丘陵山区履带式作业机全向调平系统设计.pdf

总第 236 期0引言丘陵山区地形具有地面凹凸不平、不规则、坡度大等显著特点，不利于农机装备的机械化作业1-3，因而丘陵山区的农业机械化发展较慢。目前，丘陵山区常见的作业机械可分为大功率和小功率两大类，大功率作业机包括联合培育机、联合收割机等，小功率作业机包括喷药机、松土机、割灌机等。与国外丘陵山地农机产品发展相比，我国研究起步相对较晚，目前仍处于初期阶段。同时，欧美发达国家基于其国内本土地域特征和自然环境条件研制的丘陵山地农业机械，虽然极大地满足了当地农场生产需求，然而并不完全适用于我国丘陵山区的作业环境4。本文根据丘陵山区农业机械作业需求，确定履带式作业机调平系统的总体要求，提出了基于“三层车架”的液压全向调平系统的结构方案和工作原理。1全向调平系统总体设计要求本文以履带式作业机为研究对象，匹配设计全向调平系统，可为丘陵山区农业机械的底盘调平系统研发提供理论基础和技术参考。通过总结国内外丘陵山区履带式作业机调平系统的设计经验，并结合我国丘陵山区的地形特征，提出丘陵山区履带式作业机调平系统的总体设计要求如下：（1）丘陵山区山高坡陡、道路崎岖、田块碎小，要求农业机械必须具备体积小、质量小、转弯半径小、通过性强、可靠性高等特点，因而调平系统尺寸和质量不易过大，系统结构应尽可能简单可靠，使用寿命长。（2）丘陵山区履带式作业机在凹凸路面、坡地作业过程中，不规则路面会导致行走机构的受力不均衡，机身发生倾斜，履带式作业机需实现机身的智能化自动调平，从而克服车辆受力不均，使作业机保持包括横向和纵向在内的全向机身水平，有效避免在坡度作业时的滑移和侧翻，提高稳定性。（3）根据我国丘陵山区的地形特点，要求履带式作业机的最大安全作业坡度达到 20，调平系统全向（横向和纵向）调平角度达到 20。（4）履带式作业机机身调平过程中，要求系统响应足够快，尽量减少系统调整时间，实现机身迅速平衡；控制器不宜复杂，以降低计算时间和硬件成本。2全向调平系统结构方案目前，调平系统具有多种结构方案5-6，根据调平的支撑点个数，可分为 3 点支撑、4 点支撑和多点支撑，其原理大体相同，都是通过控制支腿的伸缩来调节工作平面的空间角度变化7。3 点支撑调平系统相对而言结构较为简单，但是由于 3 个支撑点的受力终究汇集于一点，使其稳定性较差，容易发生侧翻。4点支撑共有 4 个调平执行器进行平衡调节，其稳定性和可靠性更高8。但 4 点及以上支撑会产生“虚腿”现象，即某一调平执行器未受力，处于一种悬置的“虚拟支撑”状态，该现象下的系统调平性能及稳定性都将受到一定的影响，应在调平控制中尽量避免“虚腿”现象的产生9-10。为此，本文提出引入铰接结构的点线复合支撑式“三层车架”调平方案，横向调平与纵向调平分别控制，实现全向调平解耦。全向调平履带式作业机的整体结构方案如图 1 所示。丘陵山区履带式作业机全向调平系统设计邹大庆1，丁仁凯1,2，石放辉1，孙泽宇2（1.江苏新能源汽车研究院有限公司,江苏盐城224007；2.江苏大学,江苏镇江212013）摘要：由于丘陵山区地形复杂、路面凹凸不平、坡度大，履带式作业机运行过程中的平衡和稳定是安全、高效作业的重要保障，并由调平系统性能所决定。文章根据丘陵山区农业机械作业需求，确定了履带式作业机调平系统的总体要求，提出了基于“三层车架”的液压全向调平系统的结构方案和工作原理，为履带式作业机整机动力学模型构建和调平控制器设计奠定了基础。关键词：履带式作业机；全向调平系统；结构方案；工作原理粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 驭 栽藻糟澡灶燥造燥早赠灾燥造援49 翼.4Aug援 圆园23第 49 卷第 4 期圆园23 年 8 月农业装备技术11总第 236 期1.运输货架；2.上层车架；3.横向调平油缸；4.中间车架；5.纵向调平油缸；6.下层车架；7.履带；8.涨紧轮；9.支撑轮；10.驱动轮。(b)三维示意图图 1全向调平履带式作业机3全向调平系统工作原理本文将机身全向调平归纳为是受机身姿态倾角决定的调平系统液压油缸工作过程，具体控制流程为：以机身姿态倾角水平为控制目标，明确系统调平目的与指标，并将液压油缸作为控制对象，进行基于机身倾角的全向调平控制器设计，控制器输出液压油缸控制信号，通过液压油缸的伸缩保证作业机机身姿态水平。根据上述控制流程，全向调平系统的组成可分为信息检测模块、控制处理模块和调平执行模块，工作原理如图 2 所示。信息检测模块：该模块主要负责采集履带式作业机的机身姿态倾角信息，通过传感器将采集到的机身倾角信息以电压模拟信号或者以协议输出，将机身倾角信号传递至控制处理模块。控制处理模块：该模块包括调平系统控制器的硬件和软件部分，控制处理模块接受信息检测模块传递的机身倾角信号，并进行滤波解算得到实时姿态倾角数值，根据设计的调平控制策略，输出控制信号到调平执行模块，使执行机构依照理想位移进行动作。(a)结构简图图 2全向调平系统工作原理农业装备技术粤耘栽圆园23.412总第 236 期调平执行模块：该模块主要由液压调平油缸、液压泵、油管、控制阀组、油箱等组成，控制阀组接受控制器发出的控制信号，调节电磁比例阀的开关，对液压油缸进行进油和出油动作，从而控制活塞杆的压缩和伸长，6 个液压调平油缸进行协同动作，实现履带式作业机机身全向调平。液压调平系统是调平执行模块，调平系统液压油路如图 3 所示，主要包括油箱、安全阀、液压泵、电动机、稳压阀、开关阀、电磁比例换向阀和液压油缸等部件。横向调平层是由 4 个液压油缸两两对称布置于上层车架与中间车架之间，纵向调平层是由 2个液压油缸对称布置于下层车架与中间车架之间，液压调平系统以及其他系统部件安装在下层车架与中间车架之间。液压调平系统通过伺服阀来控制油液流入或流出液压油缸，当控制电流为正时，高压源将油液压入液压油缸。控制电流为负时，依靠机身重力使油液流回油箱。控制电流为 0 时，阀门关闭。4结语为提高农业机械在丘陵山区复杂地形环境下的作业效率和安全性，明确了履带式作业机调平系统的总体设计要求，提出了一种点线复合支撑式“三层车架”全向调平方案，给出了液压全向调平系统的工作油路与工作原理，为丘陵山区履带式作业机调平底盘设计与控制器开发提供了技术参考。参考文献：1 周凤媚.农业机械化对我国农业经济发展影响研究J.现代农业装备,2021,42(5):78-80.2 王升升,耿令新.丘陵山区农业机械化发展现状及对策J.农业工程,2016,6(5):1-4.3 林立,仵建涛,陶琎.关于农业机械化助力乡村振兴战略实施的思考J.中国农机化学报,2019,40(2):228-231.4 赵军平.国内外农机装备发展现状及发展趋势J.河北农机,2012(2):31-32.5 梁卓.山地履带拖拉机底盘控制系统研究D.咸阳：西北农林科技大学,2020.6 王萧.丘陵山地履带拖拉机车身自适应调平系统的研究D.成都：四川农业大学,2020.7 周志艳,周铭杰,陈羽,等.喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动调平控制系统研究J.农业机械学报,2022,53(12):70-79.8 杨腾祥.履带式联合收割机全向调平底盘设计与试验研究D.北京：中国农业科学院,2020.9 汪伟.重型车辆液压自动调平模糊 PID 控制研究D.武汉：武汉理工大学,2009.10 肖藩.基于三自由度并联支撑机构的自动调平系统的研究D.赣州：江西理工大学,2012.图 3调平系统液压回路1.油箱；2.安全阀；3.液压泵；4.电动机；5.油压表；6.稳压阀；7.蓄能器；8.开关阀；9.电磁比例换向阀；10.液压油缸；11.有杆腔；12.无杆腔。邹大庆等：丘陵山区履带式作业机全向调平系统设计粤耘栽圆园23.413