高地隙四驱植保机可变轮距、轴距机架设计设计

湖 南 农 业 大 学全日制普通本科生毕业设计高地隙四驱植保机可变轮距、轴距机架设计HIGHLAND GAP ALL-WHEEL-WRIVE EPPO MACHINE VARIABLE WHEEL TRACK AND WHEELBASE CHASSIS DESIGN 学生姓名：龙遗剑 学 号：201140970123 年级专业及班级：2011级车辆工程教育（1）班 指导老师及职称：石毅新 讲师 学 院：教育学院 湖南长沙 提交日期：2015年5月湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除设计中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体在设计中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录 摘要1 关键词1 1前言2 1.1研究的目的和意义2 1.2研究现状和发展趋势2 1.3主要内容2 2可变轮距、轴距机架概述3 2.1可变轮距、轴距机架作用3 2.2机架构成3 2.3可变轮距、轴距机架结构形式及优缺点3 2.4可变轮距、轴距机架设计要求4 3可变轮距、轴距机架选择4 3.1可变轮距、轴距机架结构特点4 3.2机架结构分析4 4技术参数确定5 4.1主要技术参数5 4.2可变轮距、轴距性能参数5 4.3机架最小最大离地间隙参数5 4.4机架长宽参数6 4.5机架总体设计要求6 5关键系统结构设计7 5.4轮距调整系8 5.5轴距调整系9 5.6液压装置10 5.6.1液压缸的选择10 5.6.2液压缸压力10 5.7液压缸的选择10 5.8液压缸压力10 6应力强度校核及设计计算8 6.1轮边杆长和平行四边形杆长10 6.2杠杆强度校核及选材9 6.2.1竖直杠杆强度校核10 6.2.2倾斜杠杆弯曲应力校核及选材11 6.3螺栓剪应力校核及选材12 6.4机架设计13 6.4.1机架尺寸选定13 6.4.2机架强度校核13 7整体设计要求14 7.1轮边液压缸及支撑杠杆布置方式及结构14 7.2底盘布置方式及结构15 7.3可变轴距、轴距图文分析16 8结论17 参考文献18 致谢18高地隙四驱植保机可变轮距、轴距机架设计学 生：龙遗剑指导老师：石毅新（湖南农业大学教育学院，长沙410128） 摘 要：随着农业现代化进程的发展，现有手动和依靠拖拉机动力的牵引或悬挂式植保机， 已不能满足现代化农业植保作业自动化的要求。随着杂交水稻的成长，机器在作业时底盘高度要逐渐升高。（底盘高度可调，离地间隙要大，行驶稳定 性和通过性好、作业效率高、一机多能的功效）。机器在给水稻施肥和授粉时轮距和轴距要可变（增大轮距轴距可增加机器行驶的稳定性），满足杂交水稻制种不同环节的农艺技术要求。关键词：植保机；高地隙；轮距；轴距；底盘Highland Gap All-Wheel-Wrive Eppo Machine Variable Wheel Track and Wheelbase Chassis DesignStudent：LONG Yijian Tutor：SHI Yixin(College of Education, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract:With the development of agricultural modernization ,existing trailed or suspended fog machines already cant satisfy the need of automation of modern agricultural machinesopration.Along with the growth of the hybird rice,during operation the chassis of the machine is supposed to raise gradually.（Ride height is adjustable and clearance from the ground, driving stability and good through sex, high working efficiency, one machine can effect）To meet the agricultural technical requirements of different link in the production of hybird rice seed,when the machine is fertilizing and pollinating the rice ,its tread and wheelbase should be variable. Key words:Eppo machine;Highland gap; Wheel base;Wheel base;Chassis1 前言1.1 研究的目的和意义目前市面上能见到的植保机的轮距和轴距都是不可变的，而这个新植保机的轮距和轴距都是可变的，可根据需求调节轮距和轴距，从而满足其他植保机不能完成的田间作业要求。高地隙在目前还算是个比较新的领域，有很多空白。本课题对高地隙机型进行了设计，设计遵循使用原则，能为真正的生产提供方案。1.2 研究现状和发展趋势解决中国十三亿人口的温饱问题，是保持国内安定团结的首要问题，只有立足国内农业，发展国内农业，才是解决问题的根本出路。植物保护机械与农药、防治技术一样是化学防治的三大支柱之一。在旧中国，几乎没有植保机械。新中国成立后党和政府大力发展农业，特别是十一届三中全会以来，中央及各级政府把农业、农村、农民“三农”问题作为工作重点，把农业问题放在工作的首位，农业经济得到了飞速发展，随之农业机械也有了长足的发展，植保机械也从无到有。从少到多地发展起来。国内针对现有国产拖拉机底盘离地间隙小，不能满足农作物的植保和喷施脱叶剂作业要求的问题。比如，石河子科委科技开发中心开发出了高地隙拖拉机，该产品是比如，石河子科委科技开发中心开发出了高地隙拖拉机，该产品是在现有的铁牛55拖拉机基础，采用左右两套齿轮传动装置及齿轮箱，太高拖拉机机身，增加地隙，可使提留55拖拉机地隙由原来的45cm，提高到90cm以上。增加地隙，可使提留55拖拉机地隙由原来的45cm，提高到90cm以上。高地隙的拖拉机在国内还没有形成系列，大多处于改装阶段。介于高地隙拖拉机在中耕有很大的应用前景，本设计借用了现有的拖拉机作为基础进行的。日本直升机植保技术居领先地位，从2 0世纪90年代起就将无人直升机用于大田作物、果树和蔬菜的病虫害防治 、施肥和品质管理上，日本农用无人机因其独特的优势得以快速发展，已经从1995年的307架增加到现在的2400多架。可以说 ，在日本这种无人直升机播种、耕作、施肥、喷洒农药、病虫害防治等无所不能。 目前，日本国内水稻种植总面积的45都靠无人直升机来进行病虫害防治。日本总约533.33万公顷农田常年保持近3000架无人直升机作业。日本还重视飞行人才的培养，已经取得执照的操控人员达到6000多人。 因此， 在日本采用无人机进行农业生产已成为现代化农业发展趋势之一。 在飞行植保这个新兴领域，美国、日本、韩国等发达国家走在前列，他们在器械设备研制、药剂研制、智能化设备及植保应用技术等方面都给我国提供了可借鉴的经验。必须认识到直升机植保技术无疑是农业现代化进程中一场伟大的变革，必将推进农资市场竞争 的空中争夺战，必将引起我国土地资源、农业栽培模式、农业经营规模等方茴的变革，尤其是加速病虫害统防统治的进程。1.3 主要内容可变轮距和轴距机架概述、可变轮距和轴距底盘作用、可变轮距和轴距底盘构成、可变轮距和轴距底盘结构形式及优缺点、可变轮距和轴距底盘结构特点、技术参数确定、底盘布置方式及结构、可变轮距和轴距性能参数。一般把地隙高于65cm的植保机成为高地隙拖拉机，但就具体而言并没有通用的定义。根据不同的动力方式，以及驱动轮的不同我们同事设定了三种机型作为设计对象。包括高地隙机械驱动植保机，高地隙液压驱动植保机以及高地隙四驱植保机。本设计主要从四轮驱动、可变轮距和轴距出发，以结构简单，操作简易为依据。选定满载功率6.1KW立式水冷柴油发动机。确定0.65米至1.15米地隙高。2 可变轮距、轴距机架概述2.1 可变轮距、轴距机架作用轮距、轴距和机架高度是汽车主要参数不可或缺的一部分，而轮距、轴距和机架高度在植保机里显得同样的重要。随着农业现代化进程的发展，现有的植保机很难满足现代化农业植保作业自动化的要求。可变轮距、轴距和底盘的植保机才是目前市场所需的植保机，随着种物渐渐的长高，植保机的底盘高度也要增大，为了增大植保机在工作时的稳定性必须加大轮距和轴距，所以轮距、轴距底盘可变的植保机在农业机械中尤为重要。底盘真高后，机械施肥、授粉和施药时就不会损坏农作物，同事越过障碍物的能力越强，工作时更加方便。2.2 机架构成底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。2.3 可变轮距、轴距机架结构形式及优缺点可变轮距的结构形式由一个平行四边形构成，如下图1所示 ，平行四边形展开后轮距会增大。体积较大是最大的缺点。 图1 平行四边形机构Fig 1 Parallelogram mechanism可变轴距的结构形式主要由一个液压缸组成的一个三角架结构，三脚架稳定性比较好，如图2所示可变轴距用液压三脚架。主要缺点是液压压力分配难度较大。 图2 可变轴距用液压三脚架Fig 2 Variable hydraulic tripod wheelbase底盘高度的变化是随着轴距和轮距的变化而变化的。当轴距增大时，底盘的高度就会跟着增大。当轮距增大时，底盘的高度也会跟着增大。2.4 可变轮距、轴距机架计要求(1)良好行驶稳定性。植保机在田间工作时，行驶过程中稳定性要好，当底盘高度增大时在保证行驶稳定性的条件下对应的轮距和轴距尽可能的要小。(2)良好的操纵稳定性。当轴距和轮距发生变化时，植保机的操纵稳定性要好，工作人员在变化植保机的轴距和轮距时，植保机不能存在轴距和轮距变化不稳定的现象，操纵要流畅顺滑，操纵可靠性要高，不能存在前后左右的轴距和轮距操纵变化不统一的现象。(3)结构紧凑、占用空间少。3 可变轮距、轴距底盘选择3.1 可变轮距、轴距底盘结构特点因轴距和轮距都是可变的，底盘高度随着轮距和轴距的变化而变化，故这个新的植保机与其他的植保机的结构不同、传动方式也不同，前轮和前轮之间没有直接的联系分别通过液压三脚架跟平行四边形机构相连接。平行四边形机构跟底盘直接连接。轴距的变化是通过液压三脚架来改变，通过改变液压缸内的流量和压力来改变轴距，轮距的改变是通过与液压三脚架相连接的平行四边形机构来改变，通过展开或收拢平行四边形来增大或缩小轮距。这种结构比较简单紧凑，维修和保养方便，传动比较复杂，可靠性高，操纵稳定性好等特点。3.2 机架结构分析这个植保机的机架结构并不是很复杂，底盘上部是一个回转平台，回转平台是用来安放发动机、变速器和传动装置等。回转中心应放在前后两轴中间和左右两轮胎的中间，即植保机的重心位置。底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。传动系是通过中间的回转平台传送到机架下部再传送到轮胎，行驶系是将传动系传来的动力通过车轮转化为汽车的驱动力，转向系采用四轮转向，四个轮子同时转向且四个轮子的转动方向相同。植保机的机架离地高度很大，而且高度可调，所以机架高度的变化要配合好轴距轮距的变化。4 技术参数确定4.1 主要技术参数 表1 植保机重心倾斜角度行进速度表Table 1 Plant protection machine center angle speed table参照样机 新植保机 备注 重心高度 1100mm重心高度1750mm 升高650重心位置 座椅中心重心位置 座椅中心 爬坡度15度爬坡度15度 不变左右最大倾斜度12度左右最大倾斜度12度 增加20行进速度18Km/h行进速度15Km/h减少3Km/h 表2 主要部件重量预计Table 2 Main parts weight is expected部件名称重量发动机 190KG水箱 50KG行走部分（车轮+支腿部分传动+平行四边形机构+可变支腿）160+KG车架（未含附在上面的传动件等）42KG中心回转平台 240KGA液压系统（全液压驱动） 60KGB 驱动系统（机械传动）喷雾系统+风幕 电瓶 其余附件 93+KG 总计 1000KG施肥器 80KG4.2 可变轮距、轴距性能参数表3 可变轮距、轴距性能参数Table 3 Variable wheel track and wheelbase performance parameter名称距离 名称 距离增量最小轴距1800mm 最大轴距 2200mm400mm最小轮距1600mm 轮距2200mm600mm4.3 机架最小最大离地间隙参数表4 底盘最小最大离地间隙参数Table 4 Chassis minimum maximum clearance parameters from the ground条件底盘数据最小轴距1800mm和最小轮距1600mm时 底盘最小离地间隙 650mm最大轴距2200mm和最小轮距1600mm时 底盘高度增大至750mm最大轴距2200mm和轮距最大2200mm时 底盘高大离地间隙1250mm4.4 机架长宽参数如图3部分机架效果图，长度为3400mm,宽度为1100mm。图3 部分机架效果图Fig3 Part o f the chassis rendering4.5 机架总体设计要求能够适应水稻，玉米和棉花等种植模式，实现玉米植保全程作业要求，机器轴距1.82.2m,轮距1.62.2m、地隙高度0.651.265m.工作幅度9.62m.高度调节范围2.4252.7m,采用机械式四轮驱动，四轮转向且四轮转动方向相同。如图4 机架整体设计图。图4 机架整体设计图Fig 4 Chassis design as a whole5 关键系统结构设计5.1 轮距调整系为适应不同水稻，玉米和棉花等种植模式，扩大机器作业范围，新的高地隙植保机采用前后轮距可调方式，实现前后轮距可调。前后轮都采用轮胎支撑横轴与平行四边形机构进行横向收缩配合，实现轮距可调。如图7所示。图7 前、后轮距调整机构Fig 7 Before and after wheel base adjustment mechanism5.2 轴距调整系光轮距调整已经满足不了农业植保机作业需求，轴距可调也将渐渐成为植保机的必备条件，新的高地隙植保机采用前后同时调整来改变轴距大小，实现前后轴距可调，提高了植保机行驶稳定性。前后都采用液压缸的伸缩来改变轴距大小，液压缸跟三角形的支撑架配合，实现轴距可调，如图8所示。图8 前后轴距调整机构Fig 8 before and after the wheel base adjustment mechanism6 应力强度校核及设计计算6.1轮边杆长和平行四边形杆长以及角度关系轮边杆长、平行四边形杆长和角度大小这三个数值中的任何一个发生变化都会改变其他两个数值。轮边杆长、平行四边形杆长和角度大小是没有专门的计算公式能准确算出来的，所以，唯一的方法就是一个一个数值带进去验算（逐个验算法），得出来的数值越接近设计需要的数值就可以，然后对比每组参数大小选出最佳配对。首先要保证轮距有600mm的变化量，轴距有400mm的变化量，机架离地间隙增量600mm，地隙验算结果要保证增量之和等于或接近600mm。不能使液压缸轴线与竖直杆件轴线平行，竖直杆件长度暂定480mm。如表5逐个带入验算表。表5 逐个带入验算表Table 5 into the check list one by one轮边杆长轮边杆夹角平行四边形杆长平行四边形夹角地隙增高300mm60度600mm30度663mm290mm 60度600mm30度659mm轮边杆长轮边杆夹角平行四边形杆长平行四边形夹角地隙增高285mm60度600mm30度657mm280mm60度600mm30度655mm270mm 60度600mm 30度651mm360mm60度600mm30度647mm250mm 60度600mm30度643mm300mm60度550mm33度620mm290mm60度550mm33度616mm270mm60度550mm 33度608mm260mm60度550mm33度604mm250mm60度550mm33度600mm300mm60度500mm36.9度543mm320mm60度500mm36.9度550mm340mm60度500mm36.9度556mm360mm60度500mm36.9度562mm400mm60度500mm36.9度572mm440mm60度500mm36.9度581mm480mm60度500mm36.9度589mm525mm60度500mm36.9度597mm300mm60度530mm34.5度580mm320mm60度530mm34.5度586mm340mm60度530mm34.5度592mm360mm60度530mm34.5度598mm300mm60度570mm31.8度628mm280mm60度270mm31.8度620mm300mm60度540mm33.7度592mm320mm60度540mm33.7度598mm325mm60度540mm33.7度600mm从以上表得出有3组数值合适，地隙高最接近600。经过总体分析，轮边杆长度325mm，夹角60度，平行四边形杆长540mm，夹角33.7度，地隙增高600mm，这组数值最合适。当轴距阔大至2200时，轮边两根杆件的夹角从开始的120度变为165.7度。6.2 杠杆强度校核及选材机器总重量约G=1150Kg，故6.2.1 竖直杠杆强度校核竖直杠杆承受最大的是压缩，故选择材料铸铁HT200，许用应力200MPa。如图9竖直杠杆，选择方钢来承受压力。杆件长度选择480mm。 图9 竖直杠杆Fig 9 Vertical lever截面积A：（1）截面积取值，农业机械为防止最恶劣情况发生，截面积取值为算得的最小面积的3倍多。（如图10所示竖直杠杠受力图）6.2.2 倾斜杠杆弯曲应力校核及选材如图10倾斜杠杆所承受的最大应力为弯曲应力，选择45号钢材。许用弯曲应力100MPa（如图11）。选择矩形截面。图10 竖直杠杆受力图Fig 10 Vertical lever by trying to图11 倾斜杠杆Fig 11 Tilt lever计算最危处险弯矩矩形截面杆件抗弯截面系数：（2）（3）取（4） 截面积取值，农业机械为防止最恶劣情况发生，截面积取值为算得的最小值的1.5倍左右。6.3 螺栓剪应力校核及选材（1）如图12 螺栓受力图，螺栓承受最大的应力为剪应力，选择材料Q235,许用剪切强度为235MPa。图12 螺栓受力图Fig 12 Bolt by force剪力（5）（6）截面积取值，农业机械为防止最恶劣情况发生，截面积取值为算得的最小值的2.5倍左右。即选用螺栓直径都用10mm，平行四边形与倾斜杠件连接处的螺栓所受剪力是最大的。（2） 平行四边形螺栓剪力校核。D=8mm。经校核强度足够。6.4 机架设计6.4.1 机架尺寸选定机架上的应力集中现象主要发生在螺母安装孔处，并且此处变形最大，因此要在此处加大机架上横梁厚度来减少机架的变形量。植保机的机架受力重心在机架中心处，故要加强机架中心处的厚度来提高强度。设定机架成3400mm，宽1100mm。机架最外端尺寸宽度为35mm,中间横梁处宽度为30mm。机架厚度设定为45mm，中心处横梁厚度为60mm。6.4.2 机架强度校核机架材料选择Q235,屈服强度235MPa，中心处和平行四边形与机架接触处最容易变形，故只要校核这两处的强度就行。（1）校核机架中心处强度。如图13所示机架受力图。图13 机架中心处受力图Fig13 Rack by attempt（7）（8）经校核机架中心处强度足够。（2） 机架与平行四边形接触处强度校核。此处是机架承受重量很危险的地方，所以必须要校核。机架与平行四边形所受的力为上车部分重量的，即F=400N。经校核机架与平行四边形接触处强度足够。6.4 平行四边形机构四杆件强度校核（1）平行四边形机构长杆件各杆件都用45号钢材，屈服极限355MPa。机构角度最大时杆件越危险，。杆件截面形状选择矩形截面。取（9）（10）（11）取值平行四边形各个杆件所受力均匀，大小相等。故只要校核其中一个杆件的强度即可。（2） 平行四边形短杆件强度校核。短杆长度取200mm。经校核强度足够45号钢经过调质处理后强度、硬度及综合性能都非常的好，所以选择45号钢来做平行四边形的各杆件是最好不过的了。7 整体设计要求7.1 轮边液压缸及支撑杠杆布置方式及结构布置结构如图14轮边液压缸支撑杠杆布置结构7.2 机架布置方式及结构底盘就是一个支撑架，用来支撑车身上部中心回转平台的各种零部件（发动机、变速器、液压系统、驱动系统、喷雾系统、电瓶、施肥器和授粉系统等）、水箱、传动件和控制件等。底盘用平行四边形机构支撑，底盘离地间隙要大，这样才能越过障碍物，特别是地形复杂的地面。为了减轻中心回转平台的重量，水箱应放在底盘的后方。轮距、轴距和机架高度是汽车主要参数不可或缺的一部分，而轮距、轴距和机架高度在植保机里显得同样的重要。随着农业现代化进程的发展，现有的植保机很难满足现代化农业植保作业自动化的要求。可变轮距、轴距和底盘的植保机才是目前市场所需的植保机，随着种物渐渐的长高，植保机的底盘高度也要增大，为了增大植保机在工作时的稳定性必须加大轮距和轴距，所以轮距、轴距底盘可变的植保机在农业机械中尤为重要。底盘真高后，机械施肥、授粉和施药时就不会损坏农作物，同事越过障碍物的能力越强，工作时更加方便。如图15所示。图14 轮边液压缸及支撑杠杆布置结构Fig 14 Round edge support lever arrangement structure and hydraulic cylinder图15 底盘结构布置图Fig15 Chassis structure arrangement7.3 可变轴距、轴距图文分析轴距可变如下图16所示。液压缸在未伸长时底盘离地高度650mm，轴距为1800mm。液压缸伸长时底盘离地高度750mm，轴距扩大为2200mm。行走上端支撑部件通过液压缸控制，实现车轮上下高度可调；并运用机构特点，实现整体机具上升的同时，前后轴距加大，以增加整机的稳定性。轮距可变如图17所示。轮距可变是采用平行四边形机构来实现，平行四边形机构未展开前轮距为1600mm，平行四边形机构展开后轮距增大至2200mm,底盘离地高度也会增大至1215mm。行走系统与车架相连接的平行四边形机构在展开前，回转部件会使车轮旋转90度然后扩大轮距。同侧的前后车轮通过平行四边形机构与钢架底盘铰接。通过液压缸的作用调节整机高度，以根据实际作物生长情况，调整机具的最小离地间隙。同时实现两侧轮距的自由变化，使其在底盘上升的同时，左右轮距增大，以保证整机重心的位置一致性与稳定性。图16 可变轴距变化图Fig16 Variable pitch variation图17 可变轮距图Fig 17 Variable wheel base figure 8 结论本文在分析了农作物对植保机的新要求和国内外植保机械的现状和研究方向的基础上，分析了植保机械为满足现代化农业的要求应具备的各项功能，并由此制定了设计目标和设计原则，进行了总体方案设计，进而进行了总体结构设计，并对主要的零部件进行了详细地设计、分析。研制出了具有满足较高农作物植保作业、对田地不平自适应、多功能、能够对叶片表面和背面双向喷洒、自动注药、自动混药、药箱自清洗功能的新型自走式喷雾植保机。本课题的研究得出如下结论：首次设计四驱可变轮距、轴距底盘植保机械；设计出了具有高地隙的植保机，实现了较高农作物的植保要求；喷洒机构具有的地形结构自适应功能，满足了地形不平的大田植保作业需求；实现了在植保机上可以完成拖拉机功能的新型植保机。通过本课题的研究，完善了植保机的功能，实现了一机多用，同时极大程度地实现了 操作者的劳动保护，满足了大面积高效植保作业的要求。新型植保机应用于不平地形结构和大田农作物植保作业更能显示出其优越性。新型植保机的研制符合当前农业现代化发展的需要，是实现农作物高产、农药高效利用、有效保护环境的有力工具。参考文献 1 李少昆，赖军臣.玉米病虫草害诊断专家系统M.北京：中国农科科学技术出版社，2009. 2 周海燕，杨学军.高地隙精准变量植物保护机械研究开发J. 农业机械学报，2010（18）： 35-36. 3 毛罕平，倪静.高地隙液压四轮驱动喷雾机转向防滑控制系统J. 农业机械学报，2012,43（6）：58-62. 4 赵文科，郑德聪.高地隙拖拉机机架的有限元分析C. 中国农业工程学会2011年学术会论文 集，2011. 5 张润生，侯炜.车架刚度及强度的有限元分析J. 拖拉机与农用运输车，2009,34（4）：29-33. 6 冯静安，王卫兵，陈永成，张泽龙，闫斌.自走式玉米高地隙喷雾机底盘系统设计研究D. 石河子大学机械电气工程学院，2014. 7 王荣.植保机械学M.机械工业出版社，1990（9）. 8 杨学军.植保机械的研究现状及发展趋势J.农业机械学报,2002.33(6). 9 徐灏.机械设计手册.第一卷M.北京.机械工业出版社，1991（9）. 10 桑正中.农业机械学.第二版M.北京.中国农业机械出版社，1988（6）. 11 何培杰等.新型喷雾混药装置性能研究J 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