畢業(yè)設計（論文）-高地隙噴桿噴霧機底盤的設計及性能分析

本科畢業(yè)設計(論文)題目:高地隙噴桿噴霧機底盤的設計及性能分析姓名:學院:機械電子工程專業(yè):機械設計制造及其自動化班級:學號:導教師:職稱:教授二○XX年五月三十日摘要針對我國缺乏大田高效施藥機具的現(xiàn)狀，研制出一種大型、高效、安全的防治大田蔬菜與水稻病蟲草害的輕便型自走式高地隙噴桿噴霧機。該機具集成高地隙自走式底盤、噴霧系統(tǒng)、機電液中央控制系統(tǒng)，自走式底盤主要由機架、動力系統(tǒng)、行走轉向系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)幾個方面組成。自走式底盤是高地隙噴桿噴霧機的核心部件，其結構決定了噴霧機的離地間隙，同時影響噴霧機在田間的通過性能，高地隙噴桿噴霧機的主要零部件安裝于自走式底盤機架上部，底盤機架是車輛重要工作載荷的承受部件。本文對高地隙噴桿噴霧機底盤進行理論分析、計算及結構設計，底盤系統(tǒng)中各組成部件包括發(fā)電機、發(fā)動機、螺栓螺釘、油缸、轉動機構的選擇和設計，并對底盤進行ANSYS性能分析。根據(jù)設計依據(jù)和資料數(shù)據(jù)，確定高地隙噴桿噴霧機底盤設計方案可行，高地隙噴桿噴霧機底盤的功能設計合理，底盤的行走性能、轉向性能分析合理。關鍵詞：高地隙自走式；噴桿噴霧機；底盤；性能分析ABSTRACTAccordingtothecurrentsituationofthelackofefficientapplicationequipmentinthefield,wedevelopedalarge,efficientandsafepreventionofpestsinricefieldvegetablesandlightweightself-propelledHighlandGapboomsprayer.TheequipmentintegratedHeightsclearanceself-propelledchassis,spraysystems,electro-hydrauliccentralcontrolsystem,mainlybytheself-propelledchassis,rack,powersystems,steeringsystemsandhydraulicsystemsrunningcompositionaspects.Self-propelledchassishighlandsgapboomsprayercorecomponents,itsstructuredeterminesthegroundclearancesprayer,whiletheimpactofthesprayerinthefieldbytheperformancegapHighlandboomsprayerofthemaincomponentsinstalledintheself-propelledupperrackchassis,thechassisframeofthevehicleisimportantworkloadreceivingmember.Inthispaper,HighlandGapboomsprayerchassistheoreticalanalysis,calculationanddesign,eachchassissystemcomponentsincludinggenerators,engines,boltsscrews,cylinders,selectionanddesignoftherotationmechanism,andthechassisANSYSperformanceanalysis.AccordingtothedesignonthebasisofdataandinformationtodeterminetheHighlandsgapboomsprayerchassisdesignisfeasible,HighlandGapboomsprayerchassisfeaturesrationaldesign,runningperformancechassis,steeringreasonableperformanceanalysis.Keywords：Highlandclearanceself-propelled；Boomsprayer；Chassis；PerformanceAnalysis目錄第一章緒論………………………11.1研究目的和意義…………………11.1.1研究背景…………11.1.2研究目的…………21.1.3研究意義…………21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………31.2.1國外研究現(xiàn)狀……………………31.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀……………………41.2.3自走式底盤研究現(xiàn)狀……………51.3研究內(nèi)容…………7第二章底盤系統(tǒng)總體設計…………82.1總體設計要求…………82.2底盤的結構及工作原理………………82.3關鍵系統(tǒng)設計…………112.3.1底盤平衡裝置……………………112.3.2動力系統(tǒng)…………122.3.3行走與轉向系統(tǒng)…………………132.3.4制動系統(tǒng)…………152.3.5噴霧系統(tǒng)…………16第三章底盤技術測算……………173.1側翻性能測算………………………173.2高地隙自走式底盤前后軸荷的計算………………183.3高地隙自走式底盤萬向傳動軸的計算……………18第四章底盤性能ANSYS分析………214.1底盤車架有限元分析………………214.1.1滿載彎曲工況……………………234.1.2滿載扭轉工況…………………26結論…………………29致謝…………………30參考文獻………………31附錄表1………………33南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）-3-緒論1.1研究目的和意義1.1.1研究背景近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式正向著集中化、規(guī)模化方向轉變，以往在我國植保機械中占主要地位的小型機動噴霧機械，已經(jīng)無法適應大田作物集中種植噴藥的要求，要求植保機械的工作效率更大的提高。針對應用區(qū)域和種植作物特點，高效的大型植保機械裝備比如噴桿式噴霧機的開發(fā)是必然的。多年來,病蟲害防治問題一直困擾著我國一些主要優(yōu)勢經(jīng)濟作物如棉花、大豆等生長的中后期,因大型高地隙自走式噴桿噴霧機市場缺乏,目前棉花生長中后期病蟲害防治及脫葉催熟劑的噴灑只能依托拖拉機配套懸掛式噴桿噴霧機或者飛機來完成。采用拖拉機懸掛的噴桿噴霧機在棉花封行后進行噴霧作業(yè)時,因為拖拉機地隙低、底部會壓折棉株、撞落已吐絮的棉花。若采用飛機噴灑會受到氣象條件極大的影響,霧滴容易隨風飄移而污染環(huán)境,噴灑質量、防治效果也很不理想。因此，生長中后期作物的藥液噴灑,成為影響我國棉花生產(chǎn)的技術難關。解決這一難題的關鍵在于為噴灑設備提供高地隙自走式噴霧機底盤,使噴霧機距地間隙大于作物高度，這樣就可避免對作物的損傷。近來,我國東北、新疆地區(qū)引進了一些國外生產(chǎn)的大型高地隙自走式噴桿噴霧機,來進行試驗。這些噴霧機技術先進,使用可靠,但是價格高昂,一般售價都在20萬美元以上,而且成本高,經(jīng)濟性較差,不適合在我國廣泛推行。與國外先進設備相比,我國生產(chǎn)、使用的拖拉機配套噴桿噴霧機產(chǎn)品技術性能落后,不能滿足棉花、玉米、大豆等作物中后期田間管理防治的要求。當前,歐美等發(fā)達國家生產(chǎn)和使用的施藥機械以大型機具為主,其中自走式噴霧機械的發(fā)展迅速,所占市場份額遞增。大型施藥機械噴霧機充分結合液壓技術、電子控制技術,比如精量噴灑調(diào)控技術、氣流輔助噴灑技術等,并配套GPS定位系統(tǒng),大大提高了施藥的精確性,減少了農(nóng)藥用量,降低了農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境的污染。澳大利亞、加拿大等國農(nóng)業(yè)人口比重小,種植面積大,是高地隙自走式噴桿噴霧機的主要國外市場。目前,這些國家使用的噴霧機主要是美國、德國、丹麥、意大利等國的產(chǎn)品,設備先進,但價格高昂。在以往的經(jīng)驗交流中,噴霧機用戶已經(jīng)有意向購買價廉物美的中國同類產(chǎn)品,因此高地隙自走式噴桿噴霧機潛在的國外市場也很大。1.1.2研究目的我國高地隙噴桿噴霧機的研究還處于起步階段，要實現(xiàn)全程機械化，還需要很多的嘗試。而在國外，很早就對高地隙噴霧機進行了研究，技術也相對成熟。在我國高地隙噴霧機的研究過程中，可以適當借鑒和參考國外的研究成果。通過對國外高地隙噴霧機的研究分析，解決高稈農(nóng)作物生長中后期施藥作業(yè)的難題的關鍵是提高噴霧機的離地間隙。對于高地隙噴霧機而言，其離地間隙取決于噴霧機自走式底盤機架的結構。因此，自走式底盤機架是高地隙噴桿噴霧機的核心組成部件，對整機的可靠性、穩(wěn)定性以及各項工作性能有著極其重要的影響。近些年來，我國一些科研單位雖然也對高地隙噴霧機進行了研發(fā)，但是主要機型仍然難以滿足高稈作物生長后期施藥作業(yè)的要求。而高地隙噴霧機的核心部件——自走式底盤機架也只是粗略地模仿國外的機型，且有噴霧機自走式底盤機架裝置笨重、振動和噪音巨大、效率低、穩(wěn)定性差等問題。這些問題不僅不能滿足用戶的要求，也不能滿足玉米等高稈作物真正實現(xiàn)機械化作業(yè)的要求，阻礙了農(nóng)作物實現(xiàn)全程機械化的發(fā)展。本文針對高地隙自走式底盤機架進行研究，對高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架的關鍵零部件進行結構設計并建立其三維模型，完成自走式底盤機架的靜動態(tài)性能分析，以此來提高自走式底盤機架以及高地隙噴霧機的可靠性和穩(wěn)定性。1.1.3研究意義自走式底盤機架作為高地隙噴桿噴霧機的核心部件之一，其性能直接決定了噴霧機的整體性能，在整機的設計中至關重要。自走式底盤機架上承載著動力裝置、傳動裝置、藥箱等，在工作中承受沖擊載荷和振動，機架的結構直接影響整機的工作性能，這就要求機架必須具備足夠的強度以滿足疲勞壽命要求，要具備足夠的靜剛度以滿足裝配和使用要求。噴霧機的底盤是決定其離地間隙的重要部件，也是高地隙自走式噴霧機最核心的組成部件之一。設計制出結構合理、性能穩(wěn)定、適合高稈作物生長中后期施藥作業(yè)的高地隙自走式噴霧機底盤，不僅能夠有效防止高稈作物生長中后期發(fā)生的病蟲害，提高作物產(chǎn)量和質量，促進農(nóng)作物的全程機械化，而且為其他高稈作物、密植果園、水稻大田蔬菜的植保作業(yè)提供了可靠的技術保證。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀在國外尤其是歐美等發(fā)達的玉米種植大國都已經(jīng)實現(xiàn)玉米全程機械化施藥作業(yè)，施藥機具以中、大型噴霧機為主，主要是電控液壓驅動的自走式玉米藥液噴灑專用機械，并采用了大量的先進技術來提高設備的可靠性、安全性及便捷性。其中以紐荷蘭（NEWHOLLAND）公司生產(chǎn)的自走式玉米噴霧機，法國布光（BOURGOINS.A.S）公司生產(chǎn)的4WD-2204-TURBO型自走式玉米噴灑機械，美國十方國際公司（TenSquareInternational，Inc.）生產(chǎn)的HAGIE系列噴灑機為代表，如圖1.1和圖1.2所示。這幾種高地隙噴霧機的特點是：整機底盤的離地間隙達到玉米生長中后期的噴霧作業(yè)要求，采用液壓驅動轉向，具有不錯的轉向性能和較好的行駛穩(wěn)定性，采用液壓調(diào)節(jié)輪距和液壓調(diào)節(jié)地隙，自動化水平較高，對玉米等高稈作物的植保作業(yè)效率較高。國外發(fā)達國家高地隙底盤技術的應用已經(jīng)很普遍，一般有兩種型式：一種是在拖拉機上通過更換大直徑窄膠輪來提高拖拉機地隙。國外有生產(chǎn)多種規(guī)格的高地隙窄膠輪可選，但難題是輪子窄而直徑大，如何保證車輪的強度和橡膠的使用壽命是瓶頸；另一種型式是采用液壓自走式底盤，針對不同的作業(yè)對象，通過4個液壓油缸的升降機構來調(diào)節(jié)底盤地隙。圖1.1NEWHOLLAND高地隙噴霧機圖1.2HAGIE高地隙噴霧機1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀小型動力植保機械按其操作、攜帶和運載方式分為擔架式、自走式等。擔架式噴霧機是我國水稻規(guī)模化種植區(qū)域應用比較多的藥械，體積小，可通過兩人擔起轉移，也可安裝在拖拉機或農(nóng)用車上作業(yè)，配備噴霧軟管，末端接有可調(diào)噴槍，可以大范圍噴藥。自走式水稻植保機械是一種簡易的動力植保機械。采用獨立行走方式，跨越田埂能力比較強，損苗率比較低，作業(yè)人員的勞動強度得以降低，效率得到了大幅提升；不需要借助拖拉機，成本相對比較低。該機具的缺點是需要操作人員守在旁邊通過操縱桿進行方向的控制；機具一般較小，兩輪行距小，車輛在高低不平的地面行駛，搭載的噴桿傾斜明顯，難以平衡，難以保證噴藥的均勻性，且操作人員易受到農(nóng)藥污染。2010年現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司與中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院共同開發(fā)了3WZG-3000A型高地隙自走式噴桿噴霧機，如圖1.3所示。該機型自帶動力，四輪液壓驅動，主要技術參數(shù)：配套動力92kw；工作幅寬有21m(配有風幕)；地隙達1350mm，能夠滿足棉花后期施藥高度，并且兼顧大豆、油菜等作物。2011年中國一拖集團公司在對黑龍江、吉林和遼寧等省的大農(nóng)場進行市場調(diào)研的基礎上開發(fā)了東方紅-3WPZ2500型高地隙自走式植保機械，如圖1.4所示。該機型設計為發(fā)動機前置，駕駛室中置，藥罐后置的方式。整機滿載后橋承重不超過60%，空載后橋承載不小于40％。其配套動力為92kw，離地間隙1500mm，能夠適應大豆等農(nóng)作物的后期施藥作業(yè)。圖1.3WZG-3000A型高地隙噴霧機圖1.4WPZ2500型高地隙噴霧機1.2.3自走式底盤研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外噴霧機械底盤結構以拖拉機底盤為主，也有一些學者自主研發(fā)了一些專用底盤。比如周海燕等專家針對我國缺乏大田蔬菜地高效施藥機械的現(xiàn)狀，研制出了一種小型、高效、安全的防治大田蔬菜與水稻病蟲草害的輕便型自走式高地隙噴桿噴霧機，其自走式底盤主要由機架、動力系統(tǒng)、行走轉向系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)幾個方面組成。該機采用機械四輪驅動、液壓四輪轉向方式，其主要優(yōu)點是穩(wěn)定性好、靈活轉向、適應性好，噴桿前置、藥箱后置，保證整機的重心平衡，采用電動推桿折疊噴桿，減輕了噴桿質量，作業(yè)效率較高，不僅適應大田蔬菜施藥農(nóng)藝，還可應用于水田的施藥作業(yè)。但其缺點是底盤柔性不足，比如無法調(diào)整輪距軸距和地隙高度等問題，難以滿足不同行距、不同作物生長培育期的植保作業(yè)要求。西北農(nóng)林科技大學的路敵等專家開展了基于偏置軸的四輪獨立驅動、獨立轉向的溫室作業(yè)機柔性底盤及其控制系統(tǒng)的研發(fā)，進行了柔性的底盤驅動系統(tǒng)和控制的設計，并依據(jù)柔性底盤運動性能對中央控制器進行了設計，初步試制了柔性底盤的樣車。該機械的柔性主要體現(xiàn)在偏置軸機構連接底盤車架和各個電動輪支撐架，以實現(xiàn)底盤直線運動、橫向直線運動、偏移運動，實現(xiàn)四輪轉向運動和原地回轉等。上海市農(nóng)業(yè)機械研究所申請了水稻多功能變量噴霧機的自走式高地隙可調(diào)液壓驅動底盤實用新型專利，液壓馬達驅動底盤行走，以實現(xiàn)四輪驅動；同步升降油缸活塞桿的伸縮，使轉向臂帶動底盤機架同步地升降，實現(xiàn)地隙的調(diào)節(jié)；前、后輪4個轉向油缸同步地轉動方向，實現(xiàn)了不同方位的同步轉向，獲得最小的轉彎半徑，也可以通過后輪轉向油缸的鎖定，使前輪轉向油缸運作，實現(xiàn)后輪差速，前輪單作用轉向方式，實現(xiàn)對水稻作物不同生長期的田間草害、病蟲害防治以及施藥生產(chǎn)環(huán)節(jié)的作業(yè)。該機的主要優(yōu)點是地隙高度的可調(diào)節(jié)及轉向靈活性，但無法調(diào)節(jié)其輪距。一般意義來說，底盤是指車輛上由傳動系、行駛系、轉向系和制動系四部分組成的集合，支撐、安裝車輛發(fā)動機、發(fā)電機及其各部件組成，形成車輛的整體造型，承受發(fā)動機的動力輸出，保證正常的行駛。對于農(nóng)藥噴霧機械，底盤除了承載發(fā)動機及其各部件組成之外，還需要安裝懸掛噴桿、泵、藥箱等，并為噴桿、泵等提供動力，其作用如人的雙足，底盤性能的好壞，很大程度上影響了噴霧機性能的總體發(fā)揮。如圖1.5與圖1.6。圖1.5噴霧機底盤系統(tǒng)的設計原理底盤旋轉工作臺；2.噴桿升降液壓缸；3.輪架；4.車輪馬達；5.車輪；6.底盤同步升降液壓缸；7.導向桿；8.底盤機架；9.藥箱；10.藥箱固定架；11.液壓泵；12.噴桿升降架；13.噴桿接口；14.導航系統(tǒng)；15.轉動銷軸；16.噴桿變換液壓缸；17.豎直梁；18.上水平梁；19.噴桿圖1.6噴霧機底盤功能樹1.3研究內(nèi)容本論文主要針對高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架進行設計研究，對高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架關鍵零部件進行結構設計，對自走式底盤機架的靜動態(tài)性能以及穩(wěn)定性進行分析，完成高地隙噴桿噴霧機底盤的理論分析、計算及結構設計，底盤系統(tǒng)中各組成部件包括活塞桿、油缸完成、轉動機構的選擇和設計，并進行底盤的性能分析。主要進行以下幾方面的工作：（1）確定高地隙噴桿噴霧機整機的設計要求確定高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架的設計方案，根據(jù)設計依據(jù)和資料數(shù)據(jù)，高地隙噴桿噴霧機底盤設計方案可行；（2）論證高地隙噴桿噴霧機底盤的功能設計合理，對自走式底盤機架進行總體結構設計，包括前輪轉向支撐立柱、底盤平衡裝置以及后輪支撐立柱等關鍵零部件的工作原理和結構組成；（3）對自走式底盤機架進行靜態(tài)特性分析和動態(tài)特性分析，底盤的行走性能、轉向性能分析合理。底盤系統(tǒng)總體設計2.1總體設計要求底盤結構設計主要包括發(fā)動機、機架、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、行走轉向系統(tǒng)、動力及液壓輸出系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及其他工作裝置(液壓懸掛系統(tǒng)、動力輸出軸)等組成部件的選型和設計。其中動力裝置、行走驅動裝置、地隙、輪距等滿足田間管理農(nóng)藝要求，具有標準液壓懸掛裝置、動力輸出裝置及多路液壓輸出等。設計要求有：（1）作業(yè)速度：2-6km/h；

（2）噴桿全部展開后最大工作幅寬：12m；

（3）地隙高度：0.8m-1.8m；

（4）噴桿高度調(diào)節(jié)范圍：1m；

（5）施藥量：150-600L/ha；

（6）作業(yè)效率：≥8ha/h。2.2底盤的結構及工作原理高地隙噴桿噴霧機底盤機架離地間隙為800～1800mm，駕駛艙、藥箱、發(fā)動機均布置于機架上部，機架由方鋼焊接而成，能保證機架足夠的強度。底盤平衡機構固定于機架前端下部，底盤機架通過底盤平衡裝置與前橋鉸接，轉向支撐套管用調(diào)節(jié)螺栓固定于前橋內(nèi)部的左右兩邊。轉向軸安裝在轉向支撐套管的里面，其下端固定在前支撐，前輪與前支撐連接；后支撐上端用調(diào)節(jié)螺栓與機架連接，下端與后輪連接。高地隙自走式噴桿噴霧機主要由高地隙自走式底盤機架、轉向裝置、智能噴霧系統(tǒng)、噴桿升降及折疊機構、液壓控制系統(tǒng)等幾大部分組成。工作展開狀態(tài)b.非工作收起狀態(tài)圖2.1高地隙自走式智能噴桿噴霧機圖2.2底盤二維圖重心位置的確定：部件名稱質量藥箱本體m1=63kg藥水m2=550kg發(fā)動機m3=190kg液泵m4=25kg電機m5=20kg車架m6=100kg傳動系統(tǒng)m7=70kg車輪m8=15*4=60kg整車M=1078kg參照前輪與地面接觸點為坐標原點，水平方向為X軸方向，豎直方向為Z軸方向，建立平面直角坐標系。重心的水平位置代入數(shù)據(jù)解之得x=416mm重心的垂直位置代入數(shù)據(jù)解之得hg=2006.9mm2.3關鍵系統(tǒng)設計2.3.1底盤平衡裝置底盤平衡裝置包括支承座、搖擺軸、搖擺軸套和防轉銷。搖擺軸負載主要載荷，搖擺軸軸端焊接防轉臂，防轉銷選用M12細牙螺栓將防轉臂和搖擺軸支承座固定，防止搖擺軸轉動。平衡桿的作用是當左右兩輪的水平高度不同時，為了防止桿身扭轉，平衡桿會產(chǎn)生防傾阻力（RollResistance）抑制車身滾動。即是說，當左右兩邊的懸吊上下同步動作時平衡桿不會發(fā)生作用，而只有當左右兩邊懸吊因路面起伏或轉向過彎造成的不同步動作時平衡桿才會產(chǎn)生效用。車身通過安裝的獨立懸掛系統(tǒng)來吸收外加的震動，以此來降低地面高低不平造成的震動影響。因為避震裝置的彈簧為獨立，而且每個彈簧的材質、物理性能等方面難以保持參數(shù)相同，就會造成剩余震動的影響還是會波及車體。其具體表現(xiàn)則是單邊吃力，如果車輛在高速行駛中急轉彎或遇緊急避讓時就很容易產(chǎn)生側傾翻車。平衡桿的使用，將車輛避震裝置連結為一整體，增強了車體的剛性、有效地防止了車體變形、平衡了兩輪扭力、防止定位位移、減少了兩輪的顛簸度、延長了避震裝置的壽命、避免轉彎時側傾，從而提高了車身的安全性，使得操作更為靈活，乘坐更為舒適。平衡桿安裝完成后，要檢查平衡桿周圍的零部件與平衡桿之間的距離約為0.5cm-1cm，不可貼合在一起，否則在汽車行駛中會出現(xiàn)響聲，將會影響駕駛。2.3.2動力系統(tǒng)為了能夠水田作業(yè),高地隙噴桿噴霧機質量輕,為此選用了結構簡單、體積小、質量輕而且具有自吸能力的小型高速旋渦泵。液泵輸出一路藥液供噴頭噴霧,多余的藥液回流至藥液箱來對藥箱中的藥液進行攪拌混合。高地隙噴桿噴霧機噴桿上安裝有12個噴頭體,噴頭的流量為0.5～1.5L/min(0.3MPa壓力下),每次有12個噴頭同時進行作業(yè),總噴霧量達6～18L/min。攪拌的流量一般為藥箱容積的5%～10%,考慮到藥箱底部平滑,不利于攪拌,確定攪拌流量為藥箱容積的15%,即為30L/min。根據(jù)以上參數(shù),確定小型高速旋渦泵的設計流量為60L/min。發(fā)動機選用科勒SV480型號發(fā)動機，四沖程單缸風冷，在汽車行業(yè)應用廣泛，標定轉速3600rpm，額定電壓380V，連續(xù)輸出功率11.9kW,最大功率16kW，額定頻率11.9Hz,工作方式為往復活塞式內(nèi)燃機，連續(xù)工作時間100000h，啟動方式自動，燃油箱容量1.6L。主要優(yōu)點有省油，優(yōu)良的燃燒效率產(chǎn)生極高的經(jīng)濟效益；寧靜，無論何時無論何處都能使用的低噪音發(fā)動機；可靠，穩(wěn)定的自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和機油警告系統(tǒng),令人放心使用?？评站考夹g及豐富經(jīng)驗體現(xiàn)于每一臺發(fā)動機上,保證每一臺發(fā)動機在長久運行中性能穩(wěn)定、工作可靠從而大大節(jié)省維修保養(yǎng)的耗時。采用自動電壓調(diào)節(jié)器在設備加載時能自動保持電壓的穩(wěn)定,確保提供平穩(wěn)的電力。當機油油位過低時,機油警告系統(tǒng)自動停止發(fā)動機運轉,使發(fā)動機免受損壞。擁有最大輸出功率、扭矩，燃油效率高，發(fā)動機壽命長，適合高地隙噴桿噴霧機的動力要求。發(fā)電機選用蘇美達FIRMAN機組型號SG900F-6發(fā)電機，頻率50Hz，額定功率650kW，額定電壓220V，相數(shù)單相，發(fā)動機型號 S60，起動方式手啟動。便攜式汽、柴油發(fā)電機組由于其輕巧、便攜、安全、耐用等特點，廣泛應用于工業(yè)和農(nóng)用用領域。近年來，隨著環(huán)境保護意識的不斷提升，市場對汽、柴油發(fā)電機組發(fā)電效率、尾氣與噪聲排放、運行的安全性、穩(wěn)定性提出了更高的要求。FIRMAN汽油發(fā)電機組具有以下突出特點：實現(xiàn)發(fā)電機組輸出功率控制智能化，確保功率與負載的動態(tài)匹配。在保證發(fā)電效率的同時，節(jié)省使用成本。為減少客戶設備采購費用，延長機器使用壽命，研發(fā)人員設計了基于負載電壓、負載電流、負載持續(xù)時間的動態(tài)調(diào)節(jié)勵磁輸出結構，實現(xiàn)對發(fā)電機組輸出功率的智能控制。高品質、可靠性、耐久性適合噴霧機選型要求。動力系統(tǒng)，發(fā)動機的動力經(jīng)皮帶輪傳遞到主變速箱，主變速箱一路輸出到前差速器，一路輸出到后差速器，經(jīng)齒輪傳動帶動輪子旋轉。其中，轉速可調(diào)整，滿足田間作業(yè)不同機具的動力要求。2.3.3行走與轉向系統(tǒng)四輪驅動及90度轉向本機采用四輪驅動、四輪轉向的自走式底盤，其中四輪轉向與兩輪轉向可以互相轉換。一般的作業(yè)和行走時采用前輪轉向，當回轉半徑最小化的場合采用4輪轉向。四輪轉向保證了轉彎半徑最小達到2m，前輪轉向與四輪轉向的切換采用液壓油缸、電動汽缸以及機械拉桿相結合的方式。發(fā)動機的動力經(jīng)變速箱由輸出軸傳遞到前后橋的差速器，再通過前后橋半軸驅動支腿軸上端的錐齒輪轉動，支腿軸的上下端各安裝一個傳動錐齒輪，下錐齒輪與最終傳動齒輪箱內(nèi)的最終傳動錐齒輪嚙合，最終傳動齒輪安裝在車輪軸上，從而驅動輪胎行走，實現(xiàn)四輪驅動。其中，后橋左右半軸動力經(jīng)過左右剎車組件再輸出給支腿軸。方向盤的操作通過轉向泵帶動前轉向油缸運作，前左轉向支撐組件轉動來帶動左前輪轉向，同時帶動著前橫拉桿與前后轉向拉桿轉動。當轉向切換機構結合時，帶動切換拉桿轉動，進而帶動后左轉向支撐組件轉動，通過后橫拉桿帶動右后輪轉向，實現(xiàn)4輪同時轉向；當轉向切換機構分離時，切換拉桿不動，只有前輪轉向。圖2.3轉向裝置結構高地隙噴桿噴霧機底盤轉向時，左右兩側的輪胎以不同的角度旋轉，設計極限轉角為45°，根據(jù)經(jīng)典等腰梯形四連桿機構的轉向運動學理論來設計轉向系統(tǒng)。依據(jù)輪式車輛轉向機構的運動學理論，盡量保證車輪在地上只做純滾動，而不產(chǎn)生滑動，包括發(fā)生側滑、縱向滑移和滑轉等。為此，轉向系統(tǒng)必須滿足轉向時通過各個車輪幾何軸線的垂直平面都應相交于同一直線上，如圖2.5所示。圖2.4轉向運動簡圖由圖中的關系，可以得出（1）（2）式中Ｒ—底盤的轉向半徑，即從轉向中心O到車輛驅動橋中心點之間的距離(mm);L—車輛前后軸之間的距離(mm);M—車輛左右轉向節(jié)立軸之間的距離(mm);β—車輛轉向時，內(nèi)側轉向輪的轉向角度(°);ɑ—車輛轉向時，外側轉向輪的轉向角度(°)。聯(lián)立式(1)和式(2)，可以得出（3）兩側轉向輪相對于底盤所偏轉的角度都應該滿足式(3)的條件，否則轉向輪轉向過程中就會產(chǎn)生側向滑動。圖2.5轉向示意圖高地隙自走式底盤動力傳遞采用全液壓柔性傳動，采用機械四輪驅動的結構型式，可滿足在惡劣環(huán)境下工作的要求。轉向裝置采用4輪轉向，前后輪設計最大轉角45度，這樣最大轉向角可達90度，能實現(xiàn)平移。當前面兩個輪開始向左轉時，后面兩個輪在連桿作用下向右轉，這樣可以在非常小的轉彎半徑下實現(xiàn)90度的轉彎，而且可以實現(xiàn)平移運動。2.3.4制動系統(tǒng)為實現(xiàn)機器安全作業(yè)，對前后輪分別設計有制動裝置。前輪采用剎車片制動系統(tǒng)實現(xiàn)前輪的直接制動；后輪通過在驅動軸上安裝剎車帶制動裝置，通過制動驅動軸實現(xiàn)后輪間接制動。對汽車制動的主要影響是汽車前后軸荷的變化。地面對前、后車輪上的法向反作用力數(shù)值等于車輪的垂直載荷，制動時法向反作用力影響作用在車輪上的摩擦力大小。汽車靜止時前后軸荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的但在制動過程中，由于汽車慣性力的作用．軸間的載荷會重新分配。在制動過程中．汽車受慣性影響向前沖，前輪負荷變大幅度增大；后輪載荷大幅度減少。2.3.5噴霧系統(tǒng)動力輸出通過皮帶傳動驅動液泵，液泵將藥液箱內(nèi)的藥液吸入后增壓，藥液被輸送到安裝在噴桿上的低量噴頭處霧化。噴桿與高地隙自走式底盤懸掛，采用平行四邊形升降機構，可以保證噴桿升降過程中只有平移，沒有轉動，保證了噴霧效果。噴桿升降機構的升降幅度最大為1200mm，可以滿足蔬菜噴霧要求。噴桿折疊采用電動推桿的結構，既減輕了噴桿的質量，又保證了噴桿的自動折疊?！叭灰惑w”組合式防滴噴頭，可配用不同噴量的噴嘴，具有良好的密封性能、防滴性能和耐腐蝕性能。根據(jù)不同的作業(yè)需要，只需將選定的噴嘴旋轉到噴霧位置即可，且不需要調(diào)整每個噴嘴的偏轉角度，減少了噴頭的更換、調(diào)整時間，避免了噴頭丟失。智能對靶噴霧技術：采用圖像處理技術，對靶標及行距進行識別，以控制是否噴霧或哪些噴頭需要噴霧，這樣可以避免在非靶標區(qū)域的噴施，從而減少農(nóng)藥使用量，實現(xiàn)智能對靶噴霧。底盤技術測算3.1側翻性能測算車輛側翻種類大致有兩種，一類是曲線運動引起的側翻（maneuverinducedrollover），另一類是絆倒側翻（trippedrollover）。前者為車輛在道路包括側向坡道上行駛的時候，由于車輛的側向加速度變得過大而超過一定的限定值，會使得車輛內(nèi)側車輪的垂直反力減小為零，而引起側翻；后者是指車輛行駛時產(chǎn)生了側向滑移，并且被路面上的障礙物側向撞擊而“絆倒”的側翻。對曲線運動引起側翻的考慮：忽略該車車輪及車架等部分的彈性變形，“即為準靜態(tài)”，車輛在開始側翻時所受的側向加速度為側翻閾值，其大小為：式中ay為側向加速度，g為重力加速度，B為輪距，hg為重心離地面的高度，α為坡道角（tanα），α=0。側翻閾值以單位重力加速度表示，可用于評定車輛的側翻穩(wěn)定性，側翻閾值越大，表示車輛的側翻穩(wěn)定性能越高，車輛越不容易發(fā)生側翻。影響側翻閾值的因素主要有質心的高度和輪距，但由于輪距主要受路面寬度限制，變動不能太大，因此質心高度是影響側翻閾值的最主要因素。質心高度變化對側翻閾值有很大影響,這是對側翻閾值最敏感的參數(shù)之一。美國的調(diào)查發(fā)現(xiàn),具有0.4g傾翻閾值的滿載重型車輛發(fā)生傾翻事故的頻率約是傾翻閾值為0.65g的空載重型車輛的10倍,可見重型車輛傾翻閾值受質心高度的影響很大。一般來說,車輛的側翻閾值在0.2～0.8g居多，因此，車輛的質心高度應控制在0.8～1.8m。當hs達到2.5m時,車輛的穩(wěn)定性極差,車身的微小晃動都會導致車輛的側翻。因此，降低質心高度,對提高車輛的穩(wěn)定性尤其是抗側翻性能,有顯著的作用。增大車輛的側傾中心高度可以增大車輛的側翻閾值，但是當車輛的側傾中心高度增大到一定程度(約1.60m)時,它對車輛的側翻閾值的影響己經(jīng)很小了,甚至側翻閾值不會再增大。同時,側傾中心的高度受到車輛的底盤結構影響,只能在車輛的綜合性能上加以考慮。輪距也是影響車輛側翻閾值最敏感的參數(shù)之一。輪距的增大會一直增大車輛的側翻閾值，當輪距的值小于1.2m時,車輛的狀態(tài)極其不穩(wěn)定,此時的側翻閾值幾乎為零。因此,理論上的車輛輪距都不應該小于此值。由于輪距的大小受到最大車寬限制,因此需要綜合考慮各種因素如車輛的外觀、布置和整車性能,才能最大的提高的車輛的抗側翻能力。3.2高地隙自走式底盤前后軸荷的計算軸荷分配：汽車質量在前后軸的軸荷分配是指汽車在空載或滿載靜止的情況下，前后軸對支撐平面的垂直負荷，也可以用占空載或滿載總質量的百分比來表示。軸荷分配對輪胎壽命和汽車的使用性能有影響。在汽車總布置設計時，軸荷分配應考慮這些問題：從各輪胎磨損均勻和壽命相近考慮，各個車輪的載荷應相差不大；為了保證汽車有良好的動力性和通過性，驅動橋應有足夠大的載荷，而從動軸載荷可以適當減少；為了保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性，轉向軸的載荷不應過小。因此可以得出作為很重要的載荷分配參數(shù)，各使用性能對其要求是相互矛盾的，這要求設計時應根據(jù)對整車的性能要求、使用條件等，合理的選取軸荷分配。汽車的裝載方式和制動過程中作用在質心位置的慣性力都會改變汽車的軸間載荷，從而改變了各軸與地面間的附著力，影響汽車的制動效能。因此軸間載荷影響汽車的制動力的分配。汽車靜止時前后軸荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的但在制動過程中，由于汽車慣性力的作用．軸間的載荷會重新分配。在制動過程中，汽車受慣性影響向前沖，前輪負荷變大。扭矩分配方式與汽車的質量分配相對應，有利于利用車輛加速時后軸載荷大于前軸的情況下，提升車輛輪胎的抓地力，增加車輛的穩(wěn)定性。3.3高地隙自走式底盤萬向傳動軸的計算十字軸萬向節(jié)結構簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低，但所連接的兩軸夾角不宜太大。當夾角增加時，萬向節(jié)中的滾針軸承壽命將下降。普通的十字軸式萬向節(jié)主要由主動叉，從動叉，十字軸，滾針軸承及軸向定位件和橡膠封件等組成。簡單的說萬向節(jié)可以轉變力的傳遞方向，配合傳動軸伸縮后，可以調(diào)整因為輪胎跳動而改變的力的傳遞方向，從而使得汽車適應不同的路面行駛。嚴格的來講，萬向傳動軸是將發(fā)動機的動力傳遞到差速器，再由差速器將動力分配給兩側車輪。汽車發(fā)動機是固定在車架（大梁）上的，動力輸出的軸對車架的位置是固定的，而汽車的驅動車輪固定在軸上，為了減震，車軸是通過彈簧支架再固定在車架（大梁）上的，汽車通過不平整的地面運動時由于慣性的原因，驅動輪軸不斷相對車架上下運動，這樣，汽車得以較平穩(wěn)的水平運動。對車架位置固定的發(fā)動機動力輸出軸將動力傳遞到對車架位置不斷變化的驅動輪軸，就需要能適應這一要求的傳動裝置：萬向傳動軸，以保證發(fā)動機的動力能在驅動軸位置不斷變化的過程中，有效將動力傳遞到車輪，驅動車輛前進后退。萬向傳動軸因布置位置不同，計算載荷是不同的。計算載荷的計算方法主要有三種：按發(fā)動機最大轉矩來確定、按驅動輪打滑來確定、按日常平均使用轉矩來確定。本設計就結合農(nóng)用車的實際情況按發(fā)動機最大轉矩來確定萬向傳動裝置的計算載荷。其中，Temax為發(fā)動機的最大扭矩，取83N·m，η為發(fā)動機到萬向傳動裝置的效率，取0.95。n為計算驅動橋數(shù)，取2。帶入數(shù)據(jù)計算的Tse1=39.425N·m傳動軸臨界轉速校核：其中，dc、Dc分別為傳動軸軸管的內(nèi)、外徑，dc=55mm，Dc=60mm，Lc為傳動軸長度，Lc=400mm。代入數(shù)據(jù)解之得：nk=60000r/min，取安全系數(shù)K=1.5，則nmax=nk/1.5=40000r/min。由于該車發(fā)動機的最高轉速小于40000r/min，故該傳動軸能傳遞發(fā)動機的轉速。扭轉強度的校核：其中τc為扭轉切應力，[τc]為許用扭轉切應力，[τc]為300Mpa。計算得：τc=0.003Mpa≤300Mpa，故傳動軸的扭轉切應力滿足要求，從而確保了變地隙自走式底盤動力傳遞系統(tǒng)的強度和可靠性要求，前后軸質量分配比例控制合理，保證了作業(yè)過程整機穩(wěn)定性。此外，自走式底盤還設有單作用和雙作用的多路液壓輸出裝置，以達到工作部件的液壓操控需求。通過底盤減震系統(tǒng)各減震部件結構和參數(shù)的合理設計，使震動得到有效的隔離和衰減，提高噴霧機行駛穩(wěn)定性，保證了噴灑質量。第四章底盤性能ANSYS分析4.1底盤車架有限元分析ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。ANSYS推出業(yè)界領先的工程設計仿真軟件，其獨特的新功能，為指導和優(yōu)化產(chǎn)品設計帶來了最優(yōu)的方法和提供了更加綜合全面的解決方案。工程仿真軟件ANSYS在結構、流體、電磁、多物理場耦合仿真、嵌入式仿真技術各方面都有重要的進展。ANSYS是完全的WWS程序，從而使應用更加方便；產(chǎn)品系列由一整套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要；它不僅可以進行線性分析，還可以進行各類非線性分析；它是一個綜合的多物理場耦合分析軟件，用戶不但可用其進行諸如結構、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進行這些分析的相互影響研究。結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。底盤車架不僅要承受發(fā)動機、發(fā)電機、藥箱、底盤等的重量，而且還要承受車輛在行使過程中產(chǎn)生的各種力和力矩。車輛在行使過程當中，要工作在各種路面，如一個車輪駛過路面上的坑洞等，同時還會因為要躲避行人或障礙物等緊急狀況而要進行緊急制動和緊急轉彎等突發(fā)狀況。在上述各種行駛工況下，都會產(chǎn)生新的附加載荷并作用于車架上，因此車架就必須要有足夠的強度和剛度來承受作用于其上的各種載荷。若車架的強度和剛度達不到要求則會造成車架開裂等各種損壞現(xiàn)象的發(fā)生，輕則影響汽車的正常行使，重則造成嚴重的交通事故，因此車架的強度和剛度不僅關系到車輛能否正常行使，同時還關系到整車的安全性好壞。對車架進行強度、剛度的分析同時也是對車架進行可靠性分析的基礎，運用ANSYS軟件導入了了農(nóng)用車車架的有限元計算模型如下圖：圖4.1車架三維視圖車架材料特性：

我們選用車架材料的物理性能如下：

彈性模量E=2.0×1011Pa；材料密度ρ=7850kg/m3；泊松比μ=0.3；

最小屈服極限360MPa；最小抗拉強度510MPa；最大抗拉強度610MPa。車架的強度和剛度分析，下面我們主要考慮了滿載彎曲工況和滿載扭轉工況。圖4.2底盤車架圖4.1.1滿載彎曲工況滿載彎曲工況是模擬車輛在滿載狀態(tài)下，四輪驅動在良好路面上平穩(wěn)行駛時，車架對其所承受的重量等效應力的響應。我們在滿載彎曲工況下，取動載系數(shù)為2。對車架進行約束，約束條件取決于工況。滿載彎曲工況下，在車架與四個懸置連接處進行約束。根據(jù)車架的實際載荷在相應位置處加集中載荷，分析結果如下圖。圖4.3彎曲工況下等效應力分布圖圖4.4彎曲工況下應變分布圖圖4.5彎曲工況下車架變形圖車架所承受的載荷施加主要遵循的原則：(1)發(fā)動機、變速箱、駕駛室及其附件的重量按集中載荷施加在其安裝位置；(2)車架自身的重量看作是作用在車架每一個節(jié)點上。由圖可見：車架的等效應力較大值位于第二橫梁位置，最大應力為184.9MPa，在約束點附件，小于材料的最小屈服極限360MPa，最大變形量為1.13。因此車架在滿載彎曲工況下的強度和剛度是滿足要求的。4.1.2滿載扭轉工況加載質量同樣按前面車架所承受的載荷施加主要遵循的原則處理。滿載扭轉工況是假設車輛行駛在崎嶇不平的地面，車速一般不高，前軸發(fā)生扭轉，后軸仍在水平面上。此時約束條件為后輪的兩懸置處為全約束，前輪的兩個懸置處給予約束和扭轉載荷，取動載荷系數(shù)2。圖4.6扭轉工況下等效應力分布圖圖4.7扭轉工況下應變分布圖圖4.8扭轉工況下車架變形圖扭轉工況下車架的有效應力、應變和位移分布如上圖所示。由車架的變形圖可知車架的前部變形量比較大，最大節(jié)點位移仍然出現(xiàn)在車架的前部，最大應力為302.8MPa，小于許用應力360MPa，最大變形量為6.57。因此車架在滿載扭轉工況下的強度和剛度也是滿足要求的。結論本文通過對高地隙噴桿噴霧機國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析與研究，對水田運作模式及高地隙噴桿噴霧機典型工況進行調(diào)研，對高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架關鍵零部件進行結構設計并建立了三維模型，完成自走式底盤機架的性能分析以及對高地隙噴桿噴霧機穩(wěn)定性測算。本文的主要工作及成果，根據(jù)高地隙噴桿噴霧機整機的設計要求，確定了高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架的設計方案，根據(jù)高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架的設計方案，對自走式底盤機架進行總體結構設計，包括四輪驅動裝置、四輪轉向裝置、底盤平衡裝置等關鍵零部件的工作原理和結構組成，并在Pro/ENGINEER軟件中建立自走式底盤機架三維模型。利用有限元軟件對自走式底盤機架進行了性能分析，結果表明自走式底盤機架的強度和剛度滿足材料的屈服極限要求。高地隙自走式底盤動力傳遞采用全液壓柔性傳動技術，采用機械四輪驅動的結構型式，可適應惡劣的環(huán)境。轉向裝置采用4輪轉向，前后輪設計最大轉角45度，這樣最大轉向角可達90度，能實現(xiàn)平移。當前面兩個輪開始向左轉時，后面兩個輪在連桿作用下向右轉，這樣可以在非常小的轉彎半徑下實現(xiàn)90度的轉彎。本文對高地隙噴桿噴霧機自走式底盤機架進行了理論分析，并應用計算機輔助技術和ANSYS有限元分析技術對自走式底盤機架進行了結構設計和仿真分析，但是由于其他客觀條件的限制，還有許多需要解決的問題，仍有許多工作需要一步步展開研究。本文分析了自走式底盤機架對高地隙噴桿噴霧機穩(wěn)定性的影響，但是對于高地隙噴霧機而言，其穩(wěn)定性的影響因素較多，包括噴桿噴架的升降，橫向斜坡和縱向斜坡上的轉彎和制動等都會影響噴霧機的穩(wěn)定性，應該加強對高地隙噴霧機穩(wěn)定性方面的深入研究。由于受試