傳動軸傳遞到車輪上。能量由電能轉化為機械能，驅動機械裝備運行。系統(tǒng)由動力部分電動機和傳遞運動的傳動機構以及電動機的控制部分3部分組成。電動機分為2種，直流電動機和交流電動機。電能相比其他能源有多種優(yōu)勢。電能的生產(chǎn)方式大致分為2種：通過水力、風力、太陽能等清潔能源發(fā)電；通過火力、核能等方式發(fā)電，而且電能有利于遠距離傳輸。當前電動機的技術已經(jīng)較為成熟，功率范圍小到數(shù)瓦大到1萬kW以上，可供選擇的范圍較廣泛，已成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的主要動力源。

圖2 240馬力大型液壓四驅式高架噴藥機

2020年，河南洛陽國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心研發(fā)了一款電動拖拉機概念樣機，命名為ET1004-W，見圖3。主要創(chuàng)新點是大馬力、輪邊驅動和無人駕駛，具有極其重大意義，這是輪邊驅動技術在我國自主生產(chǎn)的農(nóng)機裝備的第一次應用。在同等馬力下，該裝備轉彎半徑是最小的，不大于3.5m，處于國內領先地位。這個無人電動拖拉機采用分布式控制技術，能夠完成四輪獨立驅動和四輪組合轉向的控制過程，實現(xiàn)左輪、右輪的差速行駛。并且采用模塊設計方式，有利于發(fā)展衍生型號。同時在拖拉機的控制裝置中加載了5G網(wǎng)聯(lián)與自動駕駛模塊，保證其具有遠程遙控駕駛、無人自動駕駛的功能，使得拖拉機具有適應未來無人農(nóng)場、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，具有較高的自主作業(yè)的能力。

圖3 大馬力輪邊驅動電動拖拉機ET1004-W

由于水田機械作業(yè)田地多是范圍小、分散的地塊，需要頻繁調速、轉向，需要底盤具有輕量化、功率密度高、無級變速、轉向靈活性強等特點。因此本文所論述的底盤結構采用液力式驅動結構。

2 農(nóng)機中常見轉向機構

農(nóng)機機械裝備中共有3種常見轉向方式，分別是偏轉導向輪轉向、改變兩側驅動力矩轉向和折腰轉向。

2.1 偏轉導向輪(前輪)的轉向方式常見于輪式車輛

在農(nóng)機領域中，如輪式拖拉機、洋馬YP63高速水田插秧機都采用這種方式轉向。前輪偏轉后，在驅動力作用下，地面對兩前輪的側向反作用力構成相對于后橋中點的轉向力矩，使機車轉向[4,5]。植保機械，由于轉彎半徑較小，轉向時大多采用4個車輪同時偏轉的方式完成轉向。

2.2 改變兩側驅動力矩的轉向

主要用于手扶拖拉機，轉彎時主要依靠牙嵌式離合器，憑借斷開一側驅動車輪的輸入扭矩來實現(xiàn)轉向。不同于方向盤，在左右任何一側的離合分離時，其對應的車輪靜止不動或速度下降，另一輪速度不變，從而達到轉向的目的。這種轉向結構的優(yōu)點是結構簡單，易于實現(xiàn)，但是在復雜路面時，可能會出現(xiàn)轉向不平穩(wěn)、不穩(wěn)定。

2.3 折腰轉向

河南省農(nóng)業(yè)科學院長垣分院設計了一種自走式植保車折腰轉向底盤結構[6]。整車采用四輪驅動，每個車輪上都配有獨立電機。整車分為前后2個部分，中間相互鉸接。在鉸接處安裝轉向電機和轉向齒輪箱，當需要轉向時，轉向電機通過轉向齒輪箱，使得車輛前后2個部分產(chǎn)生折彎角，憑借地面對前輪、后輪所產(chǎn)生的側向反作用力實現(xiàn)車輛轉向。由于轉向時外側轉彎半徑比內側轉彎半徑大，所以車倆轉彎時需要控制車輛外側車輪轉速和內側車輪轉速，使外側車輪的轉動速度高于內側車輪的轉動速度。

本文中討論的液壓轉向機構，選擇使用第1種轉向方式，偏轉導向輪(前輪)的轉向方式。因為操作簡單、工作可靠、成本低。在偏轉轉向輪的結構中，核心部件是轉向液壓缸，涉及到轉向液壓缸的結構尺寸和其中的連接零部件。下面本文詳細論述這種轉向機構。

3 液壓驅動單活塞缸式雙推桿液壓轉向機構

本文所描述轉向機構通過液壓缸驅動推桿，帶動前輪偏轉，完成轉向，具體結構如圖4所示。

推桿長度調節(jié)螺母的作用。在制造、安裝過程中，不可避免地導致液壓缸兩側推桿長度不同，這不利于保持車輛直線行駛。如果左側推桿長于右側推桿，在沒有調節(jié)螺母的情況下，會使車輛自動向右側偏移，如果右側推桿長于左側推桿，在沒有調節(jié)螺母的情況下，車輛會自動朝左偏移。為了解決這個問題，設計了推桿長度調節(jié)螺母。在選材上，調節(jié)螺母要能夠承受一定的沖擊，具有一定韌性。設計上在螺母內部加工貫通螺紋。使用時通過旋轉兩側調節(jié)螺母，調節(jié)螺紋旋入長度，使兩側推桿長度相同，保證車輛能夠直線行駛。

1.左前輪支撐架；2.單活塞式雙推桿液壓缸；3.推桿；4.推桿長度調節(jié)螺母；5.轉向連桿；6.右前輪支撐架；7.右前輪轉向軸銷

轉向連桿的作用。如果將連桿設計成直線型，能夠避免連桿承受附加彎曲應力。但是受到相鄰零部件的尺寸限制，將會發(fā)生干涉。所以將連桿尺寸做適當?shù)膹澢?/p>

當車輛需要朝左轉向時，單活塞式雙推桿液壓缸的推桿向右側伸出，通過推桿、轉向連桿，帶動左前輪和右前輪分別繞左前輪轉向軸銷和右前輪轉向軸銷逆時針偏轉，完成向左轉向。當車輛需要向右側轉向時，單活塞式雙推桿液壓缸的推桿向左側伸出，通過推桿、轉向連桿，帶動左前輪和右前輪分別繞左前輪轉向軸銷和右前輪轉向軸銷順時針轉動，完成向右轉向。如圖5、圖6所示。

圖5 左轉向前輪偏轉示意圖

圖6 右轉向前輪偏轉示意圖

4 結構設計

4.1 轉向機構受力分析

轉向機構受力分析如圖7所示。

圖7 左前輪轉向機構受力圖

轉向機構受力分析原理圖如圖8所示。

1.液壓缸；2.轉向連桿；3.左前輪支撐架

當液壓缸1推力為F時，通過轉向連桿2，作用在左前輪支撐架3上的力也是F,此時用于推動左前輪轉動的力為FI,扭矩為M1：

F1=F×cosα

(1)

M1=F1×L=F×cosα×L

(2)

式中，F(xiàn)1為推力F在水平向左分力；α為推力F與水平方向的夾角；M1為左前輪支撐件所收到的轉向力矩；L為左前輪支撐件旋轉半徑。

可見，當L越大時，轉向力矩越大，但是L曾大會導致整個轉向系統(tǒng)結構尺寸隨之增大，結合前梁轉向機構的機構尺寸，最終確定L=1460mm。

由公式(2)可知，當α越小時，轉向力矩越大，但是α過小，會導致轉向過程中發(fā)生零部件間干涉現(xiàn)象，結合實際強度要求，選擇α=13°。

4.2 液壓缸伸縮量與前輪擺角間數(shù)學關系

4.2.1 轉彎半徑

根據(jù)車輛轉彎半徑的定義，車輛行駛過程中，轉向半徑是指車輛瞬時轉向中心與前外轉向輪與地面接觸點的兩點距離。其展示了車輛通過最小曲率半徑彎曲道路的能力和在狹窄路面上調頭行駛的能力。轉彎半徑越小，表示車輛機動性越好，受限于車輛的結構尺寸、強度等因素，轉彎半徑不會無限小，所以必須設計一個合理的轉彎半徑。

根基車輛的使用要求和結構特尺寸，最小轉彎半徑設定為R=4200mm。

4.2.2 內外輪最大偏角

由圖9可知，軸距L=2550mm;主軸銷中心距K=1505mm;最小轉彎半徑R=4200mm。轉彎半徑公式R：

R=L/sinα

(3)

車輛偏轉方向外輪最大偏角α=37.38°。

cotα-cotβ=K/L[6,7]

(4)

車輛偏轉方向內輪最大偏角β=80.13°。

圖9 右轉向前輪偏轉示意圖

4.3 推桿長度計算

如圖10所示，當車右轉向時，液壓缸推桿向右側伸出，右前輪發(fā)生偏轉，最大偏轉角度α，連桿CB偏轉至DE位置，推桿由C點運動到E點，所以LCE就是推桿的直線運動距離。

LOA=96mm;LDE=310mm；LCB=310mm;α=37.38°

LDF=Rcosα-LOA

(5)

(6)

LAF=Rsinα

(7)

LEA=LEF-LAF

(8)

LCE=LCA-LEA

(9)

帶入后，經(jīng)過計算，LCE=170.5mm,即液壓缸推桿理論上工作長度需要170.5mm。

4.4 液壓缸推力計算

通過Taborek公式可知[8],車輪轉向時總的摩擦阻力矩：

(10)

式中，Gs為車橋負載，Gs=2500×9.8=24500N,液壓車滿載時重量為2.5t(其中機器自身重量為2t，裝載重量為0.5t)；us為路面附著系數(shù)，由于液壓車主要的工作場地是路況較差的農(nóng)田，因此此處取較大值us=0.8；e為車輪擺動半徑，本結構中e=0mm；B為輪胎寬度，取輪胎寬度B=60mm。

轉向動力缸活塞桿的最大推力:

(11)

r轉向阻力臂，取r=144mm。

單個轉向動力缸面積：

(12)

(13)

式中，D為轉向動力缸桿的直徑；d為轉向動力缸活塞的直徑(暫時取D=2d)；Psc為轉向動力缸工作壓力，考慮到安全因素，此處選取相對較小的壓力值，10MPa;ηsc為機械效率，此處取0.95(一般為0.9～0.97)。

經(jīng)計算轉向動力液壓缸的缸桿的直徑為D=26mm，活塞的直徑為d=13mm。依據(jù)GB 2348-1993《液壓氣動系統(tǒng)及元件 缸內徑及活塞桿外徑》液壓缸內徑d=16mm,液壓缸外徑D=32mm。能夠滿足車輛轉向時的工作要求。

5 結論

采用液力式底盤驅動結構，其中轉向液壓缸內徑d=16,外徑D=32,推桿長度L=1460mm，能夠滿足水田使用要求。