多功能底盤技術研究方法可行性探索

王立軍　靳曉燕　陳寶昌　李存斌　孫士明

摘 要：為突破傳統(tǒng)農(nóng)用動力拖拉機的應用技術瓶頸問題，以填補我國農(nóng)用多點懸掛、全方位液壓電力多形式動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具空白為目的，滿足農(nóng)機化新技術對高性能供電系統(tǒng)、高性能液壓動力輸出系統(tǒng)、高性能懸掛系統(tǒng)動力底盤及與之配套的關鍵田間作業(yè)功能部件的迫切需求，為變量作業(yè)技術、智能監(jiān)控技術、信息化技術在農(nóng)業(yè)機械上的應用消除了一項瓶頸問題。文中通過探索農(nóng)用多點懸掛、全方位動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具的可行性研究方法，以期給國內(nèi)同行在多功能底盤技術的后續(xù)研究和應用提供借鑒與參考。

關鍵詞：多功能底盤;多點懸掛;多點動力輸出;電液驅(qū)動

中圖分類號：S220.3文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.008

0 引言

我國傳統(tǒng)農(nóng)用動力拖拉機，與之配套的農(nóng)機具多采用后懸掛（國外有少數(shù)拖拉機配前懸掛系統(tǒng)），動力輸出都為機械輸出軸，此類懸掛和動力輸出方式存在的問題是：（1）與此類拖拉機配套的農(nóng)機具必須自成一體，拖拉機與農(nóng)具的融合度較低，無法將藥箱、肥箱、種箱等承裝或載重類部件安裝在拖拉機底盤中上部，比如播種機的肥箱、種箱，植保機械的藥箱必須配置到農(nóng)機具上，因此帶來的是拖拉機縱向穩(wěn)定性降低的問題;（2）動力輸出軸轉(zhuǎn)速為固定值，與之配套農(nóng)具需要配置變速箱，且速度調(diào)整很難做到無極變速;（3）懸掛在拖拉機后部的農(nóng)具由于距離拖拉機轉(zhuǎn)向輪較遠，拖拉機行進方向的不穩(wěn)定性會較大程度的影響播種、耕作類機械的對行精度和耕深精度;（4）動力輸出只能連接一個功能件，無法適應多功能聯(lián)合作業(yè)時對多條件多點動力輸出的要求;（5）拖拉機輪距調(diào)整為人工調(diào)換輪輻的安裝方向，而且輪距不能夠無級調(diào)整;（6）傳統(tǒng)拖拉機地隙已經(jīng)滿足不了作物中后期田間管理作業(yè)的需求;（7）傳統(tǒng)拖拉機皆為前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑較大，無法適應地頭區(qū)域比較狹窄的地塊作業(yè)需求;（8）傳統(tǒng)拖拉機與農(nóng)業(yè)裝備新技術兼容性差，很難在其上做與新技術含量較高的農(nóng)機具改造;（9）幾乎不可能把農(nóng)機裝備新技術移動試驗臺架、移動試驗平臺、移動試驗站設計在傳統(tǒng)拖拉機上。因此，研究開發(fā)靜液壓驅(qū)動多點懸掛（前中后）、全方位動力輸出底盤是一種可拓展性很強的全新底盤，可以從根本上解決上述問題，為農(nóng)業(yè)裝備智能化、信息化、集約化、節(jié)能節(jié)本增效和新技術的綜合應用提供可擴展性的基礎動力平臺，為農(nóng)具技術進步解決了瓶頸問題同時又研發(fā)出與之配套的關鍵農(nóng)機具，為田間作業(yè)農(nóng)機裝備創(chuàng)新技術構建了一個與傳統(tǒng)拖拉機技術路線平行的新技術試驗平臺。

國外發(fā)達國家部分廠家的拖拉機有配置前后雙懸掛雙動力輸出的產(chǎn)品，美國CASE、John Deere、愛科.維美德等公司，而靜液壓驅(qū)動的底盤很少，即便是有也多為專用底盤，比如美國CASE、John Deere、丹麥Hadi的自走噴霧機專用底盤的液壓驅(qū)動閉式系統(tǒng)的高壓泵、行走馬達和驅(qū)動橋技術已非常成熟，行走、轉(zhuǎn)向、地隙和輪距調(diào)整均采用靜液壓驅(qū)動、四輪獨立驅(qū)動和懸掛，全智能化操縱。高地隙底盤配套的噴霧系統(tǒng)普遍集成機電液一體化、精準控制、高精度定位與變量作業(yè)等技術。如美國Hagie公司的驅(qū)動STS16型自走式噴霧機配備300馬力發(fā)動機，離地間隙可達2 m以上，幅寬可達40 m，藥箱容積6058 L，配備歐洲“Green Star”施藥系統(tǒng)，采用衛(wèi)星定位、自主導航及變量施藥方式作業(yè)，保證了高精度施藥性能。丹麥Hardi公司的Alpha4100型自走式施藥機，采用雙氣流輔助噴霧技術可減少藥液飄移、作業(yè)速度提高一倍以上、節(jié)省農(nóng)藥30%以上。

綜上所述，研發(fā)農(nóng)用多點懸掛、全方位動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具可填補我國農(nóng)用多點懸掛、全方位液壓電力多形式動力輸出多功能底盤技術及關鍵配套機具空白，滿足農(nóng)機化新技術對高性能供電系統(tǒng)、高性能液壓動力輸出系統(tǒng)、高性能懸掛系統(tǒng)動力底盤及與之配套的關鍵田間作業(yè)功能部件的迫切需求，為變量作業(yè)技術、智能監(jiān)控技術、信息化技術在農(nóng)業(yè)機械上的應用消除了一項瓶頸問題。

1 與多功能底盤相融合的功能部件技術解析

（1）高速精量播種關鍵部件及智能監(jiān)控技術。本項技術應著重解決作物不同播種方式、種植參數(shù)對機械化高速播種與農(nóng)藝適應性問題;研究種子特性與高速排種防損傷機理相適應的低傷種率問題;研究漏播堵塞故障診斷技術，保證高速作業(yè)播種質(zhì)量;研究高速播種單體仿形技術，實現(xiàn)播深一致性精確調(diào)控。

（2）精量施藥技術。以主糧、經(jīng)濟作物為作業(yè)對象，探索霧滴在生長中后期冠層中的運移、穿透與沉積機理，研究霧滴防漂移和均勻沉積的精準施藥技術和最佳噴霧模式優(yōu)化技術，研發(fā)基于不同生長期形態(tài)和實時作業(yè)環(huán)境信息反饋的精準施藥調(diào)控技術，開發(fā)在線變量混藥、大幅寬噴桿動態(tài)調(diào)平、基于智能控制的作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測控制技術。

（3）精量配混深施肥技術。研究智能控制技術驅(qū)動計量排肥裝置動態(tài)控制排肥量的方法;研究利用氣流實現(xiàn)固態(tài)肥的輸送、防沉降結團、混拌及均勻分配技術。

（4）精準耕耘變量施肥技術。針對農(nóng)田耕耘施肥精量化程度低的問題，研究低阻脫附節(jié)能作業(yè)技術;研究基于農(nóng)田環(huán)境和作物信息反饋與機具之間的交互關系解決現(xiàn)有耕作機具中存在的精量化程度低和效率低等問題。

2 與多功能底盤相融合的功能部件可行性研究

首先從模塊化、整機優(yōu)化及輕量化技術研究入手，分析市場需求，確定整機方案與明確設計目標，構建模塊與子系統(tǒng)功能定義、模塊通用性與互換性定義兩個任務體系，通過結構布局拓撲優(yōu)化、模塊與系統(tǒng)優(yōu)化、加工材料與工藝優(yōu)化研究方法，建立整機設計集成平臺同時考慮輕量化設計要求，形成整機總體設計方案。

其次以總體方案為基礎，進一步確定高地隙底盤和系列多功能機具的結構參數(shù)與動力匹配參數(shù)，在整機設計方案參數(shù)確定的同時做充分的整機工作穩(wěn)定性、可靠性和耐久性分析;集成高地隙靜液壓底盤與動力輸出技術、精量施藥技術、固液態(tài)肥精量配混施肥技術、精準耕耘施肥技術等關鍵共性技術，搭建多功能整機集成平臺;集成高地隙靜液壓驅(qū)動智能控制模塊、精準施藥控制模塊、精量施肥控制模塊、在線反饋質(zhì)量監(jiān)控模塊，開發(fā)整機智能控制系統(tǒng)及整機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)整機智能控制與作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控。

最后在各模塊開發(fā)過程中構建各功能部件試驗測試平臺、各性能評價指標與可靠性評價方法，對行駛速度、轉(zhuǎn)向性能、動力輸出、牽引性能、極限負載、偏載工況、播種性能、耕耘性能、施藥性能、配混肥性能、施肥性能、除草性能、培土性能等進行充分測試，形成綜合測試性能試驗報告，為改進優(yōu)化設計提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

3 與多功能底盤相融合的整機研究方法

本研究方法在研究的關鍵技術基礎上，將先進成果整合集成，借助虛擬現(xiàn)實技術建立配套裝置及整機仿真模型，針對整機工作工況分別模擬各項性能仿真測試，實現(xiàn)整機動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化;利用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)實現(xiàn)基于整機工況模擬的精準耕耘、精量播種、精量施藥、混配施肥、氣流輔助、靜電噴霧、精量配混過程中整機控制器、電機控制器等電控系統(tǒng)的仿真測試及各系統(tǒng)優(yōu)化設計;在各關鍵總成及其控制器性能優(yōu)化基礎上，完成各功能的關鍵部件模塊化設計及整機匹配集成;最后借助整機試驗測試，完成整機的性能評估及定型設計。在該過程中，課題利用虛擬仿真技術、硬件在環(huán)技術、整機試驗技術等技術手段，逐步完成整機由前期設計到定型樣機的設計，技術路線環(huán)環(huán)相扣、由仿真到試驗、由虛擬到樣機，最終實現(xiàn)物理樣機、試驗樣機和定型樣機的整機集成制造，從技術路線及方案設計方面保證了課題的順利執(zhí)行。

試驗方案環(huán)節(jié)：以樣機性能及可靠性為測試目標，在關鍵零部件、關鍵總成、整機等環(huán)節(jié)進行包括振動噪聲試驗、臺架試驗、整機性能試驗、整機安全性試驗等在內(nèi)的各項試驗測試，針對試驗中所暴露的問題進行整改，從而提高整機各項性能指標及可靠性。試驗方案設計幾乎包括了研發(fā)、生產(chǎn)過程所需要的全部試驗測試，試驗方案全面、合理、滿足課題在試驗環(huán)節(jié)方面的要求，利用試驗、檢測設備，構建測試試驗平臺，運用計算機測控技術、半物理仿真測試技術、網(wǎng)絡測試技術等方法進行關鍵裝置的性能和可靠性試驗，并針對試驗中所暴露的問題進行整改。從試驗方面保證研究的順利開展。

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