于嘉偉 高琦 徐文鑫 趙紹統(tǒng) 代傳陽 李駿鵬

摘要：針對果園的工作環(huán)境和作業(yè)需求，對果園噴霧作業(yè)機進行動力系統(tǒng)匹配研究。分析了果園噴霧機底盤設(shè)計要求，確定了底盤動力與傳動系統(tǒng)的參數(shù)和主要性能指標(biāo)。使用AVL CRUISE仿真軟件建立了果園噴霧機底盤動力系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置了該底盤運行工作的任務(wù)需求，根據(jù)底盤實際工況進行了典型性能指標(biāo)的仿真，通過分析仿真結(jié)果，驗證了果園噴霧機底盤動力系統(tǒng)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(guān)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(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0019-04

0? 引言

當(dāng)前水果逐漸變成了人們生活的必需品，相應(yīng)果園產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴大，果園機械化生產(chǎn)也得到了快速發(fā)展。在果園生產(chǎn)過程中，噴霧作業(yè)占較大的比重，人工噴霧效率低、勞動強度大、成本高，而且農(nóng)藥殘留對人體有一定的危害。當(dāng)前針對寬幅、大面積種植的果園，已經(jīng)成功研制了多種大型、自動化程度較高的噴霧作業(yè)機，實現(xiàn)了噴霧機械化作業(yè)。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(yè)機具適應(yīng)性差、作業(yè)功能單一、機器閑置率高等問題，現(xiàn)已成為制約我國矮密化果園機械化發(fā)展的瓶頸之一。其中主要原因之一是噴霧機底盤動力系統(tǒng)的合理匹配沒有得到足夠重視。噴霧機底盤動力系統(tǒng)匹配的研究對促進果園噴霧作業(yè)效率與作物質(zhì)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(xiàn)噴霧機底盤合理的動力系統(tǒng)匹配。根據(jù)真實的噴霧機底盤工作環(huán)境，提出來了噴霧機底盤需要滿足的各種性能需求指標(biāo)，設(shè)計合適的底盤動力系統(tǒng)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(jié)果與性能指標(biāo)對照，驗證了果園底盤動力系統(tǒng)匹配合理性。通過本文研究，可以給果園噴霧機設(shè)計過程中提供關(guān)于底盤部件參數(shù)選擇的建議，為適應(yīng)多種果園的噴霧機生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1? 果園噴霧機底盤設(shè)計要求

1.1 底盤動力系統(tǒng)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(huán)境有平原、山區(qū)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(qū)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%?；诠麍@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(shè)計要求，能夠滿足多數(shù)崎嶇山區(qū)及平原地形果園的使用，其基本性能指標(biāo)如表1。

果園中道路寬度狹窄，不平度較高，常出現(xiàn)緩坡和坑洼，底盤在設(shè)計時應(yīng)具有較小整機寬度，同時選用履帶式行駛機構(gòu)，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(zhuǎn)彎半徑。設(shè)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(huán)境，初步擬定整機基本參數(shù)如表2所示。

根據(jù)果園噴霧作業(yè)特點，噴霧機底盤動力性應(yīng)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(tǒng)布置方案確定

根據(jù)果園噴霧作業(yè)環(huán)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(yè)所需車速要求，選擇汽油機驅(qū)動的動力傳動系統(tǒng)布置方案。發(fā)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(jīng)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(jīng)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(gòu)，驅(qū)動輪帶動履帶滾動最終實現(xiàn)噴霧機行走。噴霧機的底盤傳動系統(tǒng)布置方案如圖2所示。

由于果園噴霧機主要在果園內(nèi)進行噴霧作業(yè)，工作環(huán)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(yīng)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(tǒng)參數(shù)確定

2.1 發(fā)動機性能參數(shù)確定

2.1.1 發(fā)動機功率的確定

①最高行駛速度下的發(fā)動機功率。

果園噴霧機在實際作業(yè)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(huán)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(yīng)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(yè)工況，確定其發(fā)動機功率應(yīng)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(fā)動機在最高行駛速度下的最大功率，W;t—傳動系統(tǒng)效率; m—整機最大質(zhì)量，kg;f—滾動阻力系數(shù);Cd—空氣阻力系數(shù);A—車輛迎風(fēng)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(fā)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(fā)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(fā)動機在最大爬坡度下的最大功率，W;t—傳動系統(tǒng)效率;m—整機最大質(zhì)量，kg;f—滾動阻力系數(shù);Cd—空氣阻力系數(shù);A—車輛迎風(fēng)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(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速的確定

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

式中：Tmax—發(fā)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(zhì)量，kg;f—滾動阻力系數(shù)。

當(dāng)噴霧機底盤轉(zhuǎn)向時，發(fā)動機輸出力矩驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向過程中，需要克服很大的轉(zhuǎn)向阻力矩，此時發(fā)動機輸出的扭矩計算式為如式（4）所示。

式中：Tz max —發(fā)動機在轉(zhuǎn)向時的最大扭矩，N·m;？濁z—轉(zhuǎn)向阻力系數(shù);Mu—轉(zhuǎn)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(yè)速度下行駛，發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速可由式（5）確定。

式中：ne—發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速，r/min;ve—底盤常規(guī)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(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速可有最高車速確定，如式（6）所示。

式中：nmax—發(fā)動機最高轉(zhuǎn)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(jīng)理論計算可得出發(fā)動機的額定功率為2.45kW，額定扭矩為33N·m。根據(jù)理論計算結(jié)果，初步選定一款發(fā)動機，其主要參數(shù)如表3所示。

2.2 傳動比的確定

傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配是底盤動力與傳動匹配的主要環(huán)節(jié)。根據(jù)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(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)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(yī)—傳動系統(tǒng)效率;r—車輪半徑，m;m—整機最大質(zhì)量，kg;f—滾動阻力系數(shù)。

經(jīng)計算得出噴霧機傳動系統(tǒng)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(jù)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(fā)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(wù)設(shè)置

根據(jù)果園噴霧機的實際工況，設(shè)置果園噴霧機底盤為滿載狀態(tài)，建立的仿真任務(wù)有：穩(wěn)態(tài)行駛能力、加速能力、爬坡能力、最大牽引力。

3.2.1 穩(wěn)態(tài)行駛能力

果園噴霧機在實際工作過程中，需要保證穩(wěn)定行駛狀態(tài)，設(shè)置穩(wěn)態(tài)行駛能力仿真工況，分析滿載狀態(tài)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(xiàn)為從加速開始到加速結(jié)束，穩(wěn)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?fàn)顟B(tài)起步，以最大加速能力升至某一車速所需要的時間。設(shè)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(huán)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(shè)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(yīng)在一個合適的范圍之內(nèi)，過大導(dǎo)致能量的浪費，過小導(dǎo)致在實際過程中難以掛載噴霧裝置工作。設(shè)置牽引能力仿真工況，分析底盤最大牽引力。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 穩(wěn)態(tài)行駛能力仿真驗證

果園噴霧機底盤穩(wěn)態(tài)行駛能力仿真結(jié)果如圖4所示，噴霧機由靜止?fàn)顟B(tài)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(wěn)態(tài)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(jié)果。圖5所示，在0-2.1km/h行駛速度范圍內(nèi)，噴霧機底盤加速經(jīng)過的時間較長。在2.1-6.3km/h范圍內(nèi)，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(shè)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(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)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(shè)計，擬定的性能指標(biāo)26%，由此可以驗證底盤爬坡度能力滿足設(shè)計要求上，動力系統(tǒng)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(jié)果。從圖7可以看出當(dāng)?shù)妆P的行駛速度處于2.4-4.2km/h時，其牽引力超過2400N。當(dāng)行駛速度達到3km/h時，噴霧機達到最大牽引力2790N，當(dāng)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(shè)計時擬定的性能指標(biāo)值2400N，由此可以驗證在牽引能力要求上，動力系統(tǒng)匹配方案合理。

4? 結(jié)論

本文主要針對一款果園噴霧機底盤，通過建模仿真，實現(xiàn)噴霧機底盤合理的動力系統(tǒng)匹配。首先，根據(jù)真實的噴霧機底盤工作環(huán)境，提出了噴霧機底盤需要滿足的各種性能需求指標(biāo)，設(shè)計了合適的底盤動力與傳動系統(tǒng)匹配方案;然后，根據(jù)噴霧機作業(yè)的性能要求，通過理論計算，確定了其底盤動力與傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù);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(jié)果與性能指標(biāo)對照，驗證了果園底盤動力系統(tǒng)匹配合理性。果園噴霧機底盤采用汽油發(fā)動機驅(qū)動，發(fā)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(shè)計過程中提供關(guān)于底盤部件參數(shù)選擇的建議，為適應(yīng)多種果園的噴霧機生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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