高地隙自走式喷雾机动力传动系统的设计

高 翔，郭 静，朱 镇，韩 顺

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



高地隙自走式喷雾机动力传动系统的设计

高 翔，郭 静，朱 镇，韩 顺

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

我国大田农作物中后期病虫害防治迫切需要高行间通过性的高效植保动力机械，因而提出了一种自走式高地隙喷杆式喷雾机的动力底盘设计方案。该动力底盘采用四轮驱动和全液压四轮转向结构，具有离地间隙高、水旱兼用及机动性好等特点。为此，进行了总体方案的设计及基本参数的确定，介绍了传动系统的方案设计及工作原理，并对变速箱传动方案进行了设计。同时，重点对行走动力传动系统传动比、喷药液压动力传动系统参数与发动机工作特性之间匹配进行研究，在保证喷雾机作业时施药行走速度与施药机具效率最佳匹配的前提下，发动机在燃料经济性较高的区域内工作，实现高效、节能和环保的设计目标。

喷雾机；动力传动系统；底盘；高地隙；水旱两用

0 引言

农作物保护是农业生产的重要组成部分，是确保农林业丰产丰收的重要措施之一[1]。由于缺少大型高地隙自走式喷杆喷雾机，水稻、玉米等高杆作物生长中后期的药液喷洒,成为影响生产的技术“瓶颈”。因此，急需研制出能够防治玉米等农作物后期病虫草害[2]的高效、安全的自走式高地隙机动喷杆喷雾机[3]，以促进农民增产增收。研究开发适合我国的高地隙自走式喷雾机,可以解决农业生产发展的技术瓶颈,为农业的可持续发展提供必要保障[4]。

1 喷雾机设计要求

经过调查研究，确定高通过性喷雾机设计目标:

1)高地隙要求。喷雾机的最小离地间隙主要受农艺要求和通过性的影响，要在保证稳定性的同时尽可能提高，避免对农作物造成压折损伤。

2)作业挡位多、速度范围广( 2～16km/h) ，可以适应不同作业条件及作业环境，并能快速实现田间转移作业。

3)在动力性能方面采用四轮驱动、四轮转向，保证加速、爬坡与越障性能[5-6]。

4)水旱两用。适应水田和旱田作业。

5)整机空载质量小于(等于) 2 000kg，防止因为自身质量过大造成作业时对土壤的压实破坏[7]。

2 喷雾机总体设计

2.1 整机构成和布置

本机主要由喷雾系统及自行走系统组成，如图1所示。自行走系统由四轮驱动高地隙底盘、柴油发动机、变速箱及前后驱动桥总成等组成。喷雾系统由喷杆装置、升降机构，药箱、液泵及液路系统等组成。喷杆装置展开时便于喷药，折叠时方便移位行走，喷杆升降可调节，可适应不同高度的农作物喷药。

1.施肥装置 2.喷杆喷雾系统 3.药箱 4.后驱动桥 5.高立轴 6.驱动轮(除去轮胎部分) 7.分动箱 8.变速箱 9.离合器 10.发动机 11.前驱动桥 12.车架

为满足设计目标，采用水旱两用高地隙自走式四轮驱动式动力底盘及全液压四轮转向机构，前部挂接撒肥机、后部挂接喷药机具，以扩大机器使用功能。考虑到对不同农田作业的适应性，充分发挥四轮驱动的优势，可以通过药水箱或撒肥机进行配重，合理分配前后桥的轴荷，保证前桥载质量占整机总质量的 50%～ 70%。

2.2 动力分配额与传动路线

高地隙自走式喷雾机动力底盘动力传动原理如图2所示。

图2 底盘传动路线

3 基本参数确定

3.1 发动机功率的选择

(1)

其中，Ff为行驶阻力(N)；V0为理论速度(km/h)；传递效率一般取ηT=0.6。

本喷雾机要求水旱两用，因此动力底盘发动机功率应能保证在田间作业时的基本工作速度和在正常道路上行驶时的最高速度。

1)田间作业。本设计中的车轮采用低压充气橡胶轮胎，在田间行驶时，土壤被压实所形成的阻力是主要的，因此可推断克服滚动阻力与压实土壤形成轮辙所消耗的功相等。根据文献[8]，行驶阻力计算公式为

(2)

其中，Ff为行驶(滚动)阻力；Q为驱动轮所承受的垂直载荷；D为车轮直径；K为土壤承载变形模量；n为土壤的变形指数。

本喷雾机空载重约为2 000kg，加满药水后，连同驾驶员，总质量约为2 800kg，前驱动轮的承受载荷为Q=0.7G/2=9604N。

2)田间转移行驶时功率需求。此时行驶阻力以滚动阻力为主，由整机重力Q和滚动阻力系数f(考虑最恶劣的工况)计算出滚动阻力(速度比较小，不考虑速度影响，滚动阻力系数为常数)。滚动阻力为

Ff′=Qf

(3)

将Q=9604N、f=0.3代入上式，得Ff′=2881.2N。发动机功率应大于以最高车速vmax=18km/h行驶时的行驶阻力功率，代入(1)式计算得发动机所需功率为24.01kW。

3)作业机具的功率需求。喷雾机选择的喷药设备药水泵，额定转速550r/min，所需功率为4.2kW，喷药幅宽18m。

综上所述，结合喷雾机在田间的植保功率消耗与行驶功率消耗，参考同类产品，拟定选择柴油发动机为直列水冷4冲程，额定功率为29.64kW，标定转速是2 400r/min，排量2.417L。

3.2 整机外形尺寸的确定

1)轴距。确定喷雾机的轴距时，应重点考虑纵向稳定性、操纵机动性和舒适性。因为要求喷雾机的转弯半径要小，所以轴距不能过大；轴距过小，则纵向稳定性及舒适性差、驾驶员操控活动空间小。本设计初定轴距2 380mm。

2)轮距。喷雾机的轮距B数值主要根据作业的要求和机器横向稳定性来确定。根据相关农艺要求，底盘要用于中耕作业，则其轮距应与农作物行距相配合，保护带需足够宽。本机设计轮距初定为1 500mm。

3)离地间隙。喷雾机的最小离地间隙主要受农艺要求和通过性的影响，要在保证稳定性的同时尽量提高，避免对农作物造成压折损伤。综合考虑各项园艺要求，确定有效离地间隙为1 000mm。采用水田型高地隙驱动桥。

4 传动系设计

4.1 传动方案的确定

农用车辆常用的动力传动方案有机械式、液压式和液力式等几种。综合考虑制造成本、使用效率及维护等因素，本底盘行走系统采用机械式齿轮传动方案。

发动机通过离合器、组成式变速器及分动器将动力传递到前、后高地隙转向驱动桥。高地隙前后转向驱动桥含有中央传动齿轮副、差速器、水平半轴、锥齿轮-斜置轴和轮边减速器。传动原理如图3所示。

1.发动机 2.离合器 3.变速箱 4.后桥 5.轮边减速器 6.橡胶轮 7.分动箱 8.液泵 9.前桥

4.2 总传动比分配规则

车辆传动系的总传动比是根据传动系统方案、发动机的转速、排挡数、速度范围及驱动轮的尺寸进行计算。一般规则是：首先确定最终传动比及中央传动比，然后再确定主变速箱及副变速机构的传动比，最后确定动力分配箱传动比。确定最终传动比及动力分配箱传动比时，应在满足工作要求的情况下尽量增大两者的传动比，以减小变速箱及副变速机构的传动比，缩小其结构尺寸，减轻整机质量。

传动系各挡的总传动比为

(4)

其中，neH为发动机额定转速(2 400r/min)；rd为驱动轮半径，取r=914.4mm；vTi为某挡理论速度，取vTi=1～18km/h。喷雾机的理论速度如表1所示。

表1 喷雾机各档的理论速度

各挡传动比与总传动比为

i∑i=ibiifizim

(5)

其中，ibi为变速箱各档传动比；if为分动箱传动比；iz为中央传动的传动比 ；im为最终传动的传动比 。

在确定各挡传动比时，应综合考虑喷雾机的起步与行进中换挡的便利性、作业速度和田间转移行驶速度需求，以及主要作业工况下的发动机应该能够处于的高效率区域工作等因素。 高地隙自走式动力底盘的传动比分配如表2所示。

表 2 传动系统传动比的分配

4.3 变速箱的设计

由图2可知：高地隙自走式喷雾机总体布置紧凑、制造成本低、可靠性高和维修便利等要求，变速箱采用(3+1)×2的组成式变速箱结构，既满足传动比和挡位数目的要求，并且在制造过程中可减少齿轮个数。采用手动顺序换挡方式，原理如图3所示。

5 液压泵和液压马达的匹配

田间施药是喷雾机最主要的作业。齿轮喷药泵作为喷雾机械的主要工作部件，以其体积小，质量轻，结构简单，加工、使用、维护方便，以及工作压力比较大而且均匀等优点，在植保机械中被广泛应用[10]。由图2可知：喷雾机施药时，药水泵液压驱动系统和行走系统均由发动机驱动，喷雾机的行走速度高低和药水泵转速高低同时影响施药质量和施药效率。对药水泵液压系统与传动系统进行匹配设计，既要使得喷雾机挂接某个挡位，发动机以合适转速运转，也能够使液压马达驱动的药水泵在规定的工作点运转，同时还使发动机处于燃油经济性较低的区域运转。

5.1 液压泵和液压马达的初步选取

表3 各挡位的行驶速度

由表3可以看出：当发动机转速为1 200～2 400r/min时，有可能达到速度要求，选择3、4挡行驶比较合适。

因为液压马达由专用液压油泵单独供油，则液压马达的输入流量等于液压泵输出流量，即

(6)

其中，Vp为液压泵排量(mL/r)；ηvp为液压泵容积效率，通常取ηvp=0.9；ne为发动机驱动液压泵的转速(r/min)。

药水泵由液压马达直接驱动，药水泵的工作转速等于液压马达输出转速nm(r/min)，要使nm=550r/min，则所需马达排量为

(7)

将转速ne=1 200～2 400r/min和Vp=10、12、14、16、20、25mL/r代入式(6)计算，再将其结果和nm=550r/min代入式(7)，可求出有对应转速和一定排量的液压泵时所需要的马达排量。计算可知：所选马达的排量应在22～109mL/r范围内。参考同类产品和市场供需情况，综合考虑实际产品的生产制造，本设计有以下3种符合要求的液压马达可供选择，其排量分别为50、63、80mL/r。

综上所述，初步选取液压泵的排量为10、12、14、16、20、25mL/r，液压马达可选排量为50、63、80mL/r。

5.2 田间作业所需发动机转矩

表4 各挡位所需转矩

2)驱动药水泵所需转矩。喷雾机采用液压马达直接驱动药水泵的设计方案中，药水泵液压马达由专用液压油泵单独供油，而且专用液压泵由发动机驱动，若不考虑药水泵液压驱动系统内的泄漏和功率损失，则可以估算出发动机驱动药水泵所需转矩。

药水泵由液压马达直接驱动，药水泵的工作转速和额定功率分别与液压马达输出转速nm和输出功率Pm相等。由此液压马达输出功率与输入流量的关系整理为

(8)

其中，Pmo为液压马达输出功率(kW)，即是药水泵额定输入功率为4.2kW；Qmo为马达的输出流量；Qmi为马达的输入流量(L/min) ；Δp为马达进液口与回液口之间的压力差(MPa)；ηtm为马达的总效率。

假设液压泵出口压力等于液压马达进口压力，且液压泵吸油口压力等于液压马达回油压力，则发动机作用在液压油泵的转矩为

(9)

马达的输出流量为

(10)

其中，Vm为马达排量(mL/r)；nme为马达额定输出转速，nme=550r/min；ηvm为马达容积效率，取ηvm=0.9。

由式(8)可知液压系统的工作压力为

(11)

当Vm=50mL/r时，代入式(10)，Qmo=24.75L/min。将Pmo=4.2kW、Qmo=24.75L/min代入得Δp=10.18MPa，将其代入式(9)计算得液压泵输入转矩。

同理，当液压马达排量分别为63mL/r和80mL/r时，分别可以计算出马达的输出流量为31.2L/min和39.6L/min，额定压力为8.08MPa和6.36MPa。计算得出液压泵输入转矩，结果如表5所示。

表5 液压泵输入扭矩的计算

Table5CalculationofTheInputTorqueofTheHydraulicpumpN·m

Vm/mL·r-1Vp/mL·r-1101214162025501822252936456314172023293680111316182228

综合表4、表5，可得出当排量为10、12、14、16、20、25mL/r的液压泵分别和排量为50、63、80mL/r的液压马达相匹配时各挡位所需的总转矩。

5.3 液压泵和液压马达的匹配选择

通过选择Vp、Vm和不同的挡位，使得行走速度为4～7km/h左右时液压马达的输出转速为450～550r/min。马达的输出转速可由式(7)推导得

(11)

分别将Vp=10、12、14、16、20、25(mL/r)和Vm=50、63、80mL/r代入式(6)和式(11)计算，即可得出各个方案的马达输出转速。经计算可得：当排量为63mL/r的液压马达与排量为20mL/r的液压泵相匹配时，在发动机转速为1 400～1 800r/min范围内，可使马达转速满足450～550r/min，车速满足4～7km/h，且燃油消耗率较低，经济性最好。因此，本设计选择排量为20mL/r的液压泵和排量为63mL/r的液压马达。根据所需转矩，可在发动机万有特性图上表示出工作区域。

图4为本喷雾机万有特性曲线。图4表示了Vp=20mL/r、Vm=63mL/r时4个工作挡位所需的总转矩(行走所需转矩与药水泵所需转矩之和)。在发动机转速为1 400～1 800r/min时，马达转速达到450～550r/min。由图4可看出：Ⅲ、Ⅳ挡既能满足马达转速要求，也能使车速达到4～7km/h，因此在田间作业时，选择Ⅲ、Ⅳ挡比较合适。

6 结论

针对目前我国大田农作物中后期病虫害防治迫切需要高行间通过性高效植保动力机械的情况，本文根据高杆农作物种植和田间作业的特性，提出了一种自走式高地隙喷杆式喷雾机的动力底盘设计方案。该动力底盘具有四轮驱动和全液压四轮转向结构，具有离地间隙高、水旱兼用、机动性强等优点。该底盘不仅满足田间的作业要求，解决了农作物中后期通过性的技术难题，还能保证喷雾机作业时发动机在燃料经济性较高的区域内工作，实现了高效、节能和环保的设计目标，有力地推进了田间作业全程机械化的进程。

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Abstract：Thelateoffieldcroppestcontrolinourcountryurgentlyneedsthehightrafficabilityandefficientpowermachineryforplantprotection.Thispaperpresentsapowerchassisdesignofhighclearanceself-propelledsprayerwithsprayrod.Thedynamicchassisadoptsfourwheeldriveandfourwheelsteeringhydraulicstructure,whichishigh-clearance,amphibious,andhasmaneuverabilityetc.Thispaperhasdesignedtheoverallprogram,transmissionscheme,andgearboxtransmissionscheme,andalsodeterminedthebasicparameters,andpresentedtheworkingprinciple.Focusontheresearchofthematchbetweentransmissionratioofthewalkingpowertrain,parametersofthesprayinghydraulicpowertrain,andenginecharacteristics.Toensurethebestmatchbetweenthesprayer’stravelingspeedandefficiencywhenthesprayer’satwork,andtheengineisoperatinginareasofhighfueleconomy,allowingforhighefficiency,energysavingandenvironmentalprotectiondesign.

Keywords：sprayer;powertransmissionsystem;chassis;high-clearance;amphibious

ID:1003-188X(2017)04-0247-EA

DesignofPowerTransmissionSystemofHigh-clearanceSelf-propelledSprayer

GaoXiang，GuoJing，ZhuZhen，HanShun

(SchoolofAutomotiveandTtrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

2016-03-09

国家自然科学基金项目(51575001)；江苏省研究生培养创新工程项目(CXZZ11-0578)

高 翔(1953-)，男，江苏涟水人，教授，博士生导师，(E-mail)xianggaojs@163.com。

郭 静(1990-)，女，南京人，硕士，(E-mail)guojingujs@163.com。

S491；U

A

1003-188X(2017)04-0247-05