液壓后驅式輕型農機水田自走底盤的設計

楊瑩+周偉權

摘要：水田地形較復雜，且工作量繁多，導致水田機械相較于其他機械較為落后。設計一種液壓后驅式輕型農機水田自走底盤，闡述總體設計方案與要求，介紹關鍵部件的詳細設計，并通過試驗驗證進行理論分析，以期為加快水田機械的發展提供參考。

關鍵詞：水田機械；底盤；液壓后驅；Solid works；PRO/E

中圖分類號：S229.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）10-0012-04

目前，在農村水田應用較廣的作業機械主要是小型手扶拖拉機。但因我國的手扶拖拉機生產規模小、成本高，且自身質量大、操作安全性較差、使用維修成本高，加上農民又普遍缺乏維護知識，使得手扶拖拉機的應用受到了限制。因此，研究新型的輕型農機水田自走底盤，對于發展農村農業機械化、加快農民脫貧致富、促進農業經濟發展有著重要的現實意義。

我國是農業大國，水田的比重非常之大，水稻種植面積約3 300萬hm2，占全國總耕地面積的1/4以上[1]，水田的產能在中國糧油安全戰略規劃中占有極其重要的地位。大量數據表明，在主要糧食作物生產中，水田的綜合機械化水平最低，近年水稻平均機械化程度約 50.0%，其中水田耕整 65.0%、栽植 13.7%、植保 55.0%、收獲 51.2%。在總體水平不高的同時，還存在著諸如水稻種植機械化這樣“瓶頸”中的“瓶頸”問題[2]。對于水稻插秧機，雖然我國已掌握核心工作部件的關鍵技術，但整機受限于沒有國產高性價比底盤支持而無法大量推廣與應用。盡管國內人員做了大量的工作，但產品仍然存在著一系列的問題[3]。

針對上述問題，從解決性能方面入手，利用Solid works及PRO/E等分析軟件，擬設計不同于現有底盤的液壓后驅式輕型農機水田自走底盤，并通過試驗驗證進行理論分析。

1 總體設計方案與要求

隨著農村經濟的發展，農村摩托車使用量不斷增大。一臺普通汽油機與相同功率的柴油機相比，其質量約為柴油機的1/3，而且汽油機耗油量低、使用方便、價格便宜。目前，大部分手扶拖拉機的功率為8.8 kW（12馬力），質量為350 kg左右；而普通125摩托車發動機的最大功率可達7.5 kW左右，可基本滿足驅動小型農機具的作業要求[4]。

現代的車輛及機具的行走裝置主要使用純機械、液力、液壓和電力4種傳動方式。與其他傳動方式相比，液壓傳動方式具有布局靈活方便，無級調速范圍寬，起步、調速及換向柔和、迅速、沖擊小，以及操作舒適等優點[5]。在農業機械行走機構中采用液壓傳動可以大大改善行走機械的工作性能。采用125摩托車發動機為配套動力，與液壓傳動方式相結合，設計一種輕型農機水田自走底盤，可增加底盤的自適應能力和改善發動機等部件的工作環境。

由于底盤主要用于水田作業，因此底盤在總體上應滿足簡小、輕體、通過性好、推進力強的要求。同時，要求底盤有較小的轉彎半徑、后輪差速、前橋浮動、與行走速度同步的動力輸出和具備農機具懸掛系統等功能。

2 底盤結構設計

底盤的車體主要由車架、前橋、驅動系統、轉向系統等部分組成（如圖1所示）[6]。車架采用圓形鋼管三角形連接的方式，簡化了車架的結構；前橋相對于車架可繞軸浮動，保證了底盤的4個輪子在不平的地面均能著地；驅動系統為雙液壓馬達并聯驅動方式，可實現底盤的前進、轉向差速、后退、停車等動作；轉向系統的方向盤通過轉向上軸、轉向下軸與齒輪齒條轉向器連接，上軸、下軸、轉向器間的連接為萬向節連接[7]。

3 底盤液壓系統設計

底盤的液壓系統分為驅動系統、升降系統、動力輸出系統3個部分（如圖2所示）。

3.1 液壓驅動系統

一泵雙馬達并聯能實現底盤的前進、轉向差速、后退、停車等動作。系統中的三位四通手動換向閥1用于控制底盤的前進、后退、停止，當其位于中位時，底盤處于停車狀態；當其位于左位時，底盤處于前進狀態；當其位于右位時，底盤處于后退狀態。馬達支路上安裝有高壓球閥，手工撥動球閥控制桿在不同位置可控制底盤的行走速度、單輪速度和實現制動。

3.2 液壓升降系統

拖拉機上的懸掛機構采用液壓傳動方式早在20世紀30年代就開始了，目前液壓懸掛系統已發展得比較完善，它可以控制農具的升降，根據土壤阻力的大小自動調節耕深，也可以根據拖拉機與農具的相對位置的高低自動調節農具的相應位置，因此現代大中型輪式拖拉機和部分履帶拖拉機都設置了液壓懸掛裝置。本底盤的升降系統主要由二位三通電磁閥、節流閥、單向閥、油缸和限位開關組成。當電磁閥2位于左位時，打開節流閥，油缸在懸掛物的重力作用下慢慢下降，控制節流閥的開度可以控制下降的速度；當其位于右位時，關閉節流閥，油缸上升，到達預定位置時將其轉回左位，升降高度即可保持。當油缸上升到最高位置時，限位開關使電磁閥斷電后回復至左位，油缸自動停止上升。

3.3 動力輸出系統

動力輸出系統主要由馬達、二位三通電磁閥、單向閥組成。當電磁閥3位于左位時，馬達啟動，并與傳動系統的兩個馬達串聯，從而可實現動力輸出系統的速度與行走速度相匹配；當其位于右位時，馬達停止，此時動力輸出系統不工作。在此，單向閥可以防止在動力輸出系統不工作時系統油液沖擊馬達。

4 轉向系統

底盤的轉向系統（如圖3所示）主要安裝在前橋桿上。轉向系統使用齒輪齒條轉向器，方向盤通過上軸、下軸與轉向器連接，上軸、下軸、轉向器間的連接為萬向節連接。當路面不平使前橋左右浮動時，通過兩個萬向節的作用使方向盤的動能平穩地傳遞到轉向器，從而提高底盤轉向的穩定性和可靠性。輪邊的轉向節使用專門設計的小型轉向節，這種轉向節有體積小、質量輕、性能穩定、安裝方便等優點。

5 應力分析

車架作為車體的關鍵部件，其受力安全與否直接影響底盤性能的好壞，因此有必要對車架進行受力分析。Pro/E軟件的Mechanica模塊提供了結構分析和熱力分析功能，可以對零件或者組件進行靜態分析、模態分析、屈曲分析、接觸分析、預應力分析及振動分析等，還可以根據熱力狀態進行靈敏度分析和優化設計。根據車架的受力情況（如圖4所示），在 Mechanica模塊中對車架進行結構分析，得到車架的應力應變圖。

車架為3根鋼管通過彎板開孔套入焊接而成，鋼管外徑45 mm，壁厚5 mm，彎板厚8 mm。根據測量與計算，發動機、發動機安裝架、乘坐人員對車架的作用力F1=1 200 N，農機具對車架的作用力F2=1 600 N，液壓馬達的最大驅動力F3=1 930 N。經分析，得出車架的受力應力圖（如圖5所示）。

由圖5可以看出：車架應力最大值出現在后橋與兩彎板的連接處，最大應力為 119.9 MPa。

作為農用機械，作業環境較復雜，設計時必須進行安全系數方面的考慮，假設安全系數n=1.3，那么設計的車架的最大應力為155.9 MPa，小于234.0 MPa。因此，車架的設計有較大的安全儲備，若進行批量生產，可以對車架進行優化，得到最佳的零部件尺寸。經分析，得出車架的受力應變圖（如圖6所示）。

由圖6可以看出：車架受力應變最大值出現在后橋的中部，即農機具掛接板附近，最大應變為0.82 mm。綜上所述，車架設計選材合理。

6 結論

底盤采用125摩托車發動機與液壓傳動系統相結合，實現了底盤的動力匹配，增強了底盤的自適應能力，改善了發動機等部件的工作環境；底盤的液壓系統可實現一泵同時驅動兩輪馬達差速行走、同步動力輸出和液壓油缸升降的功能；本設計的底盤質量為200 kg，與目前大部分手扶拖拉機（質量一般為350 kg左右）相比，達到輕體的設計要求。

參考文獻

[1] 趙映，張瑞宏，肖蘇偉，等.2ZG-6DK高速插秧機底盤車架結構分析與優化[J].中國農機化，2012（6）：96-100.

[2] 羅錫文.對加速我國農業機械化發展的思考[J].農業工程學報，2011（4）：1-8，56.

[3] 邢海博.中型輪式車靜液壓傳動系統的結構設計及其有限元分析[D].天津：天津大學，2005.

[4] 張志偉.小動力底盤及機具在我省水田地區的適應性[J].農機化研究，1986（4）：1-4.

[5] 邢海博.中型輪式車靜液壓傳動系統的結構設計及其有限元分析[D].天津：天津大學，2005.

[6] 曾愛平，邱秀麗，李志偉.液壓驅動式水田自走底盤車體的虛擬樣機設計[J].2011（9）：143-145.

[7] 曾愛平，邱秀麗，趙娜，等.液壓后驅式輕型農機水田自走底盤的設計[J].2010（7）：149-151.