水田行走底盘液压转向机构研究

任贵东 王志涛 柳海鹤 孙卓 孙明哲 吴艳丽 谭宏杰

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130021)

引言

我国农机生产和拥有量都保持世界第一。底盘总成是农机装备的重要组成部分，对农机装备的功能和运行效率都将产生重大影响。在水田作业环境中，由于水田土壤含水量高，软泥层深度较大，一般在8～16cm。水田机械车轮下陷量大、打滑率高、行走阻力大[1,2]。因此需要合理选择水田机械底盘传动系统。

水田的地块一般较小，长度和宽度一般都不大于50m。这导致水田机械需要频繁转向且转向时所需扭矩大。因此转向机构的可靠性，转弯半径的大小都是关键的设计参数。转向系统设计是否科学合理，直接关系到水田车辆能否正常运行，科学的设计转向机构，保证转弯半径在合理的范围内，选择合适的转向液压缸，使其既满足转向所需的最大推力，又不浪费动力系统的功率显得至关重要，这有利于保证转向系统工作的安全性、可靠性和平稳性。

本文重点讨论水田农机装备中，底盘传统的系统选择和转向机构中转向液压缸确定。

1 农业机械底盘传动系统

农业机械装备中，底盘传动系统有3种布置形式，分别是机械式、液力式、电力式[3]。

机械式底盘，其传动系统的基本结构构成如下：发动机(汽油机或者柴油机)把动力经过变速器传递各驱动桥，经过驱动桥再传递给车辆车轮。这种结构主要用于水田插秧机、秧苗运输机、农用拖拉机、玉米的收货机械。洋马YR80D，见图1，乘坐式8行插秧机，采用机械底盘，配备3TNM72型三缸水冷柴油机，高效HMT行走变速箱(液压变速加齿轮传动)，踏板变速，方向助力，转向对行操控便捷。

图1 洋马YR80D乘坐式8行插秧机

液力式底盘传动系统，由于不受传动结构限制，通常应用在具有高地隙的农用植保机械车辆，如旱田植保机械、水田植保机械。其能量的传递主要依靠液压油，液压油在液压泵的作用下循环运动，将液体具有的压力能转变为传动系统的机械能。

丰诺植保机械制造有限公司生产的240马力大型液压四驱式高架喷药机，见图2，采用液力式垫盘，具有高地隙，能够进行液压驱动四轮转向等特点，适合多种地形，适应多种农作物的植保工作。

电力驱动具有低噪音、无污染、能耗低以及传动效率高等明显优势，尤其是在当前新能源车辆井喷式发展的情况下，具有广阔的发展前景。电力式底盘传动系统分为2种基本机构：直接安装轮毂电机；电动机的动力经过变速齿轮箱、传动轴传递到车轮上。能量由电能转化为机械能，驱动机械装备运行。系统由动力部分电动机和传递运动的传动机构以及电动机的控制部分3部分组成。电动机分为2种，直流电动机和交流电动机。电能相比其他能源有多种优势。电能的生产方式大致分为2种：通过水力、风力、太阳能等清洁能源发电；通过火力、核能等方式发电，而且电能有利于远距离传输。当前电动机的技术已经较为成熟，功率范围小到数瓦大到1万kW以上，可供选择的范围较广泛，已成为现代装备制造业的主要动力源。

图2 240马力大型液压四驱式高架喷药机

2020年，河南洛阳国家农机装备创新中心研发了一款电动拖拉机概念样机，命名为ET1004-W，见图3。主要创新点是大马力、轮边驱动和无人驾驶，具有极其重大意义，这是轮边驱动技术在我国自主生产的农机装备的第一次应用。在同等马力下，该装备转弯半径是最小的，不大于3.5m，处于国内领先地位。这个无人电动拖拉机采用分布式控制技术，能够完成四轮独立驱动和四轮组合转向的控制过程，实现左轮、右轮的差速行驶。并且采用模块设计方式，有利于发展衍生型号。同时在拖拉机的控制装置中加载了5G网联与自动驾驶模块，保证其具有远程遥控驾驶、无人自动驾驶的功能，使得拖拉机具有适应未来无人农场、智慧农业发展的需要，具有较高的自主作业的能力。

图3 大马力轮边驱动电动拖拉机ET1004-W

由于水田机械作业田地多是范围小、分散的地块，需要频繁调速、转向，需要底盘具有轻量化、功率密度高、无级变速、转向灵活性强等特点。因此本文所论述的底盘结构采用液力式驱动结构。

2 农机中常见转向机构

农机机械装备中共有3种常见转向方式，分别是偏转导向轮转向、改变两侧驱动力矩转向和折腰转向。

2.1 偏转导向轮(前轮)的转向方式常见于轮式车辆

在农机领域中，如轮式拖拉机、洋马YP63高速水田插秧机都采用这种方式转向。前轮偏转后，在驱动力作用下，地面对两前轮的侧向反作用力构成相对于后桥中点的转向力矩，使机车转向[4,5]。植保机械，由于转弯半径较小，转向时大多采用4个车轮同时偏转的方式完成转向。

2.2 改变两侧驱动力矩的转向

主要用于手扶拖拉机，转弯时主要依靠牙嵌式离合器，凭借断开一侧驱动车轮的输入扭矩来实现转向。不同于方向盘，在左右任何一侧的离合分离时，其对应的车轮静止不动或速度下降，另一轮速度不变，从而达到转向的目的。这种转向结构的优点是结构简单，易于实现，但是在复杂路面时，可能会出现转向不平稳、不稳定。

2.3 折腰转向

河南省农业科学院长垣分院设计了一种自走式植保车折腰转向底盘结构[6]。整车采用四轮驱动，每个车轮上都配有独立电机。整车分为前后2个部分，中间相互铰接。在铰接处安装转向电机和转向齿轮箱，当需要转向时，转向电机通过转向齿轮箱，使得车辆前后2个部分产生折弯角，凭借地面对前轮、后轮所产生的侧向反作用力实现车辆转向。由于转向时外侧转弯半径比内侧转弯半径大，所以车俩转弯时需要控制车辆外侧车轮转速和内侧车轮转速，使外侧车轮的转动速度高于内侧车轮的转动速度。

本文中讨论的液压转向机构，选择使用第1种转向方式，偏转导向轮(前轮)的转向方式。因为操作简单、工作可靠、成本低。在偏转转向轮的结构中，核心部件是转向液压缸，涉及到转向液压缸的结构尺寸和其中的连接零部件。下面本文详细论述这种转向机构。

3 液压驱动单活塞缸式双推杆液压转向机构

本文所描述转向机构通过液压缸驱动推杆，带动前轮偏转，完成转向，具体结构如图4所示。

推杆长度调节螺母的作用。在制造、安装过程中，不可避免地导致液压缸两侧推杆长度不同，这不利于保持车辆直线行驶。如果左侧推杆长于右侧推杆，在没有调节螺母的情况下，会使车辆自动向右侧偏移，如果右侧推杆长于左侧推杆，在没有调节螺母的情况下，车辆会自动朝左偏移。为了解决这个问题，设计了推杆长度调节螺母。在选材上，调节螺母要能够承受一定的冲击，具有一定韧性。设计上在螺母内部加工贯通螺纹。使用时通过旋转两侧调节螺母，调节螺纹旋入长度，使两侧推杆长度相同，保证车辆能够直线行驶。

1.左前轮支撑架；2.单活塞式双推杆液压缸；3.推杆；4.推杆长度调节螺母；5.转向连杆；6.右前轮支撑架；7.右前轮转向轴销

转向连杆的作用。如果将连杆设计成直线型，能够避免连杆承受附加弯曲应力。但是受到相邻零部件的尺寸限制，将会发生干涉。所以将连杆尺寸做适当的弯曲。

当车辆需要朝左转向时，单活塞式双推杆液压缸的推杆向右侧伸出，通过推杆、转向连杆，带动左前轮和右前轮分别绕左前轮转向轴销和右前轮转向轴销逆时针偏转，完成向左转向。当车辆需要向右侧转向时，单活塞式双推杆液压缸的推杆向左侧伸出，通过推杆、转向连杆，带动左前轮和右前轮分别绕左前轮转向轴销和右前轮转向轴销顺时针转动，完成向右转向。如图5、图6所示。

图5 左转向前轮偏转示意图

图6 右转向前轮偏转示意图

4 结构设计

4.1 转向机构受力分析

转向机构受力分析如图7所示。

图7 左前轮转向机构受力图

转向机构受力分析原理图如图8所示。

1.液压缸；2.转向连杆；3.左前轮支撑架

当液压缸1推力为F时，通过转向连杆2，作用在左前轮支撑架3上的力也是F,此时用于推动左前轮转动的力为FI,扭矩为M1：

F1=F×cosα

(1)

M1=F1×L=F×cosα×L

(2)

式中，F1为推力F在水平向左分力；α为推力F与水平方向的夹角；M1为左前轮支撑件所收到的转向力矩；L为左前轮支撑件旋转半径。

可见，当L越大时，转向力矩越大，但是L曾大会导致整个转向系统结构尺寸随之增大，结合前梁转向机构的机构尺寸，最终确定L=1460mm。

由公式(2)可知，当α越小时，转向力矩越大，但是α过小，会导致转向过程中发生零部件间干涉现象，结合实际强度要求，选择α=13°。

4.2 液压缸伸缩量与前轮摆角间数学关系

4.2.1 转弯半径

根据车辆转弯半径的定义，车辆行驶过程中，转向半径是指车辆瞬时转向中心与前外转向轮与地面接触点的两点距离。其展示了车辆通过最小曲率半径弯曲道路的能力和在狭窄路面上调头行驶的能力。转弯半径越小，表示车辆机动性越好，受限于车辆的结构尺寸、强度等因素，转弯半径不会无限小，所以必须设计一个合理的转弯半径。

根基车辆的使用要求和结构特尺寸，最小转弯半径设定为R=4200mm。

4.2.2 内外轮最大偏角

由图9可知，轴距L=2550mm;主轴销中心距K=1505mm;最小转弯半径R=4200mm。转弯半径公式R：

R=L/sinα

(3)

车辆偏转方向外轮最大偏角α=37.38°。

cotα-cotβ=K/L[6,7]

(4)

车辆偏转方向内轮最大偏角β=80.13°。

图9 右转向前轮偏转示意图

4.3 推杆长度计算

如图10所示，当车右转向时，液压缸推杆向右侧伸出，右前轮发生偏转，最大偏转角度α，连杆CB偏转至DE位置，推杆由C点运动到E点，所以LCE就是推杆的直线运动距离。

LOA=96mm;LDE=310mm；LCB=310mm;α=37.38°

LDF=Rcosα-LOA

(5)

(6)

LAF=Rsinα

(7)

LEA=LEF-LAF

(8)

LCE=LCA-LEA

(9)

带入后，经过计算，LCE=170.5mm,即液压缸推杆理论上工作长度需要170.5mm。

4.4 液压缸推力计算

通过Taborek公式可知[8],车轮转向时总的摩擦阻力矩：

(10)

式中，Gs为车桥负载，Gs=2500×9.8=24500N,液压车满载时重量为2.5t(其中机器自身重量为2t，装载重量为0.5t)；us为路面附着系数，由于液压车主要的工作场地是路况较差的农田，因此此处取较大值us=0.8；e为车轮摆动半径，本结构中e=0mm；B为轮胎宽度，取轮胎宽度B=60mm。

转向动力缸活塞杆的最大推力:

(11)

r转向阻力臂，取r=144mm。

单个转向动力缸面积：

(12)

(13)

式中，D为转向动力缸杆的直径；d为转向动力缸活塞的直径(暂时取D=2d)；Psc为转向动力缸工作压力，考虑到安全因素，此处选取相对较小的压力值，10MPa;ηsc为机械效率，此处取0.95(一般为0.9～0.97)。

经计算转向动力液压缸的缸杆的直径为D=26mm，活塞的直径为d=13mm。依据GB 2348-1993《液压气动系统及元件 缸内径及活塞杆外径》液压缸内径d=16mm,液压缸外径D=32mm。能够满足车辆转向时的工作要求。

5 结论

采用液力式底盘驱动结构，其中转向液压缸内径d=16,外径D=32,推杆长度L=1460mm，能够满足水田使用要求。