丘陵山区双履带式小型动力底盘的设计_杜蒙蒙

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
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
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 1 动力底盘结构简图（ 装配旋耕刀具图） Fig． 1 Structural sketch of the power chassis（ assembled with
rotary blades）
K4 —作业方式修正系数，K4 = 0． 66 。 Kλ = 5． 46N / cm2 N1 = 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
动阻力 Ff 、空气阻力 Fw 、上坡行驶时的坡度阻力 Fi 和 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 F w以及加 速阻力 Fj ，因此底盘行驶总阻力为
Kλ = Kg K1 K2 K3 K4
（ 2）
式中 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 ；
∑ F = 1． 15 ( Ff + Fi ) =
1． 15（ fG + Gsinα）
（ 3）
式中
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
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］。
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
前进速度 vm 、耕深 d 、耕幅 B 以及土质等） ，但速度参 数是其最主要的影 响 因 素 ，它 不 仅 影 响 垡 块 的 抛 掷 速
1 研究内容
1． 1 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
学者以及科研单 位 进 行 了 大 量 的 研 究 工 作 。 目 前 ，研 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，
mail） jjt0907@ 163． com。
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］。
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 厂家 自 行 改 造、设 计 的 起 垄 机、开 沟 器、培 土 器、覆 膜 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 是缺少成型的动力 机 械 作 业 底 盘 ，农 机 具 与 动 力 匹 配 性能 差，经 常 会 有 功 率 不 足、机 具 牵 引 阻 力 过 大 等 现 象的发生 。 因此 ，在 丘 陵 山 区 农 业 生 产 中 大 范 围 推 广 使用的成熟机型较 少 ，丘 陵 山 区 整 体 机 械 化 水 平 远 低 于全国平均水平。
（ 1）
式中 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。
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2013 年 9 月
农机化研究
第9 期
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
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。
度，而且决定了所切垡块的大小、细 碎 程 度。Biblioteka Baidu 苏 联
科学家西涅阿科夫等指出： “许多研究资料都表明，提
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
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 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］。丘陵山区 田 块 细 碎分 散、耕 层 薄、坡 度 大、交 通 不 便，大 中 型 农 业 机 械 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 业机械主要以各式 各 样 的 自 走 式 微 型 耕 耘 机 为 主 ，此 外还有少量山地拖拉机［2］。山地拖拉机由于 引 入 液 压差高驱动及流 量 、方 向 调 节 等 装 置 ，机 器 结 构 复 杂 ， 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］。 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
图 2 动力底盘传动路线图
Fig． 2 Transmission map of the power chassis
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
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） 作者简介： 杜蒙蒙（ 1988 － ） ，男，河南兰考人，硕士研究生，（ E － mail）
duqinzheng@ 163． com。 通讯作者： 姬江涛（ 1965 － ） ，男，河南偃师人，教授，硕士生导师，（ E －
件 ，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
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 。
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
由以下公式计算、预测旋耕功耗，即
N1 = 0． 1Kλ dVm B
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农机化研究
第9 期
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 机型采用单履带作 为 行 走 部 件 ，从 而 减 小 了 机 器 的 外 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［6］。 1． 2 整体方案设计及工作原理
2013 年 9 月
农机化研究
第9 期
丘陵山区双履带式小型动力底盘的设计
杜蒙蒙1 ，姬江涛1 ，杜新武1 ，贺智涛1 ，刘剑君2
（ 1． 河南科技大学 车辆与动力工程学院，河南 洛阳 471003； 2． 河南省烟草公司 郑州市分公司，郑州 450001）
摘 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