丘陵山区双履带式小型动力底盘的设计

11112

杜蒙蒙，姬江涛，杜新武，贺智涛，刘剑君

（1．河南科技大学车辆与动力工程学院，河南洛阳摘

471003；2．河南省烟草公司郑州市分公司，郑州450001）

要：为了解决丘陵山区农业机械化作业水平低，人工覆膜、培土、运输等作业劳动强度大等问题，设计了一

种适应山地作业、结构简单的小型动力底盘，并采用模块化设计理念开发了与动力底盘相独立的配套作业机具。在三维设计软件中完成了变速装置的虚拟装配设计，进行了干涉检查。利用快速拆卸装置，安装不同的作业部该底盘可完成旋耕、起垄、覆膜、培土、除草、运输和喷药等作业。试验表明，双履带式动力底盘具有优越的爬件，

坡能力与较强的牵引附着性能，操作稳定性好，田间松软地面通过性高。关键词：动力底盘；双履带；虚拟装配；旋耕；丘陵山区中图分类号：S224．4

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2013）09－0116－04

0引言

目前，我国丘陵山区农业机械化作业水平普遍偏

始引入价格相对低廉、功能多用的微耕机；20世纪90年代中期至今，我国微耕机行业迅猛发展，至2000年底全国专业生产微耕机厂家便达百余家

［4－5］

。

低，运输、旋耕以及起垄、培土、除草等中耕作业仍主要以手工作业为主，用工多、劳动强度大，劳动力投入在农业生产总成本中所占比例过大，已成为限制丘陵山区农业生产发展的主要因素

［1］

目前，将大田通用型微耕机直接或经简单改造后配以作业机具应用于丘陵山区作业效果并不理想，主要原因包括以下两点：一是配套机具方面。一些生产设计的起垄机、开沟器、培土器、覆膜厂家自行改造、

机等中耕管理机具的针对性不足，实用价值小，整机设计技术水平偏低导致作业质量往往不能达标。二农机具与动力匹配是缺少成型的动力机械作业底盘，

经常会有功率不足、机具牵引阻力过大等现性能差，

象的发生。因此，在丘陵山区农业生产中大范围推广丘陵山区整体机械化水平远低使用的成熟机型较少，于全国平均水平。

。丘陵山区田块细

耕层薄、坡度大、交通不便，大中型农业机械碎分散、

进田作业存在着一定难度以及安全隐患，并且大型农机成本过高，我国个体户农民尚不具备足够的经济能力和购买意愿。因此，广泛适用于我国丘陵山区的农此业机械主要以各式各样的自走式微型耕耘机为主，外还有少量山地拖拉机

［2］

。山地拖拉机由于引入液

方向调节等装置，机器结构复杂，压差高驱动及流量、

外形尺寸庞大，运行、保养技术高，价格昂贵。微型耕耘机又称田园管理机、微型耕作机，简称微耕机

［3］

。

1

1．1

研究内容

国内相关机型

针对丘陵山区微耕机适应性能不足等缺点，相关

2006年，中国农业部发布微型耕耘机鉴定大纲DG/T006－2006，大纲规定微耕机为额定功率不大于7.5kW，主要用于水旱田耕整、田园管理、设施农业等作业的微动力型耕整作业机械。目前市场通用机型的配套动力多为1．5～6．0kW风冷汽油机或柴油机，普遍采用2．20～5．88kW。20世纪80年代，随着土地联产承包责任制政策的实施，大型农业机械的发展陷入低潮，加之农民收入普遍提高，购买力增加，我国开

收稿日期：2012－08－31

基金项目：河南省高校科技创新团队支持计划（2010IＲTSTHN001）

（E－mail）作者简介：杜蒙蒙（1988－），男，河南兰考人，硕士研究生，

duqinzheng@163．com。

（E－通讯作者：姬江涛（1965－），男，河南偃师人，教授，硕士生导师，

mail）jjt0907@163．com。

研学者以及科研单位进行了大量的研究工作。目前，制的机型大致分为3种：①刀轴驱动型。这类机器运输时使用橡胶双轮行走，中耕作业时将橡胶轮拆下，装配上旋耕刀组、除草轮等即可完成相应的旋耕、培土、除草等作业。该机型大多采用立轴式小功率发动机直接联接行走变速箱，如河南洛阳卓格哈斯机械有限公司生产的1WG3．3多功能微耕机及美国俄亥俄州MTD公司生产的21A－24MK000型园艺管理机。刀轴驱动型微耕机结构简单，操作轻便；但工作时受土壤反力大，稳定性差，机手操作费力。②刀轴、行走双轴型。这种机型采用双轮或者四轮作为行走装置，

工作刀轴采用与行走装置相独立的传动系统，工作平稳可靠，提高了机手的操作舒适度，但机器结构复杂，轮距和外形尺寸过大，不适合山地垄间作业。③少数从而减小了机器的外机型采用单履带作为行走部件，

形尺寸；但同时却大大降低了机器的横向平稳性，依靠机手扶持保持机身平衡，劳动强度大，容易发生侧翻等事故1．2

［6］

。

整体方案设计及工作原理

笔者以上文述及的第2种机型的结构为基础，吸

收履带式底盘牵引力大、附着性能好、通过性能强等优点，结合河南省西部地区烟田的实际农艺状况设计开发了一种双履带式微耕机动力底盘。该底盘采用双履带行走装置提高了机器的作业稳定性，从而改善了作业质量，减轻了机手的操纵难度；采用橡胶履带，降低接地比压，减轻了对土壤的压实，有利于根系的健壮成长

［7］

。

图2

Fig．2

动力底盘传动路线图Transmissionmapofthepowerchassis

机器总体由动力部分、传动系统、行走装置、工作部件、机架及扶手操纵装置等组成。

为了保护传动系链条以及发动机的安全使用，第一级传动采用窄V带，主变速箱采用三级直齿圆柱齿轮传动，分前进挡、空挡和倒挡3级挡位。动力经过主变速箱后分成两路：一部分输出至履带行走部分的驱动轮，带动微耕机行走；另一部分动力输送至作业机具，装配不同的工作部件便可完成喷药、覆膜、培土、除草等作业。操纵扶手在水平方向360°内均布八级工作位置，高度方向3个工作位置，可满足不同机手从事个别作业的位置要求。结构简图及传动路线图分别如图1和图2所示所示

。

1．3

功率消耗的设计计算

以消耗功率最大的旋耕作业为计算对象，动力底

盘驱动旋耕刀具作业时，发动机的绝大部分功率用于刀辊的入土、翻土过程。其数值可计算预测和实测确定。为了计算预测功耗，国内外学者提出了如单元法、能量法、比功法、比阻法等解析方法。由于旋耕作业功率消耗影响因素较多（主要有刀轴转速n、机组耕深d、耕幅B以及土质等），但速度参前进速度vm、

数是其最主要的影响因素，它不仅影响垡块的抛掷速度，而且决定了所切垡块的大小、细碎程度。前苏联提科学家西涅阿科夫等指出：“许多研究资料都表明，高圆周速度便会使旋耕作业时消耗的能量按二阶曲线规律增加”

［8－9］

。另外，在刀轴一定的情况下，旋耕

所需功率随机组前进速度的增加而近似线性增大。

因此，为减少旋耕作业时的能量消耗，并提高动力底盘的作业生产率，在农艺技术要求所允许的范围内，选取尽量低的刀轴转速n=125r/min配以较大的机组前进速度Vm=0．65m/s进行旋耕作业。1．3．1

旋耕功率消耗的设计计算

N1=0．1KλdVmB

式中

1．旋耕刀组2．齿轮变速箱3．双履带行走装置4．机架5．带传动

6．发动机7．扶手

图1Fig．1

动力底盘结构简图（装配旋耕刀具图）

rotaryblades

）

Structuralsketchofthepowerchassis（assembledwith

由以下公式计算、预测旋耕功耗，即

（1）

N1—旋耕功耗（kW）；Kλ—旋耕比阻（N/cm2）；d—耕深（cm），d=12；

Vm—机组前进速度（m/s），Vm=0．65；B—耕幅（m），B=0．6。

在不同土质及作业方式下，旋耕比阻应乘以适当的系数进行修正，则

Kλ=KgK1K2K3K4

式中

（2）

Kg—修正前旋耕比阻（N/cm2），受切土节距影

响，一般黏土、耕深12cm时取Kg=11；K1—耕深修正系数，K1=0．8；K2—土壤含水率修正系数，K2=0．94；K3—残茬植被修正系数，K3=1．0；K4—作业方式修正系数，K4=0．66。

Kλ=5．46N/cm2N1=2．56kW

1．3．2

行驶功率消耗的设计计算

动力底盘在田间行驶时，必须克服来自地面的滚空气阻力Fw、上坡行驶时的坡度阻力Fi和动阻力Ff、

加速行驶时的加速阻力Fj。由于微耕机动力底盘行驶速度低，故计算时略去并修正空气阻力Fw以及加速阻力Fj，因此底盘行驶总阻力为

CAD软件，具有强大的零件三维建模、虚拟装配、草图设计、工程技术图纸转换、动画制作以及模型渲染等功能

［12］

。

在三维软件Solidworks中采用自顶向下的设计理念，即从整机装配体开始机器的部件装配、零件设计等工作：进行功能概念设计确定机器型式以及各部装进而进行传动方案设计和结构方案之间的联接方式，

设计，随着设计的深入在装配体环境中创建、修改并完成各零部件的实体建模。装配体与零件设计的同时进行，最终建立了动力底盘的虚拟装配体和详细的零部件模型，大大提高了设计层次的清晰性和装配的合理性。

动力底盘变速箱里具有装配位置关系要求的零部件较多，齿轮、套筒、轴承等装配位置紧凑、变速拨叉行程设计合理。由于影响传动零部件结构尺寸的因素众多，除由公式计算以及经验选取的参数外还应重点考虑装配位置的合理性。利用Soildworks的尺寸驱动技术，通过拉伸凸台/基体、拉伸切除、旋转切除、简筋等特征加工指令，重合、平行、同轴、垂直、单直孔、

相切、距离、角度、锚定等尺寸、位置约束条件，完成三维建模、虚拟装配和干涉分析计算，找出并修改结构设计中不适合装配以及装配性能不佳的结构特征，最终保证变速箱装配的合理可行性，减少了现实样机设计制造的返工率，降低了产品设计开发的难度与总成本。变速箱虚拟装配模型及干涉分析结果，如图3和图4所示。

∑F

式中

=1．15(Ff+Fi)=

（3）

1．15（fG+Gsinα）

f—滚动阻力因数，f=0．09；G—底盘质量（N），G=600；α—坡度角（°）α≤45。

∑F≤1．15(0．09

×600+600×sin45°)=550N

考虑到动力底盘采用橡胶履带代替金属履带，避免了金属履带装置的驱动轮卷绕履带时销与销套的摩擦力、履带架与履带板的接触摩擦力，而驱动轮、导向轮轴承处的摩擦力及轮齿与履带的啮合摩擦力数值较小，因此本文略去履带内部阻力的计算，并在行驶功率的数值上进行裕量修正

因此，行驶功率为

N2=1．2FＲVm×10－3

式中

N2—行驶功率（kW）；1．2—功率裕量修正系数；FＲ—驱动力（N），F

Ｒ

［10－11］

2机器工作参数及其经济效益

动力底盘工作参数：

尺寸（长×宽×高）/mm：1600×620×1200总机质量/kg：＜130

。

（4）

发动机型式：ＲB178F风冷柴油机额定输出功率/kW：4．4最大输出功率/kW：4．9额定转速/r·min

－1

=∑F=550；：1800

Vm—机组前进速度（m/s），Vm=0．65。

N2=0．43kW

总功率消耗为

N=N1+N2=2．99kW

（5）

经对发动机的使用外特性和万有特性进行分析，选用ＲB178FS柴油发动机作为底盘动力，额定输出功率为4．4kW，最大输出功率4．9kW。1．4

变速箱三维实体建模

Solidworks是一款基于参数化实体特征建模的

启动系统：手动反冲启动/电启动离合器型式：皮带张紧式

传动箱形式：三级齿轮传动+终边链传动工作速度/km·h

－1

：2．3

履带接地长度/mm：480履带板宽度/mm：190平均接地比压/MPa：≤0．2扶手工作位置：水平360°可转

配备不同机具时的机器效率与人工作业效率如图

2013年9月5所示

。

农机化研究第9期

工作效率是人工效率的6倍；安装喷药泵机型喷药，的1．5倍。

3结论

1）利用三维设计软件以及虚拟装配技术进行动

力底盘零部件及整机的结构设计与装配仿真，设计过避免了设计人员花费大量精力及劳动进程简洁直观，

行绘图、草图修改等工作。通过结构的模拟验证与干涉分析，提高了产品的可装配性。

2）利用零部件的三维模型进行二维工程图纸的缩短了产品的设计周转换生成用以指导技术生产，期，降低了设计成本。

3）该机设计科学合理，结构新颖紧凑，不仅可满

图3

Fig．3

变速箱虚拟装配模型

还可用于蔬菜、花足丘陵山区中耕的管理作业需要，

卉大棚的日常管理及果园灌溉、喷药等，为推动丘陵山区以及细碎地块农业种植的机械化发展提供了一定的理论支持和现实依据。

4）样机试验表明，该动力底盘适应性好、爬坡能牵引力大、滑转率小，整机质量轻、操作轻松，集力强、

犁耕、旋耕、除草、喷药、运输等多功能作业于一体，具有显著的直接经济效益和巨大的社会效益，可显著提高丘陵山区农业机械化作业水平、减少劳动用工、降低劳动强度和农业种植成本。参考文献：

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Virtualassemblageoftransmission

box

图4

Fig．4

变速箱干涉检查结果

Ｒesultoftransmissionbox’sinterference

analysis

图5

Fig．5

配备不同机具时的机器效率与人工作业效率

Efficiencycomparisonbetweenmanualworkingandthemachine

以每天工作7h计，使用该动力底盘安装旋耕刀具

2

进行耕整地作业可完成作业面积0．12hm，为人工耕

整地效率的6倍；安装除草轮进行除草或者安装培土刀进行培土及除草复合作业可完成作业面积0．15hm2，分别为人工除草效率的1．5倍和人工培土效率

（下转第124页）

2013年9月农机化研究第9期

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Multi－modeControlStrategyDesignofGreenhouseEquipmentBasedon

TemperatureandHumidity

TianHongwu1，ShenChangjun1，ZhengWengang2

（1．NationalＲesearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture，Beijing100097，China；2．NationalEngineeringＲesearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture，Beijing100097，China）

Abstract：Foreasygreenhouse，ambienttemperatureandhumidityasthecoretheregulationobject，inordertoimprovetheuseefficiencyandreduceenvironmentalfluctuationsintheregulatoryprocessofthecontrolequipment，multi－modecontrolstrategywhichselectedMCUasthecoreandbasedonthetypeofcontrolequipmentwasdesigned，bythroughthedayandnightperiodsdividing，controlledconditionsselection，runpropertyconfiguration，anddealingwithextremecon-ditions，toachieveagradingequipmentrunning，linkagecontrol，emergencyprotection，automaticcalibrationfunction；testsshowedthatthedesignrealizedingreenhousetemperatureandhumiditymultiloopcontrolbyasimplemethod，andreducedequipmentfrequentlystarttomakechangesinthegreenhouseenvironmentisrelativelyflatatthesametime．Keywords：controlstrategy；greenhouse；temperature；humidity；multi－mode（上接第119页）

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AbstractID：1003－188X（2013）09－0116－EA

DesignofaSmallDouble－trackedPowerChassisUsedinMountainousAreas

DuMengmeng1，JiJiangtao1，DuXinwu1，HeZhitao1，LiuJianjun2

（1．Vehicle＆MotivePowerEngineeringCollege，HenanUniversityofScience＆Technology，Luoyang471003，China；2．HenanTobaccoCompanyZhengzhouBranch，Zhengzhou450001，China）

Abstract：Inordertosolvetheproblemsoflowmechanizationlevelandgreatlaborintensityofmanualtransportation，filmmulchingandridging，asmalldouble－trackedpowerchassisandrelevantfarmingequipmentsaredesigned．Entitymodelsofthepowerchassis’stransmissionsystemarebuiltandvirtualassemblysimulationtestandinterferenceanalysisareperformed．Withthemodulardesignmethods，independentworkingpartsaredevelopedsothatthefarmingmachineistoexecutethetasksofrotarytilling，ridging，earthing，weedingandsprayingwhentheyareattachedtothepowerchassisbythefasthitchdevice．Experimentsindicatethatthismachinehasexcellenthillclimbingcapacity，strongtractiveandappendiculateperformance，goodoperatingstabilityandhighpassingabilityinsoftfarmlands．

Keywords：powerchassis；double－tracked；virtualassembly；modularization；rotarytilling；mountainousareas