高地隙折腰式水田多功能動力底盤設計與試驗

王金武，唐 漢，沈紅光，白海超，那明君（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

高地隙折腰式水田多功能動力底盤設計與試驗

王金武，唐 漢，沈紅光，白海超，那明君
（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

針對目前水田農用底盤通用性差、轉彎半徑大、離地間隙低、田間行駛及爬坡越埂穩定性差等問題，結合東北地區水稻種植模式和農藝要求，該文設計了一種高地隙折腰式水田多功能動力底盤，闡述分析了底盤整體結構、傳動系統與工作原理。在靜態彎曲和扭轉工況下進行了有限元分析，得到了滿載量化狀態下車架載荷分布和薄弱部位，有限元分析表明：在滿載彎曲工況下，車架所受最大應力發生在平衡裝置搖擺軸處為130.70 MPa，最大位移發生在后車架發動機安裝梁處為1.56 mm；在滿載扭轉工況下，車架所受最大應力發生在右后懸架與縱梁連接處為255.44 MPa，最大位移發生在車架左縱梁與后橫梁連接處為9.44 mm，為后續開展車架薄弱區域的改進與輕量化設計提供重要依據。在此基礎上，對動力底盤的轉向性能、行駛性能和越埂性能進行了理論分析，并以行駛速度、最小轉彎半徑、最大爬坡角和最大越埂高度為試驗指標，進行了田間性能試驗。試驗結果表明：多功能動力底盤田間道路行駛速度范圍為1～14 km/h，水田行駛速度范圍為1～6 km/h，水田行駛最小轉彎半徑為3 200 mm，最大爬坡角為56o，最大越埂高度為533 mm，整機工作性能滿足田間管理作業要求，提高了水田綜合作業的高效性和適用性，實現動力底盤的一機多用。該研究可為水田田間管理作業的有效實施提供綜合應用平臺和技術支撐。

農業機械；設計；試驗；水田；動力底盤；高地隙；折腰轉向

0 引 言

水稻是中國主要糧食作物，其種植生產規模對糧食生產安全具有重要意義[1-3]。水田高效田間管理是水稻高產穩產的重要保證，同時有利于標準化農田建設。目前，中國水田綜合機械化程度較低[4]，尤其是田間管理作業方面，仍以人工勞力為主，其作業質量差、周期長，重復勞動強度大，一定程度上限制了水稻規?；?、標準化種植發展。

水田田間機械化管理是通過農業機具完成從插秧或直播過程至收獲前的秧苗運輸、除草施肥、植保噴藥等系列作業的技術。近些年，隨著水稻種植規模的不斷發展，國內主產區對其田間管理綜合作業機具的需求日漸迫切，國內農機科技人員也研制多種相關配套作業機具，主要通過與拖拉機懸掛連接，在實際水田轉彎、越埂及爬坡等過程中，整體仍存在操作勞動強度大、變速范圍小及配套農具少等問題，且缺少可適用于多種作業環節的承載機具[5-7]。國內外部分高校及科研院所重點對高地隙底盤驅動技術及機具進行相關研究[8-10]，多通過對插秧機底盤或四輪拖拉機進行改制，采用前輪轉向形式，轉彎半徑大，倒退轉彎過程中易造成作物碾壓損傷，且離地間隙低，重心位置高，田間行駛及爬坡越埂穩定性較差，無法完全適用于各種田間管理作業。

針對上述問題，結合東北地區水稻種植模式和農藝要求，綜合考慮作業效率、行走穩定性及普遍適用性等因素，為解決水稻生產及田間管理存在的實際問題，提高水稻全程機械化生產發展水平，本文重點展開了對高地隙折腰式水田多功能動力底盤的設計與試驗研究。

1 高地隙折腰式動力底盤整體設計

1.1 設計目標

水田作業環境較為復雜多樣，亟需田間管理作業的高通過性、高機動性通用動力機械，滿足病蟲害防治噴藥、施肥等工作部件的配套要求，保證作業過程中高地隙、輪陷小、順利越埂、減小傷苗和轉彎半徑小等要求，實現田間管理的一機多用[11]。本研究的設計目標是為水田田間實施各種作業提供綜合應用平臺，底盤可掛接不同農業機具完成運秧、施肥、除草及植保等多種作業。即：1）可順利通過高為500 mm的田埂或坡地，實現機具在路面至水田或水田田間的無阻礙行駛作業；2）作業行駛范圍廣（1～14 km/h），滿足各工況下平穩變速作業，實現機具田間作業與道路運輸的快速轉換；3）四輪驅動，穩定性好，爬坡越埂角度≥30°，抗翻傾性能強；4）水田轉向靈活，轉彎半徑小，結合東北地區水田中小地塊實際需求及實地調研考察，機具轉彎半徑≤3 500 mm；5）可配置運秧貨箱、施肥噴藥等作業部件，完成各類田間管理作業。

1.2 整體結構和工作原理

如圖1所示，高地隙折腰式水田多功能動力底盤主要由發動機6、前后車架15、7、車架平衡裝置14、車橋18、組合式變速箱9、折腰轉向系統（液壓油箱1、轉向油缸2、液壓油泵10、搖擺軸11、全液壓轉向機構17）、前后行走輪13、8及相關配件等組成。底盤采用液壓與機械結合的傳動方式，結合東北地區多種水田種植模式與農藝要求[12-13]，即常規水稻種植行距為300 mm，寬窄行種植行距為200 mm+400 mm，植保時期水稻植株高度為400～500 mm，設計配置底盤離地間隙、輪距及軸距等相關結構參數，提高機具利用率同時減少對植株機械損傷。為適應田間運秧、施肥和植保等頻繁越埂作業，應具有良好行駛穩定性和抗翻傾性，底盤機架采用鉸接方式將前后兩段車架連接，并配置車架平衡裝置，實現折腰轉向功用，其轉彎半徑小，轉向靈活。行走系統為四輪驅動，綜合考慮底盤刮擦、碾壓稻苗，具有足夠行走附著性能，下陷深度不宜超過硬地層等因素[14-15]，選取橡膠凸齒窄胎體輪胎，其直徑為1 200 mm，胎體寬為70 mm，提高整機的越壕溝能力和越垂直障礙能力。

圖1 高地隙折腰式水田多功能動力底盤Fig.1 High clearance roll-waist multifunctional power chassis for paddy field

多功能動力底盤配有液壓輸出系統及動力輸出系統，以實現病蟲害防治噴藥、施肥等各類田間管理作業。安裝運秧貨架可完成水稻秧苗田間運輸；安裝單圓盤撒肥裝置可完成水田施肥作業，動力由配套液壓系統提供，通過液壓馬達驅動圓盤撒肥裝置將顆粒肥料離心拋灑[16-17]；安裝噴藥裝置可完成水田植保作業，由動力輸出軸和液壓系統提供動力，藥液流經分配閥，一部分回流到藥箱進行調壓和攪拌，另一部分由噴頭噴出，液壓系統控制噴霧桁架的升降展開[18]。具體技術參數如表1所示。

表1 多功能動力底盤技術參數Table 1 Technical parameters of multifunctional power chassis

2 傳動系統設計

傳動系統采用傳統常規原則設計[13]，發動機分3路動力輸出，分別驅動液壓輸出系統、動力輸出系統和前后行走輪，動力輸出路線如圖2所示。發動機動力通過帶傳動和離合器傳至液壓輸出系統和組合式變速箱，由液壓輸出系統驅動底盤折腰轉向、懸掛農具升降及桁架展開等；由組合式變速箱輸出動力分2路，即一路通過動力輸出軸連接外置農業機具實施水田作業，另一路經變速箱及中央傳動的變速變扭后傳遞至前后差速器和減速器，將動力等量分配給左右半軸驅動行走輪運動，實現四輪行走驅動。

傳動系統總傳動比等于各部分傳動比的乘積，主要由發動機轉速、行駛速度及驅動行走輪直徑決定。為充分利用發動機功率，對各擋位傳動比進行合理分配，即

圖2 總體傳動系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall transmission system

為合理配置擋位數目及傳動比，同時滿足變速箱結構簡單緊湊、工作性能穩定等要求，選取ST6+2型組合式變速箱為動力底盤傳動核心，通過擋位較多的主變速箱和僅分高低擋的副變速箱串聯實現擋位變化[19]，其主變速箱配有3個前進擋和1個倒擋，副變速箱配有高、低擋2個擋位，組合后總計8個擋位。根據各級傳動裝置作業要求，對各組傳動比進行合理分配，其各級傳動比為

式中di為發動機與離合器帶傳動比；bi為主變速箱傳動比；gi為副變速箱傳動比；hi為中央傳動比；zi為行走輪終端傳動比。

通過各級傳動比關系，分別確定中央傳動比、行走輪終端傳動比和主、副變速箱傳動比，在滿足各類工作要求時，應適當加大行走輪終端傳動比[20-22]，減小主、副變速箱傳動比，縮小其結構尺寸，實現變速箱輕量化設計，具體傳動比分配如表2所示。

表2 各級傳動比分配方案Table 2 Distribution scheme of transmission ratio at all levels

3 車架結構設計與有限元分析

3.1 車架結構設計

車架作為多功能動力底盤的關鍵部件之一，占底盤整體質量的較大比例，其質量分布及動靜態載荷特性直接影響整體轉向、越埂和田間通過性。結合鉸接式和邊梁式車架特點[23-24]，設計車架整體為折腰鉸接式，前后車架由4根縱梁、10根橫梁和10根豎梁以焊接方式剛性連接，并通過鉸接裝置將2部分組合，車架總長為3 200 mm，寬為800 mm，其中前車架長為820 mm，后車架長為2 000 mm，如圖3所示。縱梁分別貫穿于前后車架，對其強度要求較高，選用截面為80 mm×40 mm×4 mm（長×寬×厚）的45號鋼成型方管制造。其中車架平衡裝置配置安裝在前車架下方，主要通過搖擺軸以鉸接形式與前車架橫梁掛接，調節越埂作業時車架總體平衡[25]，選用截面為40 mm×40 mm× 4 mm（長×寬×厚）的45號鋼成型方管制造。搖擺軸將前車架所承受載荷傳遞至前車橋，所需較大的抗彎強度，選用直徑為30 mm的Q235低碳鋼實心軸。在車架各結構完成必要功能前提下，運用有限元軟件對其整體剛度及強度進行模擬分析，以保證其具有承受多種工況下沖擊載荷的能力。

3.2 車架有限元分析

在此基礎上，利用三維建模軟件Creo Parametric 2.0建立車架參數化幾何模型，并導入至有限元分析軟件ANSYS Workbench 14.0。為提高仿真運行速度及精度，對車架幾何模型進行簡化處理，忽略部分安裝孔及凸臺，將倒角、圓角簡化為直角，并不考慮焊接工藝對車架材料組織特性影響。設定車架材料為45號鋼，彈性模量為210 GPa，屈服強度為355 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。采用ANSYS MESH模塊進行網格劃分[26]，通過Sizing 尺寸控制網格質量，根據實體模型大小和網格規模，在結構較簡單實體區域，網格劃分較稀疏（網格平均尺寸為0.743 mm），在裝配結合區域，劃分網格密度較大（網格平均尺寸為0.266 mm），整個模型共劃分22 879個實體單元，節點數為45 507個。

圖3 多功能動力底盤車架總體結構圖Fig.3 Overall structure diagram of carframe of multifunctional chassis with power train

由于水田作業環境的多樣性與復雜性，對車架整體剛度及強度要求較高，為檢驗其在滿載靜態狀態下實用性能（即勻速時車架彎曲和懸空時車架扭轉2種工況），添加動力底盤配置部件及承載等全部載荷，車架自身質量通過定義重力加速度施加，發動機、變速箱、液壓油箱等部件根據其在底盤實際位置以集中載荷形式施加相應節點，貨箱承載質量以均布載荷形式施加于左右縱梁[27]，模擬所需載荷類型與加載形式如表3所示。

表3 有限元分析中載荷類型與加載形式Table 3 Load type and apply form in finite element analysis

對勻速行駛過程中車架滿載狀態下的結構強度及剛度進行校核，模擬其應力分布和變形情況，選取滿載彎曲載荷系數為2.5[28]。在滿載彎曲工況下，應力分布如圖4a所示，其整體所受應力較小且多在35 MPa以內，在施加載荷的位置應力稍大，但遠小于材料的屈服極限強度355 MPa。車架所受最大應力發生在平衡裝置搖擺軸處為130.70 MPa。在滿載情況下車架各處的應力皆小于許用應力142 MPa（355/2.5），因而車架設計滿足力學性能要求。位移分布如圖4b所示，后車架前端區域與鉸接裝置發生位移較大，最大位移發生在后車架發動機安裝梁處為1.56 mm，主要由于后車架前端承受貨箱載荷的同時仍需支撐發動機等部件質量，此區域承受質量大于車架其他區域。由于左右縱梁相同區域變形量相等說明車架具有較好的載荷配比。

圖4 滿載工況下車架等效應力與軸向位移分布圖Fig.4 Distribution diagram of equivalent stress and axial displacement of carframe in full load condition

動力底盤在田間作業或行走時，由于路面凹凸不平常導致輪胎無法同時著地致使車架受力不對稱，形成對車架的扭矩作用，選取滿載扭轉載荷系數為1.3[29]。結合水田運輸路面實際狀態，設定分析各行走輪懸空扭轉工況下應力及變形情況，可知在承載質量800 kg，右后輪懸空時所受應力及變形最大，即在滿載扭轉工況下，應力分布如圖4c所示，車架所受最大應力發生在右后懸架與縱梁連接處為255.44 MPa，主要由于右后懸架自由度被完全約束且與縱梁剛性焊接連接，車架發生扭轉時該區域抗扭剛度阻礙抗扭變形而導致應力集中。車架整體所受應力基本保持在40 MPa以下，遠小于許用應力273 MPa（355/1.3），設計符合強度要求。位移分布如圖4d所示，最大位移發生在車架左縱梁與后橫梁連接處為1.62 mm。

基于有限元分析模擬結果，得到了在滿載工況下車架載荷分布和薄弱部位。在后續研究中應根據優化設計理論[30-31]重點開展車架薄弱區域的改進與輕量化設計研究工作，即以質量最輕為優化目標，車架結構中各梁截面尺寸為設計變量，車架固有頻率、材料屬性、結構位移量及應變值為狀態變量。

4 底盤性能分析

4.1 轉向性能分析

圖5為多功能動力底盤在水平地面上穩定轉向示意圖，轉向時通過轉向油缸的伸縮運動使前后車架發生偏轉，前車架繞轉向鉸接點轉過一定角度，而后行走架整體并未發生偏轉，前后行走輪的軸線交匯于一點，兩側車輪各軸上轉動平面始終保持平行。

圖5 多功能動力底盤折腰轉向原理圖Fig.5 Schematic diagram of articulated steering of multifunctional power chassis

由幾何分析可知，前行走輪外側車輪最小轉彎半徑為

動力底盤整體轉彎半徑與轉向鉸接點配置比例方位有關，即k<0.5時，R1>R2，動力底盤整體最小轉彎半徑為前行走輪外側車輪最小轉彎半徑R1；k=0.5時，R1=R2，動力底盤整體最小轉彎半徑為前行走輪外側車輪最小轉彎半徑R1或后行走輪外側車輪最小轉彎半徑R2；k>0.5時，R1

4.2 穩定性能分析

本研究重點對動力底盤縱向極限翻傾狀態進行分析，當動力底盤行駛或停止在縱向坡地時，抵抗沿縱向前后翻傾或滑移的能力，選取極限翻傾角進行評價[33]。當動力底盤勻速在上坡行駛時，由于上坡速度較小，可忽略空氣阻力，其近似于靜止停放在坡道上，如圖6a所示，忽略輪胎彈性變形，建立其力學平衡方程

圖6 多功能動力底盤縱向極限翻傾狀態分析Fig.6 Analysis of longitudinal limit tilting state of multifunctional power chassis

當動力底盤處于上坡極限翻傾臨界狀態時，土壤對前行走輪切向反作用力FT1=0，此時由式（7）分析可知，動力底盤縱向極限翻傾角與重心位置有關，上坡過程中當重力線位于后輪著地點前時，多功能底盤即避免向后翻傾。同理下坡極限翻傾臨界狀態分析如圖6b所示，此時動力底盤下坡極限翻傾角為

通過上述分析可知，動力底盤重心越低，穩定性越好，抗翻傾能力越強，在保證高地隙的前提下盡量降低底盤重心，同時合理配置底盤重心位置，運用有限元分析軟件ANSYS Workbench 14.0對動力底盤重心位置進行測定，得到動力底盤后軸至重心距離B為1 150 mm，動力底盤重心至地面垂直高度h為848 mm，將上述參數代入式（7）和（8）中，可得其上下坡極限翻傾角αlim和limα′分別為53.6°和49.8°。

4.3 越埂性能分析

田間作業時動力底盤須翻越田埂，開展各項水田管理作業，越埂性能是評價底盤通過性的重要指標，當底盤越埂時其作業速度較低，可簡化為靜力學問題進行研究[34]，重點對前后行走輪越埂狀態分析，以推導出動力底盤結構參數與越埂性能關系。對前行走輪越埂狀態進行力學分析，如圖7a所示，忽略輪胎彈性變形，建立其力學平衡方程

根據水田土壤實際作業狀態，選取土壤附著系數Ψ為0.5，將動力底盤相關結構參數代入式（12）中，可得前行走輪越埂高度S1為543 mm。

圖7 多功能動力底盤前后行走輪越埂狀態分析Fig.7 Analysis of climbing ridge state of front and rear wheels of multifunctional power chassis

在此基礎上，對后行走輪越埂狀態進行分析，如圖7b所示，建立其力學平衡方程

其中sinβ=S2L

將動力底盤相關結構參數代入式（14）中，可得后行走輪越埂高度S2為596 mm。分析可知，動力底盤前軸至重心距離A與動力底盤軸距L比值較小時，后行走輪越埂能力優于前行走輪。在實際作業過程中綜合前后行走輪越埂能力，以前行走輪越埂高度作為整機越埂能力指標[35]，在實際生產過程中水田田埂高度一般為250～300 mm，水田與田地坡高為400～500 mm，因此所設計的動力底盤可滿足水田越埂要求。

5 田間性能試驗

為檢驗所設計的水田多功能動力底盤作業性能，研究機具各項技術參數可靠性，結合理論分析與仿真模擬進行樣機底盤的試制，并配置貨箱及承載質量800 kg。于2016年5月—6月插秧時期在黑龍江省綏化市慶安縣稻田試驗基地進行田間性能試驗，如圖8所示。水田環境為黑壤土泥腳深度150 mm，水層深度40 mm，環境溫度19～22 ℃。測試工具為機械秒表（0～15 min，精度±0.1s）、鋼卷尺（0～10 m，精度±1 mm）、鋼板尺（0～300 mm，精度±1 mm），角度儀（0～360o，精度±0.1o）、SL-TYA型土壤堅實度測試儀（精度±0.1 kPa）、TZS-5X型土壤水分測試儀（精度±0.1%）和鐵鍬等。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

按照GB/T5667-2008《農業機械生產試驗方法》[36]對多功能動力底盤樣機行駛速度、轉彎半徑及越埂坡度3項指標進行檢測，其具體測試方法如下。

1）行駛速度：為滿足底盤樣機完成田間作業與道路運輸不同要求，分別選取長度大于100 m水田和平坦路面，將作業區域劃分為啟動調整區、有效試驗區及停止緩沖區，前后啟動區和停止區分別為5 m，在油門全開工況下測量各個擋位通過測試區所需時間，檢驗樣機行駛速度范圍。

2）轉彎半徑：在水田環境內底盤樣機以最低前進擋平穩行駛，轉向盤處于左轉或右轉的極限位置時保持不變，待平穩行駛360o后駛出測試區，在垂直方向利用鋼卷尺測量地面所留車轍軌跡圓半徑，當左右轉向誤差小于100 mm即認定其平均值為有效數據。

3）越埂坡度：結合實際環境對水田與田間道路、各田埂間埂坡角度、高度及堅實度進行測量（埂坡角度為20o～60o），使底盤樣機以最低前進擋行駛平穩翻越田埂，同時觀察底盤滑移及翻傾現象，保證安全作業。

在各工況條件下對每項指標進行重復3次檢測，人工處理取平均值，以評價機具作業性能，相關數據結果如表4所示。

表4 行駛速度、轉彎半徑、最大越埂角及越埂高度試驗結果Table 4 Experimental results of driving speed, turning radius, maximum climbing ridge angle and climbing ridge height

田間試驗結果表明，所設計的多功能動力底盤在田間道路行駛速度范圍為1～14 km/h，水田行駛速度范圍為1～6 km/h，水田行駛最小離地間隙560 mm，可滿足田間道路行駛及水田田間的各類作業要求。測定其水田行駛最小轉彎半徑為3 200 mm，適于中小地塊水田作業要求（小于要求半徑3 500 mm），驗證了折腰轉向應用于動力底盤的可能性和優越性，且與理論分析的轉彎半徑3 043 mm近似，產生誤差的原因可能主要由于理論分析忽略水田土壤下陷及滑移問題，造成實際測定大于理論最小轉彎半徑。在此試驗區域內樣機作業最大爬坡角為56o，最大越埂高度為533 mm，且隨越埂坡度及高度增加，樣機滑移現象逐漸明顯，行駛效率較低，無法保證安全有效行駛作業。由于水田作業環境復雜多樣，地表高低起伏，土壤物理及機械性能不同，在實際過程中田埂及坡地高度動態變化，所測試性能指標而非定值，根據不同作業條件將產生一定變化，但皆滿足水田田間管理技術要求。

6 結 論

1）結合東北地區水稻種植模式和農藝要求，研究設計了一種高地隙折腰式水田多功能動力底盤，闡述分析了底盤整體結構、傳動系統與工作原理。整機工作速度1～14 km/h，最小離地間隙560 mm，滿足作業過程中高地隙、順利越埂、轉彎半徑小和操作靈活等要求，為水田管理作業的實施提供了綜合應用平臺，同時避免了水田作業機械配套不同底盤結構而帶來的設計與制造方面的浪費。

2）在靜態彎曲和扭轉工況下進行了有限元分析，得到了滿載量化狀態下車架載荷分布和薄弱部位，有限元分析表明：在滿載彎曲工況下，車架所受最大應力發生在平衡裝置搖擺軸處為130.70 MPa，最大位移發生在后車架發動機安裝梁處為1.56 mm；在滿載扭轉工況下，車架所受最大應力發生在右后懸架與縱梁連接處為255.44 MPa，最大位移發生在車架左縱梁與后橫梁連接處為9.44 mm，為后續以優化設計理論為方法開展車架薄弱區域的改進與輕量化設計提供重要依據。

3）對動力底盤的轉向性能、行駛性能和越埂性能進行了理論分析，以行駛速度、最小轉彎半徑、最大爬坡角和最大越埂高度為試驗指標，進行了田間性能試驗。試驗結果表明：多功能動力底盤田間道路行駛速度范圍為1～14 km/h，水田行駛速度范圍為1～6 km/h，水田行駛最小轉彎半徑為3 200 mm，最大爬坡角為56o，最大越埂高度為533 mm，與各項技術指標要求（行駛速度范圍為1～14 km/h，最小轉彎半徑小于3 500 mm，最大爬坡角大于30o，最大越埂高度大于500 mm），整機工作性能滿足水田田間管理作業要求。

高地隙折腰式水田多功能動力底盤的設計研究可提高水田綜合作業的高效性和適用性，減輕作業勞動強度，為水田田間管理作業的創新研究和優化提供技術參考，促進中國水稻全程生產規?；?、集約化發展。

[1] 羅錫文，廖娟，胡煉，等. 提高農業機械化水平促進農業可持續發展[J]. 農業工程學報，2016，32(1)：1-11. Luo Xiwen, Liao Juan, Hu Lian, et al. Improving agricultural mechanization level to promote agricultural sustainable development[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(1): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[2] 馬旭，李澤華，梁仲維，等.我國水稻栽植機械化研究現狀與發展趨勢[J].現代農業裝備，2014(1)：30-36. Ma Xu, Li Zehua, Liang Zhongwei, et al. Current situation and trend of development of rice planting mechanization research in China[J]. Modern Agricultural Equipment, 2014(1): 30-36. (in Chinese with English abstract)

[3] 李耀明，徐立章，向忠平，等. 日本水稻種植機械化技術的最新研究進展[J]. 農業工程學報，2005，21(11)：182-185. Li Yaoming, Xu Lizhang, Xiang Zhongping, et al. Research advances of rice planting mechanization in Japan[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(11): 182-185. (in Chinese with English abstract)

[4] 馬旭，齊龍，梁柏，等. 水田田間機械除草裝備與技術研究現狀及發展趨勢[J]. 農業工程學報，2011，27(6)：162-168. Ma Xu, Qi Long, Liang Bai, et al. Present status and prospects of mechanical weeding equipment and technology in paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(6): 162-168. (in Chinese with English abstract)

[5] 張傳斌，余泳昌，吳亞萍. 高通過性四輪自走式煙草田間作業機的設計[J]. 農業工程學報，2011，27(11)：37-41．Zhang Chuanbin, Yu Yongchang, Wu Yaping. Design of high traffic ability four wheel self-propelled field machine for tobacco[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 37-41. (in Chinese with English abstract)

[6] 楊剛，申屠留芳，孫星釗，等. 稻田管理機通用底盤的研制[J]. 農機化研究，2013，35(1)：107-110. Yang Gang, Shentu Liufang, Sun Xingzhao, et al. The development of a versatile chassis for paddy land management machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013，35(1): 107-110. (in Chinese with English abstract)

[7] 劉美麗，楊福增，張季琴. 一種小型多功能田間管理機的設計[J]. 拖拉機與農用運輸車，2011，38(3)：82-84. Liu Meili, Yang Fuzeng, Zhang Jiqin. Design of small-sized and multi-purpose field management machinery[J]. Tractor and Farm Transporter, 2011, 38(3): 82-84. (in Chinese with English abstract)

[8] 范國強，張曉輝，王金星. 四輪菱形布置農用高地隙作業機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(2)：84-89. Fang Guoqiang, Zhang Xiaohui, Wang Jinxing. Design and test of high clearance agricultural machine with four-wheel diamond arrangement[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 84-89. (in Chinese with English abstract)

[9] 胡紅，李洪文，李傳友，等. 稻茬田小麥寬幅精量少耕播種機的設計[J]. 農業工程學報，2016，32(4)：24-32. Hu Hong, Li Hongwen, Li Chuanyou, et al. Design and experiment of broad width and precision minimal tillage wheat planter in rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 24-32. (in Chinese with English abstract)

[10] 左興建，武廣偉，付衛強，等. 風送式水稻側深精準施肥裝置的設計與試驗[J]．農業工程學報，2016，32(3)：14-21．Zuo Xingjian, Wu Guangwei, Fu Weiqiang, et al. Design and experiment on air-blast rice side deep precision fertilization device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 14-21. (in Chinese with English abstract)

[11] 齊興源，周志艷，楊程，等. 稻田氣力式變量施肥機關鍵部件的設計與試驗[J]．農業工程學報，2016，32(6)：20-26．Qi Xingyuan, Zhou Zhiyan, Yang Cheng, et al. Design and experiment of key parts of pneumatic variable-rate applicator rice production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(6): 20-26. (in Chinese with English abstract)

[12] 王金武，唐漢，王金峰，等. 1DSZ-350型型懸掛式水田單側旋耕鎮壓修筑埂機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(1)：25-37. Wang Jinwu, Tang Han, Wang Jinfeng, et al. Design and experiment on 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 25-37. (in Chinese with English abstract)

[13] Zhang T, Petrov G. Finite element approximation for the three dimensional well model[J]. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2015 (277): 47-56.

[14] 劉宏新，鄭利雙，徐高偉，等. 標準四驅水田自走底盤轉向驅動橋設計與工程結構分析[J]. 農業工程學報，2015，31(8)：54-60. Liu Hongxin, Zheng Lishuang, Xu Gaowei, et al. Design and engineering structure analysis on paddy-field chassis steering drive axle with standard all-wheel-drive[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 54-60. (in Chinese with English abstract)

[15] 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. Zhao Ying, Zhang Ruihong, Xiao Suwei, et al. 2ZG-6DK high-speed transplanted chassis frame structure analysis and optimization[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2012(6): 96-100. (in Chinese with English abstract)

[16] 邱威，丁為民，申寶營. 3WZ-700型果園噴霧機通過性能分析[J]. 農業機械學報，2012，43(6)：63-67. Qiu Wei, Ding Weimin, Shen Baoying. Analysis on traffic ability of 3WZ-700 orchard sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(6): 63-67. (in Chinese with English abstract)

[17] 張華，鄭加強. 4WD型農藥噴霧機液壓四驅底盤直行同步控制方法比較及驗證[J]. 農業工程學報，2016，32(23)：43-50. Zhang Hua, Zheng Jiaqiang. Comparison of straight line driving synchronous control methods and validation of 4WD sprayer chassis with hydraulic power[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 43-50. (in Chinese with English abstract)

[18] 陳書法，張石平，孫星釗. 水田高地隙自走式變量撒肥機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(11)：16-21. Chen Shufa, Zhang Shiping, Sun Xingzhao. Design and experiment of self-propelled high-ground-clearance spreader for paddy variable-rate fertilization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(11): 16-21. (in Chinese with English abstract)

[19] 王光明，張曉輝，朱思洪，等. 拖拉機液壓機械無無級變速箱換段過程液壓故障診斷[J]. 農業工程學報，2015，31(6)：25-34. Wang Guangming, Zhang Xiaohui, Zhu Sihong, et al. Hydraulic failure diagnosis of tractor hydro-mechanical continuously variable transmission in shifting process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 25-34. (in Chinese with English abstract)

[20] 王寶山，王萬章，王淼森. 全液壓驅動高地隙履帶作業車設計與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(增刊1)：471-476. Wang Baoshan, Wang Wanzhang, Wang Miaosen. Design and experiment of full hydraulic drive high clearance tracked vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(Supp.1): 471-476. (in Chinese with English abstract)

[21] Wines T, Burton R, Schounau G, et al. Dynamic and steady-state analysis of an auto-regulator in a flow divider and /or combiner value[J]. Transaction of the ASME, 1992, 114(6): 306-313.

[22] 王光明，朱思洪，史立新，等. 拖拉機液壓機械無級變速箱換段控制優化與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(18)：51-59. Wang Guangming, Zhu Sihong, Shi Lixin, et al. Experimental optimization on shift control of hydraulic mechanical continuously variable transmission for tractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 51-59. (in Chinese with English abstract)

[23] 吳偉斌，廖勁威，洪添勝. 山地果園運輸機車架結構分析與優化[J]. 農業工程學報，2016，32(11)：39-47．Wu Weibin, Liao Jinwei, Hong Tiansheng. Analysis and optimization of frame structure for wheeled transporter in hill orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 39-47. (in Chinese with English abstract)

[24] 張娜娜，趙勻，劉宏新. 高速水稻插秧機車架的輕量化設計[J]. 農業工程學報，2012，28(3)：55-59. Zhang Nana, Zhao Yun, Liu Hongxin. Light design of frame for self-propelled chassis rice transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(3): 55-59. (in Chinese with English abstract)

[25] 陳雨，陳隨英，杜岳峰，等. 基于摩擦阻尼的高地隙農機底盤懸架減振特性[J]. 農業工程學報，2016，32(7)：51-57. Chen Yu, Chen Suiying, Du Yuefeng, et al. Damping characteristics of chassis suspension system of high clearance agricultural machinery based on friction damper[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 51-57. (in Chinese with English abstract)

[26] 邱白晶，何耀杰，盛云輝. 噴霧機噴桿有限元模態分析與結構優化[J]. 農業機械學報，2014，45(8)：112-116，105．Qiu Baijing, He Yaojie, Sheng Yunhui. Finite element model analysis and structure optimization of spray boom[J]. Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery, 2014, 45(8): 112-116, 105. (in Chinese with English abstract)

[27] 蔣亞軍，廖宜濤，秦川，等. 4SY-2.9型油菜割曬機機架振動分析及改進[J]. 農業工程學報，2017，33(9)：53-60．Jiang Yajun, Liao Yitao, Qin Chuan, et al. Vibration analysis and improvement for improvement for frame of 4SY-2.9 typed rape windrower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 53-60. (in Chinese with English abstract)

[28] Sambin V S, Wadhwa D S, Grewal P S. Development of a rotary blade using three-dimensional computer graphics[J]. Biosystems Engineering, 2004, 89(1): 47-58.

[29] Little J P, Adam C J. Geometric sensitivity of patient-specific finite element models of the spine to variability in user-selected anatomical landmarks[J]. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2015, 18(6): 676-688.

[30] 楊方飛，閆光，郝云霄，等. 基于剛柔耦合仿真模型的高地隙噴霧機轉向機構特性[J]. 吉林大學學報：工學版，2015，45(3)：857-863. Yang Fangfei, Yan Guang, Hao Yunxiao, et al. Study on the characteristics of steering system for high clearance sprayer based on rigid-flexible coupling simulation model[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2015, 45(3): 857-863. (in Chinese with English abstract)

[31] Yang Zhuanzhao, Liu Daoxin, Zhang Xiaohua. Finite element method analysis of the stress for line pipe with corrode groove during outdoor storage[J]. Acta Metallurgica Sincia, 2013, 26(2): 188-198.

[32] 中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊：1版[M].北京：機械工業出版社，1988.

[33] 陳志，周林，趙博，等. 玉米收獲機底盤車架疲勞壽命研究[J]. 農業工程學報，2015，31(10)：19-25. Chen Zhi, Zhou Lin, Zhao Bo, et al. Study on fatigue life of frame for corn combine chassis machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 19-25. (in Chinese with English abstract)

[34] 郭浩亮，穆希輝，楊小勇，等. 四橡膠履帶輪式車輛轉向力學性能分析與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(21)：79-86. Guo Haoliang, Mu Xihui, Yang Xiaoyong, et al. Mechanics properties analysis and test of four rubber tracked assembly vehicle steering system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 79-86. (in Chinese with English abstract)

[35] 胡書鵬，尚業華，劉卉，等. 拖拉機轉向輪轉角位移式和四連桿式間接測量方法對比試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(4)：76-82. Hu Shupeng, Shang Yehua, Liu Hui, et al. Comparative test between displacement and four-bar indirect measurement methods for tractor guide wheel angle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 76-82. (in Chinese with English abstract)

[36] 全國農業機械標準化技術委員會. 農業機械生產試驗方法：GB/T5667-2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

Design and experiment of high clearance roll-waist multifunctional power chassis for paddy field

Wang Jinwu, Tang Han, Shen Hongguang, Bai Haichao, Na Mingjun
(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Rice is the most important crop in China, which has the largest plant area, the highest per area yieldand the most total output. The production scale of rice has important significance to the development of grain production safety. The field management of paddy field is important guarantee for rice growth and the construction of standardized farmland. At present, some regions in China are still in manual labor to manage paddy field, and the comprehensive mechanization has low level, poor quality, long operation period, and high labor intensity. Some Chinese scientific research institutes and agricultural machinery enterprises have focused on high clearance chassis technology, and developed a variety of related supporting work equipment. Most equipment are improved through transplanter chassis or four-wheel tractor, which have low ground clearance, high center of gravity, low working efficiency, and large turning radius, and cannot meet the requirements for paddy field management operations. In this case, a high-clearance roll-waist multifunctional power chassis for paddy field was designed, in view of meeting the agronomic requirements of rice planting in the northeast region of China. The overall structure, transmission scheme and working principle of the multifunctional chassis with power train were illustrated and analyzed. The three-dimensional model was used for its parametric modeling, and the model was imported to FEA (finite element analysis) software ANSYS Workbench 14.0 to analyze the carframe. Different experimental conditions were simulated to calculate stress and deformation of the frame, and the stress of the main deformed part was measured, which provided the basis for the weak area improvement and lightweight design of the following frame. The finite element analysis results showed that: Under the full load bending condition, the maximum stress experienced was 130.7 MPa at the roll of the balance device, and the maximum displacement was 1.56 mm at the rear carframe; under the full load condition, the maximum stress occurring was 255.44 MPa at the junction of the right rear suspension and the stringer, and the maximum displacement was 9.44 mm at the junction of the left and right beams of the carframe. On the basis, the steering performance, running performance and climbing ridge performance of the multifunctional chassis with power train were analyzed theoretically. The field performance experiment was carried out with the driving speed, the minimum turning radius, the maximum climbing ridge angle and height as response indices. The test results showed that: The driving speed in field road was 1-14 km/h, the driving speed in paddy field was 1-6 km/h, the minimum turning radius was 3 200 mm, and the maximum climbing angle and height were 56oand 533 mm, respectively. The high clearance articulated multifunctional chassis with power train can meet the requirements for paddy field management operations, which has the characteristics of high ground clearance, small turning radius and flexible operation. The research results in this paper can provide the comprehensive application basis and technical support for the effective implementation of paddy field management.

agricultural machinery; design; experiment; paddy field; chassis with power train; high clearance; roll-waist

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.005

S219.8

A

1002-6819(2017)-16-0032-09

王金武，唐 漢，沈紅光，白海超，那明君. 高地隙折腰式水田多功能動力底盤設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(16)：32-40.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.005 http://www.tcsae.org

Wang Jinwu, Tang Han, Shen Hongguang, Bai Haichao, Na Mingjun. Design and experiment of high clearance roll-waist multifunctional power chassis for paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 32-40. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.005 http://www.tcsae.org

2017-01-25

2017-07-20

現代農業產業技術體系建設專項資金資助（CARS-01）；國家重點研發計劃項目（2017YFD0701305）

王金武，男，黑龍江慶安人，教授，博士生導師，主要從事田間機械和機械可靠性領域研究。哈爾濱 東北農業大學工程學院，150030。Email：jinwuw@163.com