楊瑩+周偉權

摘要：水田地形較復雜，且工作量繁多，導致水田機械相較于其他機械較為落后。設計一種液壓后驅(qū)式輕型農(nóng)機水田自走底盤，闡述總體設計方案與要求，介紹關鍵部件的詳細設計，并通過試驗驗證進行理論分析，以期為加快水田機械的發(fā)展提供參考。

關鍵詞：水田機械；底盤；液壓后驅(qū)；Solid works；PRO/E

中圖分類號：S229.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）10-0012-04

目前，在農(nóng)村水田應用較廣的作業(yè)機械主要是小型手扶拖拉機。但因我國的手扶拖拉機生產(chǎn)規(guī)模小、成本高，且自身質(zhì)量大、操作安全性較差、使用維修成本高，加上農(nóng)民又普遍缺乏維護知識，使得手扶拖拉機的應用受到了限制。因此，研究新型的輕型農(nóng)機水田自走底盤，對于發(fā)展農(nóng)村農(nóng)業(yè)機械化、加快農(nóng)民脫貧致富、促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

我國是農(nóng)業(yè)大國，水田的比重非常之大，水稻種植面積約3 300萬hm2，占全國總耕地面積的1/4以上[1]，水田的產(chǎn)能在中國糧油安全戰(zhàn)略規(guī)劃中占有極其重要的地位。大量數(shù)據(jù)表明，在主要糧食作物生產(chǎn)中，水田的綜合機械化水平最低，近年水稻平均機械化程度約 50.0%，其中水田耕整 65.0%、栽植 13.7%、植保 55.0%、收獲 51.2%。在總體水平不高的同時，還存在著諸如水稻種植機械化這樣“瓶頸”中的“瓶頸”問題[2]。對于水稻插秧機，雖然我國已掌握核心工作部件的關鍵技術，但整機受限于沒有國產(chǎn)高性價比底盤支持而無法大量推廣與應用。盡管國內(nèi)人員做了大量的工作，但產(chǎn)品仍然存在著一系列的問題[3]。

針對上述問題，從解決性能方面入手，利用Solid works及PRO/E等分析軟件，擬設計不同于現(xiàn)有底盤的液壓后驅(qū)式輕型農(nóng)機水田自走底盤，并通過試驗驗證進行理論分析。

1 總體設計方案與要求

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村摩托車使用量不斷增大。一臺普通汽油機與相同功率的柴油機相比，其質(zhì)量約為柴油機的1/3，而且汽油機耗油量低、使用方便、價格便宜。目前，大部分手扶拖拉機的功率為8.8 kW（12馬力），質(zhì)量為350 kg左右；而普通125摩托車發(fā)動機的最大功率可達7.5 kW左右，可基本滿足驅(qū)動小型農(nóng)機具的作業(yè)要求[4]。

現(xiàn)代的車輛及機具的行走裝置主要使用純機械、液力、液壓和電力4種傳動方式。與其他傳動方式相比，液壓傳動方式具有布局靈活方便，無級調(diào)速范圍寬，起步、調(diào)速及換向柔和、迅速、沖擊小，以及操作舒適等優(yōu)點[5]。在農(nóng)業(yè)機械行走機構中采用液壓傳動可以大大改善行走機械的工作性能。采用125摩托車發(fā)動機為配套動力，與液壓傳動方式相結合，設計一種輕型農(nóng)機水田自走底盤，可增加底盤的自適應能力和改善發(fā)動機等部件的工作環(huán)境。

由于底盤主要用于水田作業(yè)，因此底盤在總體上應滿足簡小、輕體、通過性好、推進力強的要求。同時，要求底盤有較小的轉彎半徑、后輪差速、前橋浮動、與行走速度同步的動力輸出和具備農(nóng)機具懸掛系統(tǒng)等功能。

2 底盤結構設計

底盤的車體主要由車架、前橋、驅(qū)動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)等部分組成（如圖1所示）[6]。車架采用圓形鋼管三角形連接的方式，簡化了車架的結構；前橋相對于車架可繞軸浮動，保證了底盤的4個輪子在不平的地面均能著地；驅(qū)動系統(tǒng)為雙液壓馬達并聯(lián)驅(qū)動方式，可實現(xiàn)底盤的前進、轉向差速、后退、停車等動作；轉向系統(tǒng)的方向盤通過轉向上軸、轉向下軸與齒輪齒條轉向器連接，上軸、下軸、轉向器間的連接為萬向節(jié)連接[7]。

3 底盤液壓系統(tǒng)設計

底盤的液壓系統(tǒng)分為驅(qū)動系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、動力輸出系統(tǒng)3個部分（如圖2所示）。

3.1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)

一泵雙馬達并聯(lián)能實現(xiàn)底盤的前進、轉向差速、后退、停車等動作。系統(tǒng)中的三位四通手動換向閥1用于控制底盤的前進、后退、停止，當其位于中位時，底盤處于停車狀態(tài)；當其位于左位時，底盤處于前進狀態(tài)；當其位于右位時，底盤處于后退狀態(tài)。馬達支路上安裝有高壓球閥，手工撥動球閥控制桿在不同位置可控制底盤的行走速度、單輪速度和實現(xiàn)制動。

3.2 液壓升降系統(tǒng)

拖拉機上的懸掛機構采用液壓傳動方式早在20世紀30年代就開始了，目前液壓懸掛系統(tǒng)已發(fā)展得比較完善，它可以控制農(nóng)具的升降，根據(jù)土壤阻力的大小自動調(diào)節(jié)耕深，也可以根據(jù)拖拉機與農(nóng)具的相對位置的高低自動調(diào)節(jié)農(nóng)具的相應位置，因此現(xiàn)代大中型輪式拖拉機和部分履帶拖拉機都設置了液壓懸掛裝置。本底盤的升降系統(tǒng)主要由二位三通電磁閥、節(jié)流閥、單向閥、油缸和限位開關組成。當電磁閥2位于左位時，打開節(jié)流閥，油缸在懸掛物的重力作用下慢慢下降，控制節(jié)流閥的開度可以控制下降的速度；當其位于右位時，關閉節(jié)流閥，油缸上升，到達預定位置時將其轉回左位，升降高度即可保持。當油缸上升到最高位置時，限位開關使電磁閥斷電后回復至左位，油缸自動停止上升。

3.3 動力輸出系統(tǒng)

動力輸出系統(tǒng)主要由馬達、二位三通電磁閥、單向閥組成。當電磁閥3位于左位時，馬達啟動，并與傳動系統(tǒng)的兩個馬達串聯(lián)，從而可實現(xiàn)動力輸出系統(tǒng)的速度與行走速度相匹配；當其位于右位時，馬達停止，此時動力輸出系統(tǒng)不工作。在此，單向閥可以防止在動力輸出系統(tǒng)不工作時系統(tǒng)油液沖擊馬達。

4 轉向系統(tǒng)

底盤的轉向系統(tǒng)（如圖3所示）主要安裝在前橋桿上。轉向系統(tǒng)使用齒輪齒條轉向器，方向盤通過上軸、下軸與轉向器連接，上軸、下軸、轉向器間的連接為萬向節(jié)連接。當路面不平使前橋左右浮動時，通過兩個萬向節(jié)的作用使方向盤的動能平穩(wěn)地傳遞到轉向器，從而提高底盤轉向的穩(wěn)定性和可靠性。輪邊的轉向節(jié)使用專門設計的小型轉向節(jié)，這種轉向節(jié)有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、安裝方便等優(yōu)點。

5 應力分析

車架作為車體的關鍵部件，其受力安全與否直接影響底盤性能的好壞，因此有必要對車架進行受力分析。Pro/E軟件的Mechanica模塊提供了結構分析和熱力分析功能，可以對零件或者組件進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預應力分析及振動分析等，還可以根據(jù)熱力狀態(tài)進行靈敏度分析和優(yōu)化設計。根據(jù)車架的受力情況（如圖4所示），在 Mechanica模塊中對車架進行結構分析，得到車架的應力應變圖。

車架為3根鋼管通過彎板開孔套入焊接而成，鋼管外徑45 mm，壁厚5 mm，彎板厚8 mm。根據(jù)測量與計算，發(fā)動機、發(fā)動機安裝架、乘坐人員對車架的作用力F1=1 200 N，農(nóng)機具對車架的作用力F2=1 600 N，液壓馬達的最大驅(qū)動力F3=1 930 N。經(jīng)分析，得出車架的受力應力圖（如圖5所示）。

由圖5可以看出：車架應力最大值出現(xiàn)在后橋與兩彎板的連接處，最大應力為 119.9 MPa。

作為農(nóng)用機械，作業(yè)環(huán)境較復雜，設計時必須進行安全系數(shù)方面的考慮，假設安全系數(shù)n=1.3，那么設計的車架的最大應力為155.9 MPa，小于234.0 MPa。因此，車架的設計有較大的安全儲備，若進行批量生產(chǎn)，可以對車架進行優(yōu)化，得到最佳的零部件尺寸。經(jīng)分析，得出車架的受力應變圖（如圖6所示）。

由圖6可以看出：車架受力應變最大值出現(xiàn)在后橋的中部，即農(nóng)機具掛接板附近，最大應變?yōu)?.82 mm。綜上所述，車架設計選材合理。

6 結論

底盤采用125摩托車發(fā)動機與液壓傳動系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)了底盤的動力匹配，增強了底盤的自適應能力，改善了發(fā)動機等部件的工作環(huán)境；底盤的液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)一泵同時驅(qū)動兩輪馬達差速行走、同步動力輸出和液壓油缸升降的功能；本設計的底盤質(zhì)量為200 kg，與目前大部分手扶拖拉機（質(zhì)量一般為350 kg左右）相比，達到輕體的設計要求。

參考文獻

[1] 趙映，張瑞宏，肖蘇偉，等.2ZG-6DK高速插秧機底盤車架結構分析與優(yōu)化[J].中國農(nóng)機化，2012（6）：96-100.

[2] 羅錫文.對加速我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的思考[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011（4）：1-8，56.

[3] 邢海博.中型輪式車靜液壓傳動系統(tǒng)的結構設計及其有限元分析[D].天津：天津大學，2005.

[4] 張志偉.小動力底盤及機具在我省水田地區(qū)的適應性[J].農(nóng)機化研究，1986（4）：1-4.

[5] 邢海博.中型輪式車靜液壓傳動系統(tǒng)的結構設計及其有限元分析[D].天津：天津大學，2005.

[6] 曾愛平，邱秀麗，李志偉.液壓驅(qū)動式水田自走底盤車體的虛擬樣機設計[J].2011（9）：143-145.

[7] 曾愛平，邱秀麗，趙娜，等.液壓后驅(qū)式輕型農(nóng)機水田自走底盤的設計[J].2010（7）：149-151.