摘要：［目的］針對我國南方丘陵山區(qū)蔬菜種植種類多、種植農(nóng)藝多樣、起壟規(guī)格不一等特點，為進(jìn)一步提高南方丘陵地區(qū)蔬菜田間轉(zhuǎn)運裝備對種植模式與農(nóng)藝的適應(yīng)性，設(shè)計了一款軌距可調(diào)的蔬菜田間轉(zhuǎn)運平臺。［方法］根據(jù)蔬菜田間起壟種植及地形特點，進(jìn)行平臺的總體設(shè)計并闡述其工作原理，外形尺寸為2165 mm×1205 mm×1154 mm。分別開展變速箱、行走裝置、傳動系統(tǒng)、軌距可調(diào)裝置及車架等關(guān)鍵部件的設(shè)計。利用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，設(shè)置零件材料屬性并計算質(zhì)心位置。根據(jù)其質(zhì)心位置分析平臺穩(wěn)定性，基于RecurDyn 搭建虛擬仿真樣機，對底盤進(jìn)行縱向上、下坡及橫坡行駛仿真分析。［結(jié)果］動力學(xué)仿真結(jié)果表明，平臺在滿載條件下，縱向行駛上坡最大爬坡角為39°，最大下坡角為27°，橫向行駛時2 種極限軌距下的最大坡度角分別為29°和39°。進(jìn)行樣機試制并進(jìn)行穩(wěn)定性試驗，試驗結(jié)果表明，平臺縱向上、下坡最大坡度角分別為30°和25°，不同軌距下的最大坡度角分別為22°和33°，并進(jìn)行樣機性能及田間試驗，試驗結(jié)果表明，平臺在滿載條件下，行駛速度、轉(zhuǎn)彎半徑、滑轉(zhuǎn)率及跑偏率均滿足設(shè)計要求與實際使用效果。［結(jié)論］蔬菜田間轉(zhuǎn)運平臺對南方丘陵山區(qū)蔬菜轉(zhuǎn)運作業(yè)有較強的適應(yīng)性，通過調(diào)節(jié)軌距可適應(yīng)不同蔬菜種植農(nóng)藝，為履帶式運輸裝備等提供參考。

關(guān)鍵詞：蔬菜； 田間轉(zhuǎn)運； 變速箱； 動力學(xué)仿真

中圖分類號：S229+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-8151（2024）03-0131-10

我國蔬菜產(chǎn)量及消耗量居世界首位，據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國蔬菜種植面積與產(chǎn)量逐年增長，在我國種植面積僅次于糧食作物，逐步成為農(nóng)村經(jīng)濟重要組成部分，其種植面積在2022 年已高達(dá)22 434 千公頃［1-3］。然而隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，農(nóng)村的青壯年勞動力流失問題日益突出。為了彌補勞動力缺口和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于機械化的需求日益加?。?］。截止2021 年底，我國糧食作物綜合機械化率達(dá)72. 03%，其中以小麥、水稻、玉米居多，而蔬菜綜合機械化水平遠(yuǎn)低于大宗類糧食作物。尤其是轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，目前主要依賴人工，少部分采用地軌運輸、電動輪式運輸?shù)确绞?，不僅勞動強度大、效率低下，且適應(yīng)性不強［4-7］。雖然我國在農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展方面做了很大努力，但由于我國蔬菜種植品種多、種植模式多樣，即使同樣的起壟種植方式，也有單壟單行種植、單壟雙行種植、單壟四行種植等多種種植模式。加上種植地塊小而分散、通用農(nóng)機短缺等問題，其機械化水平仍然很低，嚴(yán)重影響丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展［8-13］。因此研發(fā)一款能適應(yīng)不同起壟種植規(guī)格下的蔬菜田間轉(zhuǎn)運裝備，對于蔬菜產(chǎn)業(yè)機械化水平的提高具有重要現(xiàn)實意義。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)運平臺的研究以果園運輸平臺的開發(fā)應(yīng)用為主，陳猛等［14］設(shè)計的手扶式單履帶運輸車，通過簡化行走裝置來提高靈活性，具有良好的爬坡能力，較適應(yīng)丘陵果園運輸作業(yè)。劉佛良等［15］設(shè)計的雙履帶微型運輸車，采用雙輪轂電機作為行走動力，通過加裝獨立懸掛系統(tǒng)來提高對路面的適應(yīng)性，對短距離果園運輸有較強的實用性。李沖沖等［16］設(shè)計的果園多功能運輸車，不僅具備運輸能力，還可以搭載其它類型作業(yè)機具，負(fù)載最高可達(dá)800 kg。很少有專門的蔬菜田間轉(zhuǎn)運的機械研究，本文結(jié)合蔬菜種植環(huán)境及種植模式等特點，根據(jù)起壟特點設(shè)計一款基于軌距可調(diào)的蔬菜田間轉(zhuǎn)運平臺，能夠適應(yīng)不同種植農(nóng)藝下的蔬菜轉(zhuǎn)運作業(yè)。

1 整機結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

平臺尺寸應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性及通過性，且要求操作簡單、轉(zhuǎn)向靈活，根據(jù)蔬菜田間轉(zhuǎn)運作業(yè)實際需求，能隨人作業(yè)，保證其低速行駛且速度可調(diào)，兼?zhèn)湟欢ǖ陌踩浴?/p>

1. 1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

基于軌距可調(diào)的蔬菜田間轉(zhuǎn)運平臺主要由行走裝置、傳動系統(tǒng)、軌距可調(diào)裝置及車架等組成（圖1）。車輛軌距可通過轉(zhuǎn)動固定車架上搖柄，帶動滾珠絲桿運動來調(diào)節(jié)軌距；發(fā)動機動力通過帶傳動將動力傳遞至變速箱，再由傳動軸將動力通過鏈傳動傳遞至兩側(cè)驅(qū)動輪；急停裝置由急停推桿、離合張緊臂、離合手柄等組成；操控臺主要實現(xiàn)平臺起停、轉(zhuǎn)向、換擋、急停等功能。

1. 2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以上設(shè)計要求，轉(zhuǎn)運平臺主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計計算與分析

2. 1 行走裝置

采用履帶行走裝置［17-18］?；谑卟朔N植模式，開溝起壟溝寬主要規(guī)格為10～25 cm，為了更加適應(yīng)多種模式下的轉(zhuǎn)運作業(yè)，履帶帶寬選取13 cm。行走裝置主要由履帶、行走架、驅(qū)動輪、張緊輪、支重輪、導(dǎo)向輪等組成，其具體指標(biāo)如表2 所示。

2. 2 傳動系統(tǒng)

動力傳遞路線采用：發(fā)動機→ 皮帶輪→ 變速箱→傳動軸→驅(qū)動輪。

2. 2. 1 變速箱設(shè)計

變速箱采用平行軸齒輪傳動形式，考慮到成年人正常行走速度約為1. 0～1. 2 m·s-1，基于平臺隨人采摘效率及運輸要求，平臺需低速行駛且速度可調(diào)。設(shè)計一款4 擋位變速箱［19］，包含2 個前進(jìn)擋，2 個倒擋，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

發(fā)動機扭矩由輸入軸傳至變速箱內(nèi)，通過換擋撥叉調(diào)節(jié)滑移齒與相應(yīng)檔位齒輪嚙合，動力由輸出軸傳出。軸的具體分布情況：輸入軸位于箱體前端，Ⅱ軸安裝在輸入軸下端，Ⅲ軸位于輸入軸后端，與Ⅱ軸、輸入軸成V 形分布，Ⅳ軸安裝在Ⅲ軸后端，輸出軸在Ⅳ軸下端。

變速箱傳動簡圖如圖3 所示。

2. 2. 2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、帶傳動、變速箱、鏈傳動、傳動軸組成（圖4）。為了更好的調(diào)節(jié)速度變化，發(fā)動機與變速箱之間設(shè)計2 組帶傳動，通過皮帶張緊機構(gòu)來實現(xiàn)不同速度擋位切換。

傳動系統(tǒng)總傳動比等于各部分傳動比的乘積，主要由發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速箱各級傳動比、鏈輪齒數(shù)決定。具體傳動比分配如表3 所示。

2. 3 軌距可調(diào)裝置

軌距可調(diào)裝置主要由滾珠絲杠、螺母、搖柄等組成（圖5）。裝置左側(cè)固定于固定車架上，滾珠絲桿置于活動車架一方管中，通過旋轉(zhuǎn)搖柄使?jié)L珠絲桿與螺母之間的螺紋受到旋轉(zhuǎn)作用，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。由于左側(cè)固定在車架上，螺母會帶動活動車架進(jìn)行前后運動，而固定車架與活動車架通過不同型號方管進(jìn)行套合裝配，分別與兩側(cè)行走裝置相連，從而實現(xiàn)平臺軌距調(diào)節(jié)。

滾珠絲桿安裝方式如圖6 所示。滾珠絲杠選型參考TBI 滾珠絲桿計算，預(yù)選取滾珠絲桿直徑為20 mm。為保證其作業(yè)時穩(wěn)定性及可靠性，校核所選絲桿容許軸向極限負(fù)載，建議載荷為［20］：

式中：P1為允許軸向載荷（N）；l 為支撐座與絲桿螺母間距（mm）；E 為楊氏模量，2. 06×105（N·mm-2）；I 為螺紋內(nèi)徑截面最小慣性矩（mm4）；d 為絲桿軸徑（mm）；ɑ 為安全系數(shù)，0. 5；n、m 為支撐方式系數(shù)，n 取0. 25，m 取1. 2［20］。

根據(jù)所選參數(shù)，當(dāng)支撐座與絲桿螺母間距為最大值825 mm 時，計算得到絲桿軸向允許載荷為2928 N，滿足作業(yè)要求。

3 平臺穩(wěn)定性分析

3. 1 縱向坡道穩(wěn)定性

平臺的受力簡圖如圖7 所示，設(shè)縱向上、下坡時的縱向極限傾翻角α 和θ。下坡時不考慮平臺滑移現(xiàn)象，縱向坡道穩(wěn)定性體現(xiàn)在極限傾翻角，當(dāng)行駛坡度超過極限傾翻角，將導(dǎo)致翻車危險。

平臺爬坡時，通過力和力矩平衡可得［21-22］：

式中：F 為平臺牽引力（N）；f 為履帶與地面的摩擦力（N）；FN 為地面對底盤的支撐力（N）；L 為履帶接地長度（mm）；l 為質(zhì)心到前支重輪中心距離（mm）。

地面與履帶之間的力學(xué)關(guān)系：

由公式（3）可得，平臺在爬坡時不發(fā)生傾翻的條件為：

由公式（4）、（5）推導(dǎo)可得：

式中：μ 為履帶與地面之間摩擦系數(shù)。

平臺下坡時，通過力和力矩平衡可得：

由公式（7）可得，平臺在下坡時不發(fā)生傾翻的條件為：

根據(jù)平臺設(shè)計參數(shù)，求得縱向上、下坡極限傾翻角分別為41°和34°。

3. 2 橫向坡道穩(wěn)定性

平臺在橫坡行駛，由于其重力因素，當(dāng)坡度角超過極限側(cè)翻角時會出現(xiàn)側(cè)翻以及滑移，平臺在橫坡受力簡圖如圖8 所示。

平臺在橫坡行駛時，通過力和力矩平衡可得［21-22］：

由公式（12）、（13）推導(dǎo)可得：

經(jīng)計算平臺在最短和最長軌距下的極限側(cè)翻角分別為30°和35°。

4 基于RecurDyn 穩(wěn)定性仿真試驗與分析

4. 1 虛擬樣機及驅(qū)動函數(shù)建立

為了進(jìn)一步展現(xiàn)整機的運動狀態(tài)，采用Recur?Dyn 軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真分析［23-27］。為了提高仿真效率、減小計算量，將履帶車身、車架等部件在SolidWorks 軟件中簡化處理后導(dǎo)入RecurDyn 軟件中，履帶行走系統(tǒng)采用軟件履帶模塊進(jìn)行參數(shù)建模，設(shè)置驅(qū)動輪直徑為150 mm，齒數(shù)為7，導(dǎo)向輪直徑150 mm，設(shè)置履帶材質(zhì)為橡膠，虛擬樣機模型如圖9 所示。為了保證仿真數(shù)據(jù)可靠性，對虛擬樣機進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整及載物臺模擬裝載貨物，設(shè)置貨物材料、尺寸，盡可能接近500 kg。并對關(guān)鍵位置進(jìn)行約束處理，約束類型如表4 所示。

對驅(qū)動輪添加驅(qū)動函數(shù)，設(shè)置平臺行進(jìn)速度為0. 1 m·s-1，對兩側(cè)驅(qū)動輪添加運動函數(shù)TIME（TIME，0，0，1，0. 1）。

4. 2 路面模型的建立

基于M. G. Bekker 提出的壓力—沉陷關(guān)系［28］

式中：p 為接地比壓（KPa）；z 為土壤沉陷量（m）；n為土壤變形指數(shù)，黏土取n=0. 5；b 為承載面的短邊（m）；kc 為黏聚變形模量（KN/（mn+1））；kφ 為摩擦變形模量，（KN/（mn+2））。

在RecurDyn 軟件中建立大小合適路面，滿足平臺行駛距離要求，在軟件中設(shè)置路面參數(shù)為黏土，系統(tǒng)自動生成相應(yīng)參數(shù)。

4. 3 縱向坡道行駛穩(wěn)定性分析

平臺在縱向坡道上行駛時，如果坡度大于平臺的最大傾翻角，爬坡時機頭上揚導(dǎo)致傾翻，下坡時機尾上揚導(dǎo)致傾翻。

在仿真軟件中逐步增大坡度，每次增加5°，仿真時間設(shè)置40 s，通過觀察平臺俯仰角變化來判斷平臺仿真情況。結(jié)果顯示當(dāng)坡度增至40°時，平臺縱向上坡發(fā)生傾翻，如圖10A 所示；當(dāng)坡度增至28°時，平臺縱向下坡發(fā)生傾翻，如圖10B 所示。

由圖10A 可見，當(dāng)坡度處于40°以下時，平臺經(jīng)歷了加速起步俯仰角為零、開始上坡俯仰角遞增、完全處于坡道上俯仰角趨于不變、上坡完成由于車體重心位置致俯仰角遞減直至歸零這4 個階段，且坡度越大從上坡至上坡完成所耗時間越長。當(dāng)坡度增至40°時，平臺在完全處于坡道上時俯仰角由40°急速上升，平臺向后傾翻，隨后俯仰角急速下降，平臺倒地。由圖10B 可見，當(dāng)坡度處于28°以下時，平臺經(jīng)歷了加速起步俯仰角為零、開始下坡俯仰角遞減、完全處于坡道上俯仰角隨之穩(wěn)定、下坡完成俯仰角逐漸歸零這4 個階段，且坡度越大下坡階段所耗時間越少。當(dāng)坡度增至28°時，平臺在完全處于坡道上時俯仰角急劇下降，平臺向前傾倒，隨后俯仰角急速上升，直至倒地。

對比2 組俯仰角變化曲線圖，上坡時，平臺俯仰角在40°時發(fā)生傾翻，直到倒地。平臺的縱向上坡最大爬坡角為39°。下坡時，平臺俯仰角在28°時發(fā)生傾翻，直到倒地。平臺縱向下坡最大坡度角為27°。

4. 4 橫向坡道行駛穩(wěn)定性分析

平臺在橫向坡道上行駛時，由于兩側(cè)履帶壓力值存在差距，導(dǎo)致履帶對地面的附著力減小，從而發(fā)生車體側(cè)翻［29］。分析平臺在不同軌距下的橫向行駛動態(tài)仿真情況。這里考慮操控臺位于坡道下方時的仿真行駛情況［22］。

在仿真軟件中逐步增大橫向坡度，每次增加5°，仿真時間設(shè)置20 s，通過觀察平臺橫向偏移量來分析平臺動態(tài)仿真情況。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)坡度增至30°時，最短軌距下的平臺發(fā)生側(cè)翻，如圖11A 所示；當(dāng)坡度增至40°時，最長軌距下的平臺發(fā)生側(cè)翻，如圖11B 所示。

從圖11A 可見，當(dāng)坡度處于30°以下時，平臺起步后橫向偏移量曲線曲率變化加速上升，平臺出現(xiàn)橫向偏移，但仍能穩(wěn)定運行，10 s 左右曲線曲率趨于穩(wěn)定，此時橫向偏移量增長較慢，且坡度越大橫向偏移量越大，在坡度處于29°時橫向偏移量數(shù)值最大，偏移量約為500 mm。當(dāng)坡度處于30°時，平臺起步后橫向偏移量曲線曲率變化急速上升，平臺一路翻滾倒地。從圖11B 可見，當(dāng)坡度處于40°以下時，平臺起步之后橫向偏移量曲線曲率變化增大，平臺出現(xiàn)橫向偏移，在8 s 左右曲線曲率趨于穩(wěn)定，此時橫向偏移量增長緩慢直至穩(wěn)定，在坡度處于39°時橫向偏移量數(shù)值最大，偏移量約為400 mm。當(dāng)坡度增至40°時，平臺起步之后橫向偏移量曲線曲率變化急速上升，平臺一路翻滾倒地。

對比2 組車體橫向偏移量曲線圖，當(dāng)軌距一定時，虛擬樣機橫向偏移量會隨著坡度的增大而增大，最短軌距下的平臺在30°坡度下直接側(cè)翻，最長軌距下的平臺在40°坡度下直接側(cè)翻，故不同軌距下的平臺極限側(cè)翻角分別為29°和39°。觀察2 組車體橫向偏移量曲線變化圖可知，車體軌距越大時，在橫向坡道上行駛越穩(wěn)定，橫向偏移量越小。且2 種不同軌距下的平臺均能夠適應(yīng)坡度不超過25°的坡度行駛。

5 樣機性能試驗

5. 1 靜態(tài)傾翻試驗

試驗開始前，利用貨箱裝載配重塊模擬最大載物量500 kg，均布放置于載物臺。利用升降機對樣機進(jìn)行抬升，分別進(jìn)行縱向及橫向穩(wěn)定性試驗。試驗過程依次增加抬升高度，直至樣機出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象（圖12）。

試驗結(jié)果表明，樣機在縱向坡道上時，當(dāng)抬升高度與地面呈30°坡度角，操控臺處于下方時樣機狀態(tài)平穩(wěn)；抬升高度與地面呈25°坡度角時，操控臺處于上方時樣機狀態(tài)平穩(wěn)；樣機在橫向坡道上時，抬升高度處于22°時，樣機在軌距最小時狀態(tài)平穩(wěn)；抬升高度處于33°時，樣機在軌距最大時狀態(tài)平穩(wěn)。為了保障樣機及人員安全，在測試時防止平臺傾翻沒有測試極限坡度，故測試數(shù)據(jù)會小于仿真值。

5. 2 田間試驗

試驗條件：于2023 年5 月在湖南省益陽市長春鎮(zhèn)打傘樹村富佳科技白蘿卜種植基地開展田間試驗，試驗品種為白蘿卜‘百川雪’，現(xiàn)場為白蘿卜起壟種植地塊，其中壟面寬為150 cm，溝寬15 cm，平臺田間試驗現(xiàn)場如圖13 所示。

試驗設(shè)計：為驗證平臺實際行駛性能，分別對平臺進(jìn)行空載及負(fù)載條件下各個擋位的行駛速度、最小轉(zhuǎn)彎半徑、滑轉(zhuǎn)率及跑偏率試驗。負(fù)載為種植地收獲的白蘿卜。試驗結(jié)果如表5 所示。

田間試驗結(jié)果顯示，平臺空載及負(fù)載情況下，滿足田間隨人采摘使用要求；最小轉(zhuǎn)彎半徑滿足標(biāo)準(zhǔn)GBT15370. 4-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機通用技術(shù)條件第４部分：履帶拖拉機》要求最小轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)不超過軸距和一個履帶寬的和?；D(zhuǎn)率滿足標(biāo)準(zhǔn)GBT3871. 9-2006《農(nóng)業(yè)拖拉機 試驗規(guī)程 第9 部分 牽引功率試驗》要求履帶滑轉(zhuǎn)率不能超過15%；跑偏率滿足標(biāo)準(zhǔn)GBT15370. 4-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機通用技術(shù)條件第４部分：履帶拖拉機》要求履帶車輛跑偏率小于6%。平臺滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及蔬菜田間轉(zhuǎn)運作業(yè)要求，能夠適應(yīng)不同起壟種植下的蔬菜田間轉(zhuǎn)運作業(yè)，轉(zhuǎn)運效率高，實用性較強。

6 結(jié)論

設(shè)計的軌距可調(diào)的蔬菜田間轉(zhuǎn)運平臺，能夠通過調(diào)節(jié)軌距適應(yīng)不同起壟種植模式下的轉(zhuǎn)運作業(yè)。并對整體結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行闡述，對變速箱、傳動系統(tǒng)、軌距可調(diào)裝置和車架等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計計算。

通過對平臺縱向坡道行駛穩(wěn)定性與橫向坡道行駛穩(wěn)定性分析，分別確定了平臺縱向上、下坡極限傾翻角和橫向坡道極限側(cè)傾角。并通過動力學(xué)仿真軟件RecurDyn 進(jìn)行平臺仿真分析，結(jié)果表明平臺的縱向上坡最大爬坡角為39°，平臺縱向下坡最大坡度角為27°，最短軌距下的平臺橫坡最大坡度角為29°，最長軌距下的平臺橫坡最大坡度角為39°，理論分析與仿真結(jié)果誤差較小。

進(jìn)行整機試驗驗證，靜態(tài)傾翻試驗結(jié)果顯示在不超過25°縱坡和不超過22°橫坡上平臺較穩(wěn)定。田間試驗顯示平臺滿載行駛速度為0. 071～0. 56 m·s-1，左右轉(zhuǎn)彎半徑分別為125. 8 cm 和127. 8 cm，對地形適應(yīng)性較好；滑轉(zhuǎn)率和跑偏率分別為2. 91% 和4. 02%，滿足設(shè)計和使用要求。

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（編輯：韓志強）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1600300）