一种多功能铰接式玉米田间管理机底盘的设计

申屠留芳，秦绍波，孙星钊，孙亚军,3，唐立杰,3，张 炎

(1. 淮海工学院 机械工程学院，江苏 连云港 222005；2. 连云港市元天农机研究所，江苏 连云港 222006；3. 中国矿业大学 机电学院，江苏 徐州 221008)

0 引言

由于玉米自身的生长特点，在前、中期时生长的速度很快，一般5月初播种到5月底便可长到300mm，到了中后期便可长到1 200mm，期间则需要对不同时期的玉米施撒相应的肥料、农药和水分，且还要定期去除株间的杂草，以确保玉米有足够的养分和水分[1-2]。目前，市场上的管理机大多以拖拉机为载体，再配备农机具作业，完全无法满足通过性要求。有很少一部分自走式管理机虽然满足了高地隙要求，但机体结构简单，高桥基本采用的都是轴传动和链传动，强度差、易坏、工作不可靠、维修费用高，且仅有一种或两种管理功能(基本没有中耕除草功能)，实用效果不好。

针对现有的玉米田间管理机的不足，设计了一款可以实现自走、高地隙、多功能及强动力的田间管理机，可在中后期的玉米田里自如行驶，操纵简单可靠，实现玉米管理的全部作业(中耕除草、施肥、灌溉喷药)。底盘是多功能管理机研制的核心部件，其结构决定了管理机的离地间隙，同时影响管理机在玉米田间的通过性、可靠性和稳定性等[3]，所以本文主要对管理机底盘的行驶系统及传动系统等主要部件和系统进行设计。

1 玉米田间管理机底盘的设计要求

1)通过性要求。玉米秆因为本身的特征，在玉米的中期便可长到800～1 200cm，为了确保在玉米中期仍能进行作业，管理机要具有足够高的地隙。

2)稳定性要求。由于该机要实现玉米田间管理的所有功能，所以保证底盘具有足够的结构强度，工作安全可靠，因此管理机具有足够的稳定性。

3)动力匹配问题。发动机应有足够强劲的动力来保证管理机配备农机具工作时在任何路况下可以正常工作。

4)适配性要求。管理机底盘的悬挂不仅可以与中耕机、撒肥机、喷洒机构等农机具配套使用，满足玉米前、中期间的作业要求，还能为玉米田间管理实施各种新型农机具提供综合应用开发的平台，真正地实现“一机多用”的要求。

5)适应性要求。结合玉米种植时株间距、密度的特点来有效解决管理机工作时误伤、压玉米秆等问题。

6)整机合理性要求。设计的底盘配套机具位置合理性、作业合理性及综合性能满足高效、可靠、简单、安全和易操作等要求。

2 底盘设计方案

2.1 玉米管理机型结构的选择

本设计选用铰接式车架，试验表明：①在相同轴距、轮距情况下，铰接车辆转向半径约为偏转前轮转向半径的80%，很适合在玉米地狭小的空地上转向。②在松软地面上曲线行驶时仍能获得较大的牵引力，保证了管理机在玉米地里不会因动力不足而无法行驶。③轴距更大，从而提高了行驶纵向稳定性。④由于车架前后可以随意摆动, 使车轮可以适应不平地形,保持车辆有均匀的垂直载荷和良好的接地能力,改善了牵引性能,使车架的扭转应力大大减小。⑤由转向横拉杆控制管理机转向，从而使前后桥的结构和制造工艺简单，降低生产成本[4]。综合考虑后初定前车架长2 120mm，后车架长1 200mm，宽800mm。

2.2 驱动方式的选择

目前，市场上管理车常见的驱动方式主要是四轮驱动和前、后轮单独驱动，试验表明：①当滑移率在50%，四轮驱动的牵引力较两轮驱动大20%，所以四轮驱动的车辆牵引附着性更好，很适合附着性能较差的玉米地作业需要[5]。②四轮驱动管理机在前桥上有较大的质量分配，并且前轮有驱动力，所以稳定性和操纵性好。③四轮驱动减少了每一驱动轮的驱动力负担，可以将足够的动力传至路面，所以四轮驱动的方式可以更好地应对农田地坑洼不平的地况，也更好低保护了农田地土壤结构。④四轮驱动车辆的前后车桥和轮胎的磨损均匀，有利于延长管理机的使用寿命。结合以上所述，本传动设计选择四轮驱动的行驶方式。

2.3 发动机选型和动力参数

发动机的选择以可以满足管理机在配备中耕机正常工作为标准来选择，同时尽量选用较小功率发动机以减少整机的质量和生产成本。中耕除草作业消耗的发动机功率Nj为

Nj=0.1Kλ·d·νl·Bj/ηj

(1)

式中Kλ—中耕比阻(N/cm2)，查表取5.89[6]；

d—耕深(m)，d=2；

vl—运行速度(m/s)，Vl=2；

Bj—中耕幅宽(m)，Bj=2；

ηj—传动系比，取0.72[6]。

计算得Nj≈33kW。管理机工作时所消耗的功率Px为

(2)

u—摩擦因数，取0.3[6]；

ηψ—管理机传动总效率，取0.75[6]。

计算得Px≈12kW。所以，管理机进行中耕除草工作所需发动机功率为P=Nj+Px=44kW。因此，所选发动机功率必须大于44kW。经过一番的市场考察，本设计发动机采用潍坊华信HX495四缸水冷柴油发动机。该发动机额定功率为46.5kW，额定转速为2 600r/min，国产品牌，成本低、质量轻。

2.4 轴距、轮距选定

轴距是管理机的一项重要参数，对整车整备质量、总长、最小转弯半径、传动轴长度及纵向通过半径都有影响，且直接影响管理机的重心。因为玉米田空间狭窄，要求管理机有较小的转弯半径，因此轴距不能过大；但也不能过小，否则纵向稳定性和舒适性变差。因此，考虑管理机发动机与变速箱都应该放置在前车架和当悬挂农机具工作时重心后移等因素，初定轴距为2 000mm，保证管理机在空载还是农机具工作时重心都在两轴之间。

轮距与管理机的总宽、总重、侧向稳定性和安全性有影响。当轴距变小时，管理机的侧向稳定性变差；轴距过大时，管理机的转向半径便会变大。因此根据农艺要求，其轮距应与玉米行距相适应，应有足够宽的保护带，一般玉米种植为600mm等行距，本机设计轮距初定为2 000mm。

2.5 高桥传动

为了确保管理机有足够的离地间隙，所以在驱动桥与车轮之间加一高桥，不仅可以获得高地隙，还可以进一步增大传动比。考虑到农田地土壤松软而粘重，管理机行走阻力大，所以本设计高桥传动采用五级直齿圆柱齿轮传动，模数为6，可有效分担变速箱和中央传动的传动比，确保机械强度。前后驱动桥主减速器半轴直接啮合在高桥第一级齿轮上，中间经过三级齿轮过度，第五级齿轮直接与输出轴啮合，从而将动力传递给车轮，从而实现四轮驱动，结构简图如图1所示。其总长855mm，宽110mm，高桥最终传动比i0≈3。

图1 高桥传动示意图Fig.1 Schematic of high bridge transmission

2.6 行走轮胎

由于玉米种植间距小，选用轮胎一定要足够窄，又要考虑玉米秆的高度，保证管理机的通过性，所以该管理机应该使用窄而大的轮胎。不仅可以防止轮胎压玉米秆还可以获得较高的离地间隙，同时减少了土壤的压实，保护了土壤，实属一举三得。本前后行走轮胎都采用橡胶凸耳轮，为刚性轮胎，轮胎外径D0=1 335mm，宽度B0=130mm，如图2所示。

图2 轮胎示意图Fig.2 Schematic of tires

3 关键工作机构与系统设计

3.1 变速箱的设计

本设计将变速箱与分动器设计成一体，不仅可以变速又可将动力多向传动，且结构紧凑便于整体的布置[7]。其中，变速器齿轮选用成熟产品，提高了可靠性的同时又节约了成本。传动轴是承担扭矩的主要部件，所以针对轴进行专门的材料和尺寸选取，以其中一转轴为例：轴的材料选用合金结构钢40Cr，查资料知40Cr的弯曲疲劳极限δ-1=370MPa，扭转疲劳极限τ-1=210MPa。轴的扭转强度条件为

(3)

式中T—轴所传递的扭矩(N·m),T=170；

Wt—抗扭截面模量。

Wt=πd3/16mm3

将式(3)变形得到轴直径d的不等式(4)，即

(4)

式中C—系数;

[τ]—许用扭转剪切力。

由于前后轮胎直径相同，所以在分动时采用同一根轴将动力分别传至前后驱动桥。由于管理机使用的轮胎为刚性的，所以轮胎的变形可以忽略不计，便可认为前后轮的差速率为零，实现同速传动。管理机在农田工作时速度变化范围不大，所以变速分动器内有3个前进挡，2个倒退挡，各档传动比如表1所示，传动简图如图3所示。

表1 档位传动比比值表

1.Ⅰ轴 2.Ⅱ轴 3.Ⅰ～Ⅲ挡从动齿轮 4.Ⅱ轴常啮合齿轮 5.结合套 6.副动力输出轴 7.中间齿轮 8.最终传动齿轮 9.分动轴 10.被动齿轮 11.主动齿轮 12.倒挡齿轮 13.倒挡轴 14.Ⅱ～Ⅲ挡滑动齿轮 15.壳体图3 变速分动器传动简图Fig.3 Schematic of variable speed transfer transmission

3.2 传动系统的设计

该管理机的发动机不仅要行驶提供动力，还要为灌溉、中耕、施肥等提供动力，所以管理机的传动系统显得尤为重要[9]。整机传动方案如图4所示。

图4中，液压泵1直接连接在发动机2上，发动机2部分动力传至液压泵1，液压泵1将为转向器、转向横拉秆、升降系统、撒肥机等提供动力，形成一整套液压系统；发动机2通过发动机离合器3将动力传至变速分动器4，经过降速增距后将大部分动力通过万向节5传至前桥6和后桥9；然后动力经过前后桥的差速器、半轴传至前高立桥7和后高立桥10，最后将动力分别传至前轮8和后轮11，实现四轮驱动。同时，变速分动器内还设有后输出轴12，通过万向节5与齿轮分动箱13连接，实现二次分动。齿轮分动箱13将动力分成两路：一路与隔膜泵15相连，隔膜泵15将为喷洒装置提供动力；另一路通过万向节5与齿轮离合器14相连，当需要管理机中耕工作时，齿轮离合器啮合将为中耕机提供动力，不需要中耕时将齿轮离合器断开便可停止中耕机工作，最终实现管理机整机的动力传动。玉米田间管理机的底盘传动示意图，如图5所示。

图4 底盘传动方案Fig.4 Schematic of chassis transmission

1.液压泵 2.发动机 3.前轮 4.离合器 5.前高立桥 6.齿轮离合器 7.前桥 8.万向节 9.后桥 10.后高立桥 11.后轮 12.齿轮离合器 13.隔膜泵 14.齿轮分动箱 15.后输出轴图5 玉米田间管理机的底盘传动示意图Fig.5 Schematic of maize field management machine chassis transmission

4 整机的结构实现

4.1 底盘方案设计

底盘布置方案中，将发动机放在前车架上纵向布置，既可以保证前桥承载一定的质量，又可使离合器、变速分动箱等质量较大的部件尽量靠近前桥布置，证了管理机的通过性。根据上述的设计方案，底盘布置方案如图6所示。

4.2 管理机底盘结构实现

根据上述的底盘布置方案，进行结构装配并不断调整装配位置，最终得到管理机总体底盘结构设计方案，如图7所示。

1.前车架 2.发动机 3.离合器 4.转向器 5.齿轮离合器 6.齿轮分动箱 7.隔膜泵 8.齿轮离合器 9.后车架 10.后驱动桥 11.后高立桥 12.后轮 13.中间铰接箱 14.前驱动桥 15.前高立桥 16.前轮图6 管理机底盘布置方案图Fig.6 Schematic of management machine chassis layout

4.3 管理机整机结构布局实现

完成管理机底盘设计方案后对管理机的配套设备进行布置，得到整机结构布局如图8所示。将喷洒机构布置在前车架前端，采用龙门式升降架来控制喷秆的升降，喷杆为三段折叠式，两端的喷杆由双向电动拉杆控制。后车架尾部上端安置通用性三点悬挂，可以根据工作需要方便快捷地更换中耕机或者撒肥机，药液箱安置在后车架前端，使重心落在后桥位置上，合理分配整机质量。其中，喷杆的折叠、喷洒系统的控制阀和液压系统的控制阀都安装在操作台上，完成驾驶室的控制集成化，方便对整机的操纵，从而实现玉米田间管理机的全套工作。管理机外形尺寸(L×W×H)为5 400mm×2 040mm×3 000mm，离地间隙为1 200mm，空载总质量约620kg；水泵功率/转速为5.5kW/600r/min，药液箱容积为1 050L，撒肥箱容量为480L，中耕除草刀结构犁式为旋转式割刀。

1.前车架 2.发动机 3.离合器 4.转向器 5.齿轮离合器 6.齿轮分动箱 7.隔膜泵 8.齿轮离合器 9.后车架 10.后驱动桥 11.后高立桥12.后轮 13.中间铰接箱 14.前驱动桥 15.前高立桥 16.前轮图7 管理机底盘设计方案图Fig.7 The design drawing of management machine chassis

1.龙门式升降架 2.1号液压箱 3.发动机 4.柴油箱 5.液压控制阀 6.灌溉系统控制阀 7.双人座椅 8.二号液压箱 9.药液箱 10.悬挂系统 11.配套撒肥机 12.配套中耕机 13.中间过渡轴 14.转向横拉秆图8 管理机整机设计方案图Fig.8 The design drawing of the whole management machine

5 田间试验与结果

5.1 试验基本条件

田间性能试验在位于连云港东海县白塔镇王小埠村进行。试验地属于平原地区，土壤为壤土；当日环境温度为16.4℃，相对湿度为53.6%,大气压力为102.5kPa，土壤坚实度为247.5×104Pa。试验地块玉米收获后，秸秆粉碎机粉碎还田。秸秆覆盖量3.8kg/m2。试验分为3大部分，分别为喷洒试验、中耕试验和撒肥试验。

5.2 试验基本条件

本管理机试验结果，如表2所示。

表2 多功能铰接式管理机试验性能结果

6 结论

针对目前市场缺少多功能玉米田间管理机的问题，通过研究玉米种植、玉米地况和需要田间的管理作业设计了一套符合玉米种植前、中期的管理作业的高地隙强动力底盘。试验表明：该管理机满足通过性要求，各种玉米田间管理工作质量符合农艺要求(中耕除草、施肥、灌溉喷药)，性能可靠，真正实现了多功能、高效率及低成本的目标。

参考文献：

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[5] 杨刚.水稻田间管理机通用底盘的设计[J].农机化研究，2013，35(9)：40.

[6] 中国农业机械化科学研究室.农业机械设计手册[K].北京: 中国农业科学术出版社，2007.

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[8] 成大先.机械设计手册(5版)[K].北京:化学工业出版社，2010.

[9] 范文文.高地隙田间管理机的设计研究[D].太谷:山西农业大学，2015.