烟草多功能作业平台车的研制

范沿沿 张幸博 李建华 林智宗

1、河南省烟草公司许昌市公司烟叶生产技术中心 2、许昌同兴现代农业科技有限公司

烟草多功能作业平台车的研制

范沿沿1张幸博1李建华1林智宗2

1、河南省烟草公司许昌市公司烟叶生产技术中心 2、许昌同兴现代农业科技有限公司

本文研制了一种烟草多功能作业平台车，更大程度克服烟叶生产周期性强、环节多造成的烟草机械动力浪费、适应性差和闲置问题。其结构主要包括多功能作业平台车车身和升降悬挂部分，传动采用液压驱动，利用catia对其进行设计建模仿真，为烟草机械功能整合提供了参考。

烟草；多功能；机械；液压

引言

烟草机械化生产是促进烟叶生产技术水平提升的重要手段，是降低劳动成本、减少亩均用工量的重要措施。烟草种植可分为两个阶段，工厂化育苗和大田管理。工厂化育苗阶段需要人工操作的环节有育种育苗、剪叶，大田管理阶段需要人工操作的环节有起垄、移栽、覆膜、中耕培土、植保、打顶、采收、拔秆等几个环节[1]。工厂化育苗阶段环节的操作几乎被机械替代，代表的机器有烟叶装盘播种机、多功能跨池剪叶机。大田管理阶段除了打顶抑芽、烟叶采收环节没有普及机械化外，其余环节市场上都有成熟的专用机械。

烟叶生产周期性强，大田管理环节多，烟草机械出现动力浪费、适应性差和闲置的问题。烟株大田生长高度变化大，从移栽后距离地面0.1米左右，到后期成熟后1.7米左右，导致很多烟草机械通过性差，不能适应烟叶不同时期的作业要求，造成烟草机械闲置。为了解决这个问题，研制一种多功能作业平台车，目的在于整合多种烟草机械作业功能。

1 设计思路

为更大程度克服烟草机械的周期性、适应性和降低功耗等问题，利用catia进行烟草多功能作业平台车的模块化设计[2]，如图1。即设计一种新型低功耗的高地隙多功能作业平台车，通过悬挂能够挂载移栽[3]、覆膜、中耕、培土、植保、拔秆等低功耗环节的烟草机械。车辆行走速度在1～10km/h之间，发动机为20马力汽油发动机，整车具有1km/h的低速，保证移栽、覆膜、培土等良好的作业效果。

2 烟草多功能作业平台车的结构原理

烟草多功能作业平台车的基本车身结构为高地隙作业平台车。车身最低处距离地面860mm，轮距为1000mm，能够满足烟草种植农艺要求。多功能作业平台车整合了六大功能[4]，分别为移栽、覆膜、中耕、培土、植保、拔秆等。其结构分为两部分，车身部分和后动力输出部分。车身部分包括车身机行走、转向、动力及液压传动、机架等[5]，后动力输出部分包括液压升降悬挂及升降装置、液压动力输出马达，如图2。

图2 烟草多功能作业平台车组成图

3 机架的设计

图3 烟草多功能作业平台车的机架结构

烟草多功能作业平台车的结构设计关键在于机架设计。机架的设计要考虑整车在烟叶生产过程中的烟田通过性，特别是植保环节，烟株正处于旺长期，烟株高度变化大。到中期植保，烟株生长高度会达到500～700mm。烟草多功能作业平台车要保证通过性，车身底部离地高度不能少于700mm。另外还要考虑整车的节能因素，要尽量降低机架的自身重量，降低车辆油耗，减少不必要的结构设计。机架设计如图3，上部主要为两个纵向的承重件和五个横向的承重件，外围主要安装其他结构如外壳、发动机、油箱、液压传动部分等的支撑架。下部为两个纵向承重件、附件安装支架和轮胎的安装机构。中间部分为上下承重件的连接件，也是保证烟草多功能作业平台车良好通过性的主要设计。

4 机架的有限元分析

4.1 机架的3D建模

本文运用建模软件catia对烟草多功能作业平台车进行建模，并对主要结构机架进行了有限元分析。catia的建模功能比较强，其建模的主要优势是曲面建模，对机械设计应用帮助非常大。其仿真分析功能使用比较方便，在进行载荷应力分析时，可以根据需求在点、线、面上施加力和力矩，在几何体上定义重力；最后可以输出比较直观的“幅值”图；载荷可以依照需要来变化，并可以跟随物体的运动，来计算大的位移或转动。

为了做好有限元分析，在catia里需要对装配体进行一定运算。机架的3D建模如图3，catia有限元分析需要对零件几何体（partbody）进行网格划分，但是装配体是不能抓取的。本文运用布尔运算，将机架的所有零件添加到了partbody。

4.2 网格划分

多功能作业平台车机架的材料选择为冷轧方管，材质为普碳钢Q235。在catia的材料库里选择相对应的材料，以大小为20mm的四面体进行网格划分。

4.3 系统约束

在多功能作业平台车机架工作过程中，其轮胎安装机构和下部承重件轻微的上下位移，基本保持不动。在添加系统约束时，可以看作将机架的下部承重固定不动，自由度为0。

4.4 载荷条件

车架受力主要为4个主要部分。第一个为机架后半部所承载所有机构的重量以及驾驶员的部分重量,第二个为机架上前半部车身重量和驾驶员的部分重量，第三个部分为机架外围附件支撑架的承载重量，第四部分为轮胎传动轴对其安装机构的斜向上的压力。

4.5 有限元的分析结果

在catia的仿真结果，可以显示有限元分析的应力图和位移图。输出的应力图为冯米斯应力图，输出的位移图为变形位移图。根据仿真结构可以直观地看到结构件的应力变化和位移变化，为设计提供参考。多功能作业平台车的冯米斯应力图如图4。

图4 烟草多功能作业平台车的应力图

由图可知，多功能作业平台车机架的上部前端、轮胎安装位置和下部承重件前段为主要的最大应力位置。在第二代烟草多功能作业平台的设计中，应该优先考虑这三个主要受力区域，在设计中增加纵向的支撑件，保证机架的承载能力。

图5 第二代烟草多功能作业平台车的机架图

图6 第二代烟草多功能作业平台车的机架位移图

烟草多功能作业平台车机架第二代在第一代的基础上进行了优化设计，如图5，增加了前半部分的承重件。优化后，进行有限元分析得出机架变形位移图，如图6。可以看出，优化后的机构位移变形量比较小，能够满足设计要求。最后根据设计，完成了打样生产。

5 烟草多功能作业平台车的传动系统

多功能作业平台车的动力为20马力的汽油机，传动部分为全液压驱动，液压图如图7。液压动力传动分为两路，一路为柱塞泵和手动换向阀控制的行走部分；一路为双联齿轮泵控制的转向和液压悬挂部分，其中转向部分，转向器控制转向油缸控制方向盘转向[6]，液压悬挂部分，分流阀控制液压悬挂升降液压缸和液压动力输出马达。

图7 烟草多功能作业平台车液压示意图

图8 烟草多功能作业平台车样车

6 结论

通过将烟草大田管理专用机械进行模块化整合设计，利用catia进行了三维设计和装配，完成了烟草多功能平台作业车的研发（图8）。在试验田试验时，多功能平台车达到了设计要求，得到了现场人员的肯定。从试验情况看，此烟草多功能作业平台车在实际使用中，操作方便，能够挂载起垄、覆膜、移栽、培土、植保、拔秆等烟草机械，能够降低亩均用工，降低生产投入。

[1]程功,王满.豫中烟叶生产专用农机的筛选试验[J].农业技术与装备,2014(04)∶49～51.

[2]张晓东.基于CATIA的应用开发研究[J].航空计算技术,1999(04)∶6～9.

[3]崔嵬,刘双喜,高丽娟等.2ZFS-1A型多功能烟草移栽机的研制[J].农业工程学报,2012,28(26)∶202～207.

[4]孙恒,陈作模.机械原理[M].北京∶高等教育出版社,2000.

[5]成大先.机械设计手册[M].北京∶化学工业出版社,2008.

[6]左建民.液压与气动传动[M].北京∶机械工业出版社,2012.

范沿沿，男，1988年出生，河南虞城人，硕士，研究方向：烟草农机装备研发。

河南省烟草公司许昌市公司科技项目（XYKJ2015M07）。