基于AVL CRUISE的果园喷雾机底盘动力系统匹配研究

于嘉伟 高琦 徐文鑫 赵绍统 代传阳 李骏鹏

摘要：针对果园的工作环境和作业需求，对果园喷雾作业机进行动力系统匹配研究。分析了果园喷雾机底盘设计要求，确定了底盘动力与传动系统的参数和主要性能指标。使用AVL CRUISE仿真软件建立了果园喷雾机底盘动力系统仿真模型，设置了该底盘运行工作的任务需求，根据底盘实际工况进行了典型性能指标的仿真，通过分析仿真结果，验证了果园喷雾机底盘动力系统匹配的合理性。

Abstract： According to the working environment and operation requirements of the orchard， the matching of power system of a orchard spraying machine is studied. The design requirements of the orchard sprayer chassis are analyzed， and the parameters and the main performance indexes of the power system and transmission system of the chassis are determined. Then the simulation model of chassis power system of orchard sprayer is established by using AVL CRUISE simulation software. The task requirement of the chassis operation is set up， and the typical performance indicators are simulated according to the actual working conditions of the chassis. The simulation results verifies that the matching of the chassis power system of the orchard sprayer is reasonable.

关键词：果园;喷雾机底盘;动力匹配;仿真

Key words： orchard;sprayer chassis;power matching;simulation

中图分类号：U462.31                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0019-04

0  引言

当前水果逐渐变成了人们生活的必需品，相应果园产业规模逐渐扩大，果园机械化生产也得到了快速发展。在果园生产过程中，喷雾作业占較大的比重，人工喷雾效率低、劳动强度大、成本高，而且农药残留对人体有一定的危害。当前针对宽幅、大面积种植的果园，已经成功研制了多种大型、自动化程度较高的喷雾作业机，实现了喷雾机械化作业。但是针对行距株距比较小的矮密化果园，普遍存在大型喷雾作业机具适应性差、作业功能单一、机器闲置率高等问题，现已成为制约我国矮密化果园机械化发展的瓶颈之一。其中主要原因之一是喷雾机底盘动力系统的合理匹配没有得到足够重视。喷雾机底盘动力系统匹配的研究对促进果园喷雾作业效率与作物质量的提高，具有重要价值。本文主要针对一款果园喷雾机底盘，通过建模仿真，实现喷雾机底盘合理的动力系统匹配。根据真实的喷雾机底盘工作环境，提出来了喷雾机底盘需要满足的各种性能需求指标，设计合适的底盘动力系统匹配方案，在AVL CRUISE软件中，搭建了喷雾机底盘的仿真模型，建立了喷雾机底盘典型仿真工况，将仿真结果与性能指标对照，验证了果园底盘动力系统匹配合理性。通过本文研究，可以给果园喷雾机设计过程中提供关于底盘部件参数选择的建议，为适应多种果园的喷雾机生产奠定了基础。

1  果园喷雾机底盘设计要求

1.1 底盘动力系统匹配要求分析

果园地形受地域因素影响，底盘的主要工作环境有平原、山区人工林地两种。其中平原地形的特点为地势平坦，道路的主要形式为土路，最大坡度一般为8%。而山区人工林地主要建立在丘陵和坡地上，其主要的特点为土路较多，且缓坡较多，一般其坡度值分布在8～26%。基于果园各种不同类型的地形条件，本文提出了果园喷雾机底盘的设计要求，能够满足多数崎岖山区及平原地形果园的使用，其基本性能指标如表1。

果园中道路宽度狭窄，不平度较高，常出现缓坡和坑洼，底盘在设计时应具有较小整机宽度，同时选用履带式行驶机构，以保证底盘具有较好的道路通过性、爬坡能力，以及较小的转弯半径。设计的整机三维图如图1所示。

综合考虑果园喷雾剂底盘的实际工作环境，初步拟定整机基本参数如表2所示。

根据果园喷雾作业特点，喷雾机底盘动力性应满足：最高行驶速度不低于6km/h，最大爬坡度不小于26%，行驶车速从0～6km/h加速时间不超过6s，最大牵引力不低于2400N。

1.2 底盘传动系统布置方案确定

根据果园喷雾作业环境的需求，需要保证喷雾机底盘在各种路况下均有较好的动力性能，且满足作业所需车速要求，选择汽油机驱动的动力传动系统布置方案。发动机放置于底盘的前端，与离合器直接相连，离合器输出轴与变速箱机械连接，动力经由变速箱传递至差速器后向两个半轴进行传递，两个半轴上各安装一个减速器，最终经过减速器减速、增扭的作用，动力被传递至半轴末端的履带行走机构，驱动轮带动履带滚动最终实现喷雾机行走。喷雾机的底盘传动系统布置方案如图2所示。

由于果园喷雾机主要在果园内进行喷雾作业，工作环境较为单一，同时为了降低操作难度，选择一种前一倒一型变速箱，有一个前进挡，一个后退挡，可以灵活的应用于底盘的行进与工作过程中。

2  果园喷雾机底盘动力与传动系统参数确定

2.1 发动机性能参数确定

2.1.1 发动机功率的确定

①最高行驶速度下的发动机功率。

果园喷雾机在实际作业过程中，底盘行驶速度通常会低于最高行驶速度，但其工作环境为丘陵、山地时，路面不平度高，常伴有坑洼、缓坡，因此喷雾机底盘应有一定的后备功率，以保证底盘具有一定的爬坡能力。综合分析果园喷雾机底盘的作业工况，确定其发动机功率应大于底盘在最高行驶速度时所受到的滚动阻力与空气阻力之和，如式（1）所示。

式中：Pev—发动机在最高行驶速度下的最大功率，W;t—传动系统效率; m—整机最大质量，kg;f—滚动阻力系数;Cd—空气阻力系数;A—车辆迎风面积，m2;vmax—喷雾机底盘最高行驶速度，m/s。

②最大爬坡度下的发动机功率。

若果园喷雾机以行驶速度通过va最大坡度角为max的道路，则发动机在最大爬坡度下的最大功率Pe？琢可由式（2）计算得到。

式中：Pe—发动机在最大爬坡度下的最大功率，W;t—传动系统效率;m—整机最大质量，kg;f—滚动阻力系数;Cd—空气阻力系数;A—车辆迎风面积，m2;max—喷雾机底盘爬坡时的最大坡度角，°;va—喷雾机底盘爬坡时的行驶速度，m·s-1;imax—喷雾机底盘爬坡的最大坡度值。

2.1.2 发动机扭矩、转速的确定

果园喷雾机底盘在爬坡工况下，发动机应能输出满足爬坡条件的扭矩，此时确定的发动机扭矩应满足：

式中：Tmax—发动机在最大爬坡度下的最大扭矩，N·m;i0—为减速器的传动比;r—滚动半径，m;max—喷雾机底盘爬坡时的最大坡度角，°;va—喷雾机底盘爬坡时的行驶速度，m/s;imax—喷雾机底盘爬坡的最大坡度值;m—整机最大质量，kg;f—滚动阻力系数。

当喷雾机底盘转向时，发动机输出力矩驅动履带转动实现转向。转向过程中，需要克服很大的转向阻力矩，此时发动机输出的扭矩计算式为如式（4）所示。

式中：Tz max —发动机在转向时的最大扭矩，N·m;？浊z—转向阻力系数;Mu—转向阻力矩，N·m;B—轮距，m; r—车轮半径，m。

为保证喷雾机底盘可以在正常作业速度下行驶，发动机的额定转速可由式（5）确定。

式中：ne—发动机额定转速，r/min;ve—底盘常规行驶速度，km/h;ie—变速器的传动比;io—减速机的减速比;r—车轮半径，m。

发动机的最高转速可有最高车速确定，如式（6）所示。

式中：nmax—发动机最高转速，r/min;ie—变速器的传动比;io—减速机的减速比;vmax—底盘行驶最高速度，km/h;r—车轮半径，m。

经理论计算可得出发动机的额定功率为2.45kW，额定扭矩为33N·m。根据理论计算结果，初步选定一款发动机，其主要参数如表3所示。

2.2 传动比的确定

传动系统参数匹配是底盘动力与传动匹配的主要环节。根据果园喷雾机底盘的最高行驶速度，可确定最小传动比范围，如式（7）所示。

式中：iz min—喷雾机底盘的最小传动比;r—车轮半径，m;vmax—喷雾机底盘的最高行驶速度，km/h;np—底盘处于最高车速时对应发动机转速，r/min。

根据喷雾机底盘实际工作时所需的最大爬坡度，可以确定最大传动比范围，如式（8）所示。

式中：izmax—喷雾机底盘的最大传动比;？浊t—传动系统效率;r—车轮半径，m;m—整机最大质量，kg;f—滚动阻力系数。

经计算得出喷雾机传动系统的传动比的取值范围为15.19≤i≤18.43，确定传动比为18。

3  果园喷雾机底盘动力性仿真与分析

3.1 仿真模型建立

根据所确定的果园喷雾机底盘整体布置方案，在CRUISE中建立果园喷雾机的整机仿真模型，包括车身模型、离合器模型、发动机模型、变速器模型、差速器模型、减速器模型、车轮模型以及驾驶控制模型等。所建立整机仿真模型如图3所示。

3.2 仿真任务设置

根据果园喷雾机的实际工况，设置果园喷雾机底盘为满载状态，建立的仿真任务有：稳态行驶能力、加速能力、爬坡能力、最大牵引力。

3.2.1 稳态行驶能力

果园喷雾机在实际工作过程中，需要保证稳定行驶状态，设置稳态行驶能力仿真工况，分析满载状态下底盘的最高行驶速度。

3.2.2 全负荷加速能力

果园喷雾机底盘的加速能力表现为从加速开始到加速结束，稳定在最高行驶速度所需的时间。原地起步加速时间通常是指，车辆从静止状态起步，以最大加速能力升至某一车速所需要的时间。设置喷雾机底盘的全负荷加速能力仿真工况，分析底盘的原地起步加速时间。

3.2.3 爬坡能力

考虑到果园中土壤环境坑洼、缓坡居多，果园喷雾机底盘需具有一定的爬坡能力，设置爬坡能力仿真工况，分析建立的果园喷雾机底盘爬坡度。

3.2.4 牵引能力

最大牵引力能够直接反映车辆的动力性能。对于果园喷雾机底盘来说，最大牵引力应在一个合适的范围之内，过大导致能量的浪费，过小导致在实际过程中难以挂载喷雾装置工作。设置牵引能力仿真工况，分析底盘最大牵引力。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 稳态行驶能力仿真验证

果园喷雾机底盘稳态行驶能力仿真结果如图4所示，喷雾机由静止状态起步，达到最高行驶速度6.9km/h，大于拟定的喷雾机最大行驶速度6km/h，因此稳态行驶能力仿真分析中，可验证底盘动力匹配方案的合理性。

3.3.2 全负荷加速能力仿真验证

图5为果园喷雾机底盘全负荷加速能力仿真结果。图5所示，在0-2.1km/h行驶速度范围内，喷雾机底盘加速经过的时间较长。在2.1-6.3km/h范围内，底盘行驶速度增加的较快，在6.3km/h之后底盘行驶速度增加缓慢。从静止加速到拟定的理论最高车速6km/h共用了4s，符合设计要求。

3.3.3 爬坡能力仿真验证

果园喷雾机底盘爬坡能力仿真结果如图6所示。从图6中可以看出，当果园喷雾机底盘行驶速度达到在3km/h左右，最大爬坡度为47.5%，超过了设计，拟定的性能指标26%，由此可以验证底盘爬坡度能力满足设计要求上，动力系统匹配方案合理。

3.3.4 牵引能力仿真验证

图7为喷雾机底盘牵引能力仿真结果。从图7可以看出当底盘的行驶速度处于2.4-4.2km/h时，其牵引力超过2400N。当行驶速度达到3km/h时，喷雾机达到最大牵引力2790N，当喷雾机速度超过3.6km/h之后，喷雾机底盘最大牵引力开始逐渐下降。最大牵引力为2790N大于设计时拟定的性能指标值2400N，由此可以验证在牵引能力要求上，动力系统匹配方案合理。

4  结论

本文主要针对一款果园喷雾机底盘，通过建模仿真，实现喷雾机底盘合理的动力系统匹配。首先，根据真实的喷雾机底盘工作环境，提出了喷雾机底盘需要满足的各种性能需求指标，设计了合适的底盘动力与传动系统匹配方案;然后，根据喷雾机作业的性能要求，通过理论计算，确定了其底盘动力与传动系统的关键参数;最后，在AVL CRUISE中搭建了喷雾机底盘的仿真模型，建立了喷雾机底盘典型仿真工况，将仿真结果与性能指标对照，验证了果园底盘动力系统匹配合理性。果园喷雾机底盘采用汽油发动机驱动，发动机额定功率为2.45kW，额定扭矩为33 N·m，传动比为18。通过本文研究，可以给果园喷雾机设计过程中提供关于底盘部件参数选择的建议，为适应多种果园的喷雾机生產奠定了基础。

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