多功能农用底盘结构设计及关键技术研究
摘要：针对国内设施农业主要以人工作业为主、劳动强度大、相应配套机型较少、性能较差、自动化水平不高、农机农艺不匹配等问题，提出一种前中后均可悬挂农机具、离地间隙可调、履带式行驶系的多功能农用底盘，该底盘集滑移转向、底盘升降、全液压驱动等技术于一体。为满足底盘的功能要求，该底盘采用四履带独立驱动系统，通过对行驶工况下的动力学分析，验证了底盘的接地比压，计算了附着牵引力、直线行驶与滑移转向阻力；对行走驱动液压系统进行了设计，确定了液压系统的主要技术参数。本课题致力于设计的多功能底盘，能够促进设施农业的发展，提高设施农业机械化水平，进一步降低农民的劳动强度。
关键词：设施农业；底盘；滑移转向；履带；液压系统
中图分类号： S224.4文献标志码： A[HK]
文章编号：1002-1302（2017）13-0173-04[HS）][HT9.SS]
收稿日期：2016-09-23
基金项目：河北省科技支撑计划（编号：15227209D）。
作者简介：袁永伟（1987—），男，河北任丘人，硕士，助教，主要从事机械设计及机电一体化相关教学与科研。E-mail：yyw0314@126.com。
通信作者：弋景刚，教授，硕士生导师，主要从事农业机械技术装备的教学与科研工作。E-mail：yjg@hebau.edu.cn。
[ZK）]
据统计数据发现，从20世纪90年代中期开始，中国设施产业中的设施蔬菜种植面积就一直稳居世界第一位，种植面积约占世界总面积的90%[1]。中国设施农业发展在面积规模上大，但自动化水平、机械化程度比较低，主要依靠人工，劳动强度大。动力机械及配套机具已是现代设施农业不可缺少的重要装备[2]。现有的温室作业机具的底盘行走系统的结构复杂，转弯半径大，作业不够灵活，作业效率低。设施农业机械化技术水平已经制约了可控条件下的集约化、高效化农业生产经营，温室作业的机械化问题日益突出显现。
该项目的实施一方面使传统产业得到改造，开发出新型农用车底盘，促进设施农业的发展，提高资源利用率；另一方面，本课题致力于设计一款在底盘的前、中、后均可悬挂农机具的通用底盘，改变设施机械化程度低、劳动强度大的现状，提高设施农业机械化水平。
1多功能底盘总体结构设计
1.1多功能底盘总体结构及主要技术参数
多功能底盘结构主要包括三角履带组、双扭平行四连杆独立悬架、车架主体结构、发动机、静液压传动系统、控制系统、操作系统及其附属结构，其结构模型如图1所示。
1.2多功能底盘功能
设施农用四驱多功能作业底盘可以实现直线行驶、滑移转向、底盘升降等运动形式，操作者可以在操作台实现对整机功能的所有操作。行走系统采用全液压驱动，操作者通过控制其左右两侧的4个三角履带组，可以实现直线前进与倒退；控制左右两侧履带的差速，可以实现向左转向、向右转向和原地转向。底盘升降系统采用由液压缸作驱动的双扭平行四连杆独立悬架，操作者通过控制4个升降液压缸的伸缩可以实现底盘的垂直升降、倾斜升降等动能。底盘前、中、后均可悬挂农机具，悬挂方式分别为装载机连杆作业臂式、横梁固定式、三点悬挂式，其工作装置的驱动力均为液压动力，本研究对农机具的悬挂和驅动暂不作设计，只是对其车架前中后留出安装空间，液压系统预留出相应管路接口。
1.3主要技术参数
根据设施农业农艺参数对底盘功能的要求，经理论分析初步确定的底盘技术性能参数见表1。
2关键技术研究
2.1行驶阻力分析
2.1.1底盘行驶系接地比压的验算
查阅有关履带式底盘文[CM（25]献发现不同装备的合理接地比压[4-5]有所区别，履带式拖[CM）] [JZ（]ρ=[SX（]G4bL[SX）]。[JZ）][JY]（1）
式中：G为车辆总质量，kg；b为单个履带接地宽度，mm；L为单个履带接地长度，mm。
由式（1）计算得到本底盘的接地比压值约为59.26，属于合理值。
2.1.2附着牵引力
履带式底盘的附着力包括履带支撑面与土壤地表的摩擦力产生的附着力和履带轮的履齿进入地面对土壤挤压的反力产生的附着力。为简化附着力计算[6-7]，附着力可以按下式表示：
[JZ（]Ffz=φ·G。[JZ）][JY]（2）
式中：φ为附着系数；G为车辆总质量，kg。
履带式车辆在不同路况下的附着系数见表2。由此估算出，该多功能底盘在干路面上行驶时，最大附着力为 12 800 N。
2.1.3直线行驶时受力情况
直线行驶时单个三角履带组的受力分析如图2所示。
[FK（W13][TPYYW2.tif][FK）]
由图2受力分析[8]可知，需满足Fq≥F1+F2，才能实现直线或加速行驶。其中，外部阻力可以用下式表示：
[JZ（]F1=[SX（]（mg）24（[SX（]kcb[SX）]+k）bL2[SX）]。[JZ）][JY]（3）
式中：L为履带和土壤的接触长度，mm；b为履带接地宽度，mm；kc、k为与承载面积大小和形状无关的土壤参数。在初步计算驱动力大小时，采用估算的方法。即：
[JZ（]F1=fmg。[JZ）][JY]（4）
式中：f为滚动阻力系数（表3）。
由于本课题设计的多功能底盘通过的路面多细沙土或松软沙质土，故f取0.10，估算可得，外部滚动阻力为1 280 N。
内部阻力，由于本机传动系统较简单，履带式底盘的内部阻力与整机质量以及行履带组的结构有关。一般情况下，采用粗略估计的方法。即：F2=0.05 mg，内部阻力估算值为640 N。
假定整机在匀速直线行驶工况，驱动力与阻力建立的平衡方程为：Fq=F1+F2，粗略估算得到底盘直线行驶时驱动力应大于1 920 N。
2.1.4滑移转向时驱动力计算
估算转向受力时，为了保证有足够的滑移转向功率，以最消耗功率的两侧履带完全差速的转向方式计算，此时转向半径等于零。此时4条三角履带受到转向阻力分析如图3所示。
[FK（W9][TPYYW3.tif][FK）]
设单履带接地长度为y，受到的阻力为x，履带接地单位长度上阻力为P·b·μ，则x与y之间的关系可以表示为：
[JZ（]y=[SX（]L2pbμ[SX）]·x。[JZ）][JY]（5）
式中：L为三角履带端部到旋转中心的长度，mm；P为接地比压，mm；b为三角履带的宽度，mm；μ为履带式车辆的滑动摩擦系数，取0.7。
则单条三角履带相对转向中心收到的摩擦阻力矩为：
[JZ（]M=∫0.80.3xydy=∫0.80.3[SX（]2pbμL[SX）]·y2dy。[JZ）][JY]（6）
则4条履带的摩擦力Fz为：
[JZ（]Fz=[SX（]4MB[SX）]。[JZ）][JY]（7）
解得，Fz=3 366.7 N，单条三角履带需提供的驱动力为：F=[SX（]Fz4[SX）]=[SX（]3 3663.74[SX）]=841.68 N。
2.1.5牵引力的计算
多功能底盘实现正常启动和行驶，四履带驱动力必须大于或等于各阻力之和（本底盘的设计速度较低，忽略空气阻力和加速阻力，只考虑滚动阻力和爬坡阻力）。牵引力满足下式：
[JZ（]Fq≥Fi+Ff。[JZ）][JY]（8）
[JZ（]Fq=ηkMk/rd。[JZ）][JY]（9）
[JZ（]Fi=mgsinα。[JZ）][JY]（10）
[JZ（]Ff=mgf。[JZ）][JY]（11）
式中：ηk为履带传动效率，取值0.95；Mk为履带驱动齿轮输出力矩，N·m；rd为驱动齿轮动力半径，mm；α为路况坡度角，取值20°；f为滚动阻力系数。
底盘满载作业时，在坡道行驶时需要的驱动力最大，因此底盘的最大牵引力应满足下式：
[JZ（]Fqmax=mg（sinα+fcosα）。[JZ）][JY]（12）
计算得Fqmax=5 469 N。
3行驶液压系统设计
3.1行走驅动液压系统的设计
本研究提出的多功能底盘，行走系统采用全液压驱动闭式回路、双向变量泵、低速大扭矩马达。无需设置行车和驻车制动装置，只需将与行走液压马达相连的液压泵斜盘处于中位状态，则液压泵不供油，马达停止转动，达到停车制动和驻车制动目的。全液压传动具有占用空间小、结构布置方便等优点；但缺点是4个三角履带的传动比及同步性不易准确控制。因此，液压传动系统需要合理的设计。
闭式液压系统：变量泵的进油管与驱动马达的出油口相连，变量泵的高压油口与马达的进油口相连，液压油在系统管路中循环。其优点是空气不易渗入，无换向阀，传动较平稳，液压冲击和能量损失较小；管路较少，布置方便。但是闭式系统较开式系统复杂，需要另设一个定量补油泵和油箱为闭式系统补油和改善长期循环的液压油质量。借鉴现用滑移装载机液压系统[9-11]，最终确定的行走驱动液压系统原理如图4所示。[FL）]
[FK（W22][TPYYW4.tif][FK）]
[FL（2K2]3.2行走液压系统原理介绍
行走驱动液压传动系统采用2个大排量双向变量液压泵（1）和1个小排量补油泵（9），三泵串联。2个大排量双向变量液压泵（1）将压力油供给液压马达（6）后转换为机械能，由液压马达（6）直接驱动三角履带；补油泵（9）补充行走液压系统渗漏造成的油液损失，同时通过多路阀供给液压油缸等液压执行元件和为先导控制油路提供控制所需压力油。
先导控制阀由4个先导阀集成，可由操作手柄控制上的按钮控制。手动按下不同先导阀的触头，对应先导阀得电，压力油到达伺服缸的内腔，控制双向变量液压泵的转速与方向。按下先导阀A的触头，两侧双向变量液压泵转速同时增加，直行加速；按下先导阀B的触头，左侧双向变量液压泵减速，右侧双向变量液压泵加速，左转向；按下先导阀C的触头，左侧双向变量液压泵加速，右侧双向变量液压泵减速，右转向；按下先导阀D的触头，两侧双向变量液压泵同时减速，直行减速。
行走控制电磁阀（12）和驻车制动电磁阀（13）分别在行走和执行作业时相应得电，起到安全保护作用。
双向定量马达内部集成冲洗阀（7）和背压阀（8），冲洗阀（7）的开启由双向定量马达进出油口压差决定，其中进油口为负载压力，出油口为补油背压阀（5）的设定值，回路油液经冲洗阀（7）和背压阀（8）回油箱，起到冷却油液的作用。
3.3液压马达负载转矩计算
本设计采用4条三角履带全驱，取底盘总阻力的30%作为单条三角履带的驱动阻力计算，即每条三角履带的牵引力为：
[JZ（]Fqs=0.3 Fqmax。[JZ）][JY]（13）
[JZ（]Mk=Fqsrd/ηk。[JZ）][JY]（14）
则驱动齿轮输出扭矩Mk和马达负载扭矩Mm的关系：
[JZ（]Mknk=Mmnmηm。[JZ）][JY]（15）
式中：nk为驱动齿轮的转速，r/min；nm为马达的转速，r/min；ηm为马达的传动效率，取0.95。
在最大牵引力工况，联立式（13）、（14）、（15）计算马达需输出扭矩：
[JZ]Mmmax=[SX（]0.3Fqmaxrdηm[SX）]=[SX（]0.3×5 469×0.110.95[SX）]=190 N·m。
3.4液压马达参数计算
对于液压驱动系统来说，系统的工作压力是设定中最重要的参数之一，多功能底盘属于农用机械，液压马达的工作压力设定值为12 MPa。液压马达的主要性能参数包括输出扭矩、排量、转速、工作压力4个基本参数，下面就本多功能底盤的液压驱动系统对各参数进行计算确定。
液压马达排量的计算公式：
[JZ（]Vm=[SX（]2πMmmaxΔpηmm[SX）]。[JZ）][JY]（16）
式中：Δp为马达进出口压差，取12 MPa；ηmm为马达的机械效率，取0.9。
计算可得液压马达的排量：Vm=110.5 mL/r。
液压马达的最大转速即底盘最高行驶速度工况，底盘最大行驶速度：
[JZ（]vmax=0.12π（1-δ）nmmaxrd。[JZ）][JY]（17）
式中：δ为履带相对地面的滑转率，取0.07。
液压马达的最大转速为：nmmax=[SX（]vmax0.12π（1-δ）rd[SX）]=[SX（]80.12×3.14×（1-0.07）×0.11[SX）]=207 r/min。
在作业工况下，行驶速度为3.5 km/h，则马达最大作业转速为：
nmax=[SX（]vmax0.12π（1-δ）rd[SX）]=[SX（]3.50.12×3.14×0.93×0.11[SX）]=[JP]90.8 r/min。
马达在最大作业转速工况下为全排量，即可推算其最大流量qm为：
[JZ（]qm=[SX（]nmaxVm1 000 ηmv[SX）]。[JZ）][JY]（18）
式中：ηmv为马达的容积效率，取0.95。
由式（18）计算得到马达的最大流量qm=10.56 L/min。
根据以上参数，加上整机质量较小，因此无需设计减速机，而由液压马达直接驱动三角履带。最终选择泰勒姆斯摆线式液压马达，主要技术参数见表4。
[FK（W4][HT6H][JZ]表4摆线马达技术参数[HTSS][STBZ]
[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK4。3，WK5，WK3*2。2，WK5W]排量（mL/r）转速（r/min）流量（L/min）扭矩（N·m）压力（Bar）质量（kg）允许背压（Bar）
[BHDG1*2]1007427529520511.170[HT][HJ][BG）F][FK）]
4结论
针对国内设施农业主要以人工作业为主，劳动强度大，相应配套机型较少，性能较差，自动化水平不高，农机农艺不匹配等问题，设计了一种履带式四驱多功能农用底盘，该底盘具有前中后均可悬挂农机具、滑移转向、底盘升降等功能。
通过对底盘的接地比压、附着牵引力、直线行驶与转向阻力进行详细分析计算，验证了多功能底盘驱动系统设计的合理性，同时为四履带独立驱动底盘驱动力的理论计算提供依据和数据支持。
针对滑移转向并参考现有滑移装载机技术设计了闭式静液压驱动系统，对行走驱动液压系统关键技术参数做了严谨的设计计算，为后续的样机制作和零部件选型提供了依据。
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