毕业设计（论文）-高地隙喷杆喷雾机底盘的设计及性能分析

本科毕业设计(论文)题目:高地隙喷杆喷雾机底盘的设计及性能分析姓名:学院:机械电子工程专业:机械设计制造及其自动化班级:学号:导教师:职称:教授二○XX年五月三十日摘要针对我国缺乏大田高效施药机具的现状，研制出一种大型、高效、安全的防治大田蔬菜与水稻病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机。该机具集成高地隙自走式底盘、喷雾系统、机电液中央控制系统，自走式底盘主要由机架、动力系统、行走转向系统以及液压系统几个方面组成。自走式底盘是高地隙喷杆喷雾机的核心部件，其结构决定了喷雾机的离地间隙，同时影响喷雾机在田间的通过性能，高地隙喷杆喷雾机的主要零部件安装于自走式底盘机架上部，底盘机架是车辆重要工作载荷的承受部件。本文对高地隙喷杆喷雾机底盘进行理论分析、计算及结构设计，底盘系统中各组成部件包括发电机、发动机、螺栓螺钉、油缸、转动机构的选择和设计，并对底盘进行ANSYS性能分析。根据设计依据和资料数据，确定高地隙喷杆喷雾机底盘设计方案可行，高地隙喷杆喷雾机底盘的功能设计合理，底盘的行走性能、转向性能分析合理。关键词：高地隙自走式；喷杆喷雾机；底盘；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目录第一章绪论………………………11.1研究目的和意义…………………11.1.1研究背景…………11.1.2研究目的…………21.1.3研究意义…………21.2国内外研究现状………………………31.2.1国外研究现状……………………31.2.2国内研究现状……………………41.2.3自走式底盘研究现状……………51.3研究内容…………7第二章底盘系统总体设计…………82.1总体设计要求…………82.2底盘的结构及工作原理………………82.3关键系统设计…………112.3.1底盘平衡装置……………………112.3.2动力系统…………122.3.3行走与转向系统…………………132.3.4制动系统…………152.3.5喷雾系统…………16第三章底盘技术测算……………173.1侧翻性能测算………………………173.2高地隙自走式底盘前后轴荷的计算………………183.3高地隙自走式底盘万向传动轴的计算……………18第四章底盘性能ANSYS分析………214.1底盘车架有限元分析………………214.1.1满载弯曲工况……………………234.1.2满载扭转工况…………………26结论…………………29致谢…………………30参考文献………………31附录表1………………33南京林业大学本科生毕业设计（论文）-3-绪论1.1研究目的和意义1.1.1研究背景近年来，我国农业生产模式正向着集中化、规模化方向转变，以往在我国植保机械中占主要地位的小型机动喷雾机械，已经无法适应大田作物集中种植喷药的要求，要求植保机械的工作效率更大的提高。针对应用区域和种植作物特点，高效的大型植保机械装备比如喷杆式喷雾机的开发是必然的。多年来,病虫害防治问题一直困扰着我国一些主要优势经济作物如棉花、大豆等生长的中后期,因大型高地隙自走式喷杆喷雾机市场缺乏,目前棉花生长中后期病虫害防治及脱叶催熟剂的喷洒只能依托拖拉机配套悬挂式喷杆喷雾机或者飞机来完成。采用拖拉机悬挂的喷杆喷雾机在棉花封行后进行喷雾作业时,因为拖拉机地隙低、底部会压折棉株、撞落已吐絮的棉花。若采用飞机喷洒会受到气象条件极大的影响,雾滴容易随风飘移而污染环境,喷洒质量、防治效果也很不理想。因此，生长中后期作物的药液喷洒,成为影响我国棉花生产的技术难关。解决这一难题的关键在于为喷洒设备提供高地隙自走式喷雾机底盘,使喷雾机距地间隙大于作物高度，这样就可避免对作物的损伤。近来,我国东北、新疆地区引进了一些国外生产的大型高地隙自走式喷杆喷雾机,来进行试验。这些喷雾机技术先进,使用可靠,但是价格高昂,一般售价都在20万美元以上,而且成本高,经济性较差,不适合在我国广泛推行。与国外先进设备相比,我国生产、使用的拖拉机配套喷杆喷雾机产品技术性能落后,不能满足棉花、玉米、大豆等作物中后期田间管理防治的要求。当前,欧美等发达国家生产和使用的施药机械以大型机具为主,其中自走式喷雾机械的发展迅速,所占市场份额递增。大型施药机械喷雾机充分结合液压技术、电子控制技术,比如精量喷洒调控技术、气流辅助喷洒技术等,并配套GPS定位系统,大大提高了施药的精确性,减少了农药用量,降低了农药对生态环境的污染。澳大利亚、加拿大等国农业人口比重小,种植面积大,是高地隙自走式喷杆喷雾机的主要国外市场。目前,这些国家使用的喷雾机主要是美国、德国、丹麦、意大利等国的产品,设备先进,但价格高昂。在以往的经验交流中,喷雾机用户已经有意向购买价廉物美的中国同类产品,因此高地隙自走式喷杆喷雾机潜在的国外市场也很大。1.1.2研究目的我国高地隙喷杆喷雾机的研究还处于起步阶段，要实现全程机械化，还需要很多的尝试。而在国外，很早就对高地隙喷雾机进行了研究，技术也相对成熟。在我国高地隙喷雾机的研究过程中，可以适当借鉴和参考国外的研究成果。通过对国外高地隙喷雾机的研究分析，解决高秆农作物生长中后期施药作业的难题的关键是提高喷雾机的离地间隙。对于高地隙喷雾机而言，其离地间隙取决于喷雾机自走式底盘机架的结构。因此，自走式底盘机架是高地隙喷杆喷雾机的核心组成部件，对整机的可靠性、稳定性以及各项工作性能有着极其重要的影响。近些年来，我国一些科研单位虽然也对高地隙喷雾机进行了研发，但是主要机型仍然难以满足高秆作物生长后期施药作业的要求。而高地隙喷雾机的核心部件——自走式底盘机架也只是粗略地模仿国外的机型，且有喷雾机自走式底盘机架装置笨重、振动和噪音巨大、效率低、稳定性差等问题。这些问题不仅不能满足用户的要求，也不能满足玉米等高秆作物真正实现机械化作业的要求，阻碍了农作物实现全程机械化的发展。本文针对高地隙自走式底盘机架进行研究，对高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架的关键零部件进行结构设计并建立其三维模型，完成自走式底盘机架的静动态性能分析，以此来提高自走式底盘机架以及高地隙喷雾机的可靠性和稳定性。1.1.3研究意义自走式底盘机架作为高地隙喷杆喷雾机的核心部件之一，其性能直接决定了喷雾机的整体性能，在整机的设计中至关重要。自走式底盘机架上承载着动力装置、传动装置、药箱等，在工作中承受冲击载荷和振动，机架的结构直接影响整机的工作性能，这就要求机架必须具备足够的强度以满足疲劳寿命要求，要具备足够的静刚度以满足装配和使用要求。喷雾机的底盘是决定其离地间隙的重要部件，也是高地隙自走式喷雾机最核心的组成部件之一。设计制出结构合理、性能稳定、适合高秆作物生长中后期施药作业的高地隙自走式喷雾机底盘，不仅能够有效防止高秆作物生长中后期发生的病虫害，提高作物产量和质量，促进农作物的全程机械化，而且为其他高秆作物、密植果园、水稻大田蔬菜的植保作业提供了可靠的技术保证。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在国外尤其是欧美等发达的玉米种植大国都已经实现玉米全程机械化施药作业，施药机具以中、大型喷雾机为主，主要是电控液压驱动的自走式玉米药液喷洒专用机械，并采用了大量的先进技术来提高设备的可靠性、安全性及便捷性。其中以纽荷兰（NEWHOLLAND）公司生产的自走式玉米喷雾机，法国布光（BOURGOINS.A.S）公司生产的4WD-2204-TURBO型自走式玉米喷洒机械，美国十方国际公司（TenSquareInternational，Inc.）生产的HAGIE系列喷洒机为代表，如图1.1和图1.2所示。这几种高地隙喷雾机的特点是：整机底盘的离地间隙达到玉米生长中后期的喷雾作业要求，采用液压驱动转向，具有不错的转向性能和较好的行驶稳定性，采用液压调节轮距和液压调节地隙，自动化水平较高，对玉米等高秆作物的植保作业效率较高。国外发达国家高地隙底盘技术的应用已经很普遍，一般有两种型式：一种是在拖拉机上通过更换大直径窄胶轮来提高拖拉机地隙。国外有生产多种规格的高地隙窄胶轮可选，但难题是轮子窄而直径大，如何保证车轮的强度和橡胶的使用寿命是瓶颈；另一种型式是采用液压自走式底盘，针对不同的作业对象，通过4个液压油缸的升降机构来调节底盘地隙。图1.1NEWHOLLAND高地隙喷雾机图1.2HAGIE高地隙喷雾机1.2.2国内研究现状小型动力植保机械按其操作、携带和运载方式分为担架式、自走式等。担架式喷雾机是我国水稻规模化种植区域应用比较多的药械，体积小，可通过两人担起转移，也可安装在拖拉机或农用车上作业，配备喷雾软管，末端接有可调喷枪，可以大范围喷药。自走式水稻植保机械是一种简易的动力植保机械。采用独立行走方式，跨越田埂能力比较强，损苗率比较低，作业人员的劳动强度得以降低，效率得到了大幅提升；不需要借助拖拉机，成本相对比较低。该机具的缺点是需要操作人员守在旁边通过操纵杆进行方向的控制；机具一般较小，两轮行距小，车辆在高低不平的地面行驶，搭载的喷杆倾斜明显，难以平衡，难以保证喷药的均匀性，且操作人员易受到农药污染。2010年现代农装科技股份有限公司与中国农业机械化科学研究院共同开发了3WZG-3000A型高地隙自走式喷杆喷雾机，如图1.3所示。该机型自带动力，四轮液压驱动，主要技术参数：配套动力92kw；工作幅宽有21m(配有风幕)；地隙达1350mm，能够满足棉花后期施药高度，并且兼顾大豆、油菜等作物。2011年中国一拖集团公司在对黑龙江、吉林和辽宁等省的大农场进行市场调研的基础上开发了东方红-3WPZ2500型高地隙自走式植保机械，如图1.4所示。该机型设计为发动机前置，驾驶室中置，药罐后置的方式。整机满载后桥承重不超过60%，空载后桥承载不小于40％。其配套动力为92kw，离地间隙1500mm，能够适应大豆等农作物的后期施药作业。图1.3WZG-3000A型高地隙喷雾机图1.4WPZ2500型高地隙喷雾机1.2.3自走式底盘研究现状目前，国内外喷雾机械底盘结构以拖拉机底盘为主，也有一些学者自主研发了一些专用底盘。比如周海燕等专家针对我国缺乏大田蔬菜地高效施药机械的现状，研制出了一种小型、高效、安全的防治大田蔬菜与水稻病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机，其自走式底盘主要由机架、动力系统、行走转向系统以及液压系统几个方面组成。该机采用机械四轮驱动、液压四轮转向方式，其主要优点是稳定性好、灵活转向、适应性好，喷杆前置、药箱后置，保证整机的重心平衡，采用电动推杆折叠喷杆，减轻了喷杆质量，作业效率较高，不仅适应大田蔬菜施药农艺，还可应用于水田的施药作业。但其缺点是底盘柔性不足，比如无法调整轮距轴距和地隙高度等问题，难以满足不同行距、不同作物生长培育期的植保作业要求。西北农林科技大学的路敌等专家开展了基于偏置轴的四轮独立驱动、独立转向的温室作业机柔性底盘及其控制系统的研发，进行了柔性的底盘驱动系统和控制的设计，并依据柔性底盘运动性能对中央控制器进行了设计，初步试制了柔性底盘的样车。该机械的柔性主要体现在偏置轴机构连接底盘车架和各个电动轮支撑架，以实现底盘直线运动、横向直线运动、偏移运动，实现四轮转向运动和原地回转等。上海市农业机械研究所申请了水稻多功能变量喷雾机的自走式高地隙可调液压驱动底盘实用新型专利，液压马达驱动底盘行走，以实现四轮驱动；同步升降油缸活塞杆的伸缩，使转向臂带动底盘机架同步地升降，实现地隙的调节；前、后轮4个转向油缸同步地转动方向，实现了不同方位的同步转向，获得最小的转弯半径，也可以通过后轮转向油缸的锁定，使前轮转向油缸运作，实现后轮差速，前轮单作用转向方式，实现对水稻作物不同生长期的田间草害、病虫害防治以及施药生产环节的作业。该机的主要优点是地隙高度的可调节及转向灵活性，但无法调节其轮距。一般意义来说，底盘是指车辆上由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成的集合，支撑、安装车辆发动机、发电机及其各部件组成，形成车辆的整体造型，承受发动机的动力输出，保证正常的行驶。对于农药喷雾机械，底盘除了承载发动机及其各部件组成之外，还需要安装悬挂喷杆、泵、药箱等，并为喷杆、泵等提供动力，其作用如人的双足，底盘性能的好坏，很大程度上影响了喷雾机性能的总体发挥。如图1.5与图1.6。图1.5喷雾机底盘系统的设计原理底盘旋转工作台；2.喷杆升降液压缸；3.轮架；4.车轮马达；5.车轮；6.底盘同步升降液压缸；7.导向杆；8.底盘机架；9.药箱；10.药箱固定架；11.液压泵；12.喷杆升降架；13.喷杆接口；14.导航系统；15.转动销轴；16.喷杆变换液压缸；17.竖直梁；18.上水平梁；19.喷杆图1.6喷雾机底盘功能树1.3研究内容本论文主要针对高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架进行设计研究，对高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架关键零部件进行结构设计，对自走式底盘机架的静动态性能以及稳定性进行分析，完成高地隙喷杆喷雾机底盘的理论分析、计算及结构设计，底盘系统中各组成部件包括活塞杆、油缸完成、转动机构的选择和设计，并进行底盘的性能分析。主要进行以下几方面的工作：（1）确定高地隙喷杆喷雾机整机的设计要求确定高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架的设计方案，根据设计依据和资料数据，高地隙喷杆喷雾机底盘设计方案可行；（2）论证高地隙喷杆喷雾机底盘的功能设计合理，对自走式底盘机架进行总体结构设计，包括前轮转向支撑立柱、底盘平衡装置以及后轮支撑立柱等关键零部件的工作原理和结构组成；（3）对自走式底盘机架进行静态特性分析和动态特性分析，底盘的行走性能、转向性能分析合理。底盘系统总体设计2.1总体设计要求底盘结构设计主要包括发动机、机架、传动系统、制动系统、行走转向系统、动力及液压输出系统、电气系统及其他工作装置(液压悬挂系统、动力输出轴)等组成部件的选型和设计。其中动力装置、行走驱动装置、地隙、轮距等满足田间管理农艺要求，具有标准液压悬挂装置、动力输出装置及多路液压输出等。设计要求有：（1）作业速度：2-6km/h；

（2）喷杆全部展开后最大工作幅宽：12m；

（3）地隙高度：0.8m-1.8m；

（4）喷杆高度调节范围：1m；

（5）施药量：150-600L/ha；

（6）作业效率：≥8ha/h。2.2底盘的结构及工作原理高地隙喷杆喷雾机底盘机架离地间隙为800～1800mm，驾驶舱、药箱、发动机均布置于机架上部，机架由方钢焊接而成，能保证机架足够的强度。底盘平衡机构固定于机架前端下部，底盘机架通过底盘平衡装置与前桥铰接，转向支撑套管用调节螺栓固定于前桥内部的左右两边。转向轴安装在转向支撑套管的里面，其下端固定在前支撑，前轮与前支撑连接；后支撑上端用调节螺栓与机架连接，下端与后轮连接。高地隙自走式喷杆喷雾机主要由高地隙自走式底盘机架、转向装置、智能喷雾系统、喷杆升降及折叠机构、液压控制系统等几大部分组成。工作展开状态b.非工作收起状态图2.1高地隙自走式智能喷杆喷雾机图2.2底盘二维图重心位置的确定：部件名称质量药箱本体m1=63kg药水m2=550kg发动机m3=190kg液泵m4=25kg电机m5=20kg车架m6=100kg传动系统m7=70kg车轮m8=15*4=60kg整车M=1078kg参照前轮与地面接触点为坐标原点，水平方向为X轴方向，竖直方向为Z轴方向，建立平面直角坐标系。重心的水平位置代入数据解之得x=416mm重心的垂直位置代入数据解之得hg=2006.9mm2.3关键系统设计2.3.1底盘平衡装置底盘平衡装置包括支承座、摇摆轴、摇摆轴套和防转销。摇摆轴负载主要载荷，摇摆轴轴端焊接防转臂，防转销选用M12细牙螺栓将防转臂和摇摆轴支承座固定，防止摇摆轴转动。平衡杆的作用是当左右两轮的水平高度不同时，为了防止杆身扭转，平衡杆会产生防倾阻力（RollResistance）抑制车身滚动。即是说，当左右两边的悬吊上下同步动作时平衡杆不会发生作用，而只有当左右两边悬吊因路面起伏或转向过弯造成的不同步动作时平衡杆才会产生效用。车身通过安装的独立悬挂系统来吸收外加的震动，以此来降低地面高低不平造成的震动影响。因为避震装置的弹簧为独立，而且每个弹簧的材质、物理性能等方面难以保持参数相同，就会造成剩余震动的影响还是会波及车体。其具体表现则是单边吃力，如果车辆在高速行驶中急转弯或遇紧急避让时就很容易产生侧倾翻车。平衡杆的使用，将车辆避震装置连结为一整体，增强了车体的刚性、有效地防止了车体变形、平衡了两轮扭力、防止定位位移、减少了两轮的颠簸度、延长了避震装置的寿命、避免转弯时侧倾，从而提高了车身的安全性，使得操作更为灵活，乘坐更为舒适。平衡杆安装完成后，要检查平衡杆周围的零部件与平衡杆之间的距离约为0.5cm-1cm，不可贴合在一起，否则在汽车行驶中会出现响声，将会影响驾驶。2.3.2动力系统为了能够水田作业,高地隙喷杆喷雾机质量轻,为此选用了结构简单、体积小、质量轻而且具有自吸能力的小型高速旋涡泵。液泵输出一路药液供喷头喷雾,多余的药液回流至药液箱来对药箱中的药液进行搅拌混合。高地隙喷杆喷雾机喷杆上安装有12个喷头体,喷头的流量为0.5～1.5L/min(0.3MPa压力下),每次有12个喷头同时进行作业,总喷雾量达6～18L/min。搅拌的流量一般为药箱容积的5%～10%,考虑到药箱底部平滑,不利于搅拌,确定搅拌流量为药箱容积的15%,即为30L/min。根据以上参数,确定小型高速旋涡泵的设计流量为60L/min。发动机选用科勒SV480型号发动机，四冲程单缸风冷，在汽车行业应用广泛，标定转速3600rpm，额定电压380V，连续输出功率11.9kW,最大功率16kW，额定频率11.9Hz,工作方式为往复活塞式内燃机，连续工作时间100000h，启动方式自动，燃油箱容量1.6L。主要优点有省油，优良的燃烧效率产生极高的经济效益；宁静，无论何时无论何处都能使用的低噪音发动机；可靠，稳定的自动电压调节系统和机油警告系统,令人放心使用。科勒精湛技术及丰富经验体现于每一台发动机上,保证每一台发动机在长久运行中性能稳定、工作可靠从而大大节省维修保养的耗时。采用自动电压调节器在设备加载时能自动保持电压的稳定,确保提供平稳的电力。当机油油位过低时,机油警告系统自动停止发动机运转,使发动机免受损坏。拥有最大输出功率、扭矩，燃油效率高，发动机寿命长，适合高地隙喷杆喷雾机的动力要求。发电机选用苏美达FIRMAN机组型号SG900F-6发电机，频率50Hz，额定功率650kW，额定电压220V，相数单相，发动机型号 S60，起动方式手启动。便携式汽、柴油发电机组由于其轻巧、便携、安全、耐用等特点，广泛应用于工业和农用用领域。近年来，随着环境保护意识的不断提升，市场对汽、柴油发电机组发电效率、尾气与噪声排放、运行的安全性、稳定性提出了更高的要求。FIRMAN汽油发电机组具有以下突出特点：实现发电机组输出功率控制智能化，确保功率与负载的动态匹配。在保证发电效率的同时，节省使用成本。为减少客户设备采购费用，延长机器使用寿命，研发人员设计了基于负载电压、负载电流、负载持续时间的动态调节励磁输出结构，实现对发电机组输出功率的智能控制。高品质、可靠性、耐久性适合喷雾机选型要求。动力系统，发动机的动力经皮带轮传递到主变速箱，主变速箱一路输出到前差速器，一路输出到后差速器，经齿轮传动带动轮子旋转。其中，转速可调整，满足田间作业不同机具的动力要求。2.3.3行走与转向系统四轮驱动及90度转向本机采用四轮驱动、四轮转向的自走式底盘，其中四轮转向与两轮转向可以互相转换。一般的作业和行走时采用前轮转向，当回转半径最小化的场合采用4轮转向。四轮转向保证了转弯半径最小达到2m，前轮转向与四轮转向的切换采用液压油缸、电动汽缸以及机械拉杆相结合的方式。发动机的动力经变速箱由输出轴传递到前后桥的差速器，再通过前后桥半轴驱动支腿轴上端的锥齿轮转动，支腿轴的上下端各安装一个传动锥齿轮，下锥齿轮与最终传动齿轮箱内的最终传动锥齿轮啮合，最终传动齿轮安装在车轮轴上，从而驱动轮胎行走，实现四轮驱动。其中，后桥左右半轴动力经过左右刹车组件再输出给支腿轴。方向盘的操作通过转向泵带动前转向油缸运作，前左转向支撑组件转动来带动左前轮转向，同时带动着前横拉杆与前后转向拉杆转动。当转向切换机构结合时，带动切换拉杆转动，进而带动后左转向支撑组件转动，通过后横拉杆带动右后轮转向，实现4轮同时转向；当转向切换机构分离时，切换拉杆不动，只有前轮转向。图2.3转向装置结构高地隙喷杆喷雾机底盘转向时，左右两侧的轮胎以不同的角度旋转，设计极限转角为45°，根据经典等腰梯形四连杆机构的转向运动学理论来设计转向系统。依据轮式车辆转向机构的运动学理论，尽量保证车轮在地上只做纯滚动，而不产生滑动，包括发生侧滑、纵向滑移和滑转等。为此，转向系统必须满足转向时通过各个车轮几何轴线的垂直平面都应相交于同一直线上，如图2.5所示。图2.4转向运动简图由图中的关系，可以得出（1）（2）式中Ｒ—底盘的转向半径，即从转向中心O到车辆驱动桥中心点之间的距离(mm);L—车辆前后轴之间的距离(mm);M—车辆左右转向节立轴之间的距离(mm);β—车辆转向时，内侧转向轮的转向角度(°);ɑ—车辆转向时，外侧转向轮的转向角度(°)。联立式(1)和式(2)，可以得出（3）两侧转向轮相对于底盘所偏转的角度都应该满足式(3)的条件，否则转向轮转向过程中就会产生侧向滑动。图2.5转向示意图高地隙自走式底盘动力传递采用全液压柔性传动，采用机械四轮驱动的结构型式，可满足在恶劣环境下工作的要求。转向装置采用4轮转向，前后轮设计最大转角45度，这样最大转向角可达90度，能实现平移。当前面两个轮开始向左转时，后面两个轮在连杆作用下向右转，这样可以在非常小的转弯半径下实现90度的转弯，而且可以实现平移运动。2.3.4制动系统为实现机器安全作业，对前后轮分别设计有制动装置。前轮采用刹车片制动系统实现前轮的直接制动；后轮通过在驱动轴上安装刹车带制动装置，通过制动驱动轴实现后轮间接制动。对汽车制动的主要影响是汽车前后轴荷的变化。地面对前、后车轮上的法向反作用力数值等于车轮的垂直载荷，制动时法向反作用力影响作用在车轮上的摩擦力大小。汽车静止时前后轴荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的但在制动过程中，由于汽车惯性力的作用．轴间的载荷会重新分配。在制动过程中．汽车受惯性影响向前冲，前轮负荷变大幅度增大；后轮载荷大幅度减少。2.3.5喷雾系统动力输出通过皮带传动驱动液泵，液泵将药液箱内的药液吸入后增压，药液被输送到安装在喷杆上的低量喷头处雾化。喷杆与高地隙自走式底盘悬挂，采用平行四边形升降机构，可以保证喷杆升降过程中只有平移，没有转动，保证了喷雾效果。喷杆升降机构的升降幅度最大为1200mm，可以满足蔬菜喷雾要求。喷杆折叠采用电动推杆的结构，既减轻了喷杆的质量，又保证了喷杆的自动折叠。“三位一体”组合式防滴喷头，可配用不同喷量的喷嘴，具有良好的密封性能、防滴性能和耐腐蚀性能。根据不同的作业需要，只需将选定的喷嘴旋转到喷雾位置即可，且不需要调整每个喷嘴的偏转角度，减少了喷头的更换、调整时间，避免了喷头丢失。智能对靶喷雾技术：采用图像处理技术，对靶标及行距进行识别，以控制是否喷雾或哪些喷头需要喷雾，这样可以避免在非靶标区域的喷施，从而减少农药使用量，实现智能对靶喷雾。底盘技术测算3.1侧翻性能测算车辆侧翻种类大致有两种，一类是曲线运动引起的侧翻（maneuverinducedrollover），另一类是绊倒侧翻（trippedrollover）。前者为车辆在道路包括侧向坡道上行驶的时候，由于车辆的侧向加速度变得过大而超过一定的限定值，会使得车辆内侧车轮的垂直反力减小为零，而引起侧翻；后者是指车辆行驶时产生了侧向滑移，并且被路面上的障碍物侧向撞击而“绊倒”的侧翻。对曲线运动引起侧翻的考虑：忽略该车车轮及车架等部分的弹性变形，“即为准静态”，车辆在开始侧翻时所受的侧向加速度为侧翻阈值，其大小为：式中ay为侧向加速度，g为重力加速度，B为轮距，hg为重心离地面的高度，α为坡道角（tanα），α=0。侧翻阈值以单位重力加速度表示，可用于评定车辆的侧翻稳定性，侧翻阈值越大，表示车辆的侧翻稳定性能越高，车辆越不容易发生侧翻。影响侧翻阈值的因素主要有质心的高度和轮距，但由于轮距主要受路面宽度限制，变动不能太大，因此质心高度是影响侧翻阈值的最主要因素。质心高度变化对侧翻阈值有很大影响,这是对侧翻阈值最敏感的参数之一。美国的调查发现,具有0.4g倾翻阈值的满载重型车辆发生倾翻事故的频率约是倾翻阈值为0.65g的空载重型车辆的10倍,可见重型车辆倾翻阈值受质心高度的影响很大。一般来说,车辆的侧翻阈值在0.2～0.8g居多，因此，车辆的质心高度应控制在0.8～1.8m。当hs达到2.5m时,车辆的稳定性极差,车身的微小晃动都会导致车辆的侧翻。因此，降低质心高度,对提高车辆的稳定性尤其是抗侧翻性能,有显著的作用。增大车辆的侧倾中心高度可以增大车辆的侧翻阈值，但是当车辆的侧倾中心高度增大到一定程度(约1.60m)时,它对车辆的侧翻阈值的影响己经很小了,甚至侧翻阈值不会再增大。同时,侧倾中心的高度受到车辆的底盘结构影响,只能在车辆的综合性能上加以考虑。轮距也是影响车辆侧翻阈值最敏感的参数之一。轮距的增大会一直增大车辆的侧翻阈值，当轮距的值小于1.2m时,车辆的状态极其不稳定,此时的侧翻阈值几乎为零。因此,理论上的车辆轮距都不应该小于此值。由于轮距的大小受到最大车宽限制,因此需要综合考虑各种因素如车辆的外观、布置和整车性能,才能最大的提高的车辆的抗侧翻能力。3.2高地隙自走式底盘前后轴荷的计算轴荷分配：汽车质量在前后轴的轴荷分配是指汽车在空载或满载静止的情况下，前后轴对支撑平面的垂直负荷，也可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。轴荷分配对轮胎寿命和汽车的使用性能有影响。在汽车总布置设计时，轴荷分配应考虑这些问题：从各轮胎磨损均匀和寿命相近考虑，各个车轮的载荷应相差不大；为了保证汽车有良好的动力性和通过性，驱动桥应有足够大的载荷，而从动轴载荷可以适当减少；为了保证汽车有良好的操纵稳定性，转向轴的载荷不应过小。因此可以得出作为很重要的载荷分配参数，各使用性能对其要求是相互矛盾的，这要求设计时应根据对整车的性能要求、使用条件等，合理的选取轴荷分配。汽车的装载方式和制动过程中作用在质心位置的惯性力都会改变汽车的轴间载荷，从而改变了各轴与地面间的附着力，影响汽车的制动效能。因此轴间载荷影响汽车的制动力的分配。汽车静止时前后轴荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的但在制动过程中，由于汽车惯性力的作用．轴间的载荷会重新分配。在制动过程中，汽车受惯性影响向前冲，前轮负荷变大。扭矩分配方式与汽车的质量分配相对应，有利于利用车辆加速时后轴载荷大于前轴的情况下，提升车辆轮胎的抓地力，增加车辆的稳定性。3.3高地隙自走式底盘万向传动轴的计算十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低，但所连接的两轴夹角不宜太大。当夹角增加时，万向节中的滚针轴承寿命将下降。普通的十字轴式万向节主要由主动叉，从动叉，十字轴，滚针轴承及轴向定位件和橡胶封件等组成。简单的说万向节可以转变力的传递方向，配合传动轴伸缩后，可以调整因为轮胎跳动而改变的力的传递方向，从而使得汽车适应不同的路面行驶。严格的来讲，万向传动轴是将发动机的动力传递到差速器，再由差速器将动力分配给两侧车轮。汽车发动机是固定在车架（大梁）上的，动力输出的轴对车架的位置是固定的，而汽车的驱动车轮固定在轴上，为了减震，车轴是通过弹簧支架再固定在车架（大梁）上的，汽车通过不平整的地面运动时由于惯性的原因，驱动轮轴不断相对车架上下运动，这样，汽车得以较平稳的水平运动。对车架位置固定的发动机动力输出轴将动力传递到对车架位置不断变化的驱动轮轴，就需要能适应这一要求的传动装置：万向传动轴，以保证发动机的动力能在驱动轴位置不断变化的过程中，有效将动力传递到车轮，驱动车辆前进后退。万向传动轴因布置位置不同，计算载荷是不同的。计算载荷的计算方法主要有三种：按发动机最大转矩来确定、按驱动轮打滑来确定、按日常平均使用转矩来确定。本设计就结合农用车的实际情况按发动机最大转矩来确定万向传动装置的计算载荷。其中，Temax为发动机的最大扭矩，取83N·m，η为发动机到万向传动装置的效率，取0.95。n为计算驱动桥数，取2。带入数据计算的Tse1=39.425N·m传动轴临界转速校核：其中，dc、Dc分别为传动轴轴管的内、外径，dc=55mm，Dc=60mm，Lc为传动轴长度，Lc=400mm。代入数据解之得：nk=60000r/min，取安全系数K=1.5，则nmax=nk/1.5=40000r/min。由于该车发动机的最高转速小于40000r/min，故该传动轴能传递发动机的转速。扭转强度的校核：其中τc为扭转切应力，[τc]为许用扭转切应力，[τc]为300Mpa。计算得：τc=0.003Mpa≤300Mpa，故传动轴的扭转切应力满足要求，从而确保了变地隙自走式底盘动力传递系统的强度和可靠性要求，前后轴质量分配比例控制合理，保证了作业过程整机稳定性。此外，自走式底盘还设有单作用和双作用的多路液压输出装置，以达到工作部件的液压操控需求。通过底盘减震系统各减震部件结构和参数的合理设计，使震动得到有效的隔离和衰减，提高喷雾机行驶稳定性，保证了喷洒质量。第四章底盘性能ANSYS分析4.1底盘车架有限元分析ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS推出业界领先的工程设计仿真软件，其独特的新功能，为指导和优化产品设计带来了最优的方法和提供了更加综合全面的解决方案。工程仿真软件ANSYS在结构、流体、电磁、多物理场耦合仿真、嵌入式仿真技术各方面都有重要的进展。ANSYS是完全的WWS程序，从而使应用更加方便；产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，因而能满足各行各业的工程需要；它不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析；它是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究。结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。底盘车架不仅要承受发动机、发电机、药箱、底盘等的重量，而且还要承受车辆在行使过程中产生的各种力和力矩。车辆在行使过程当中，要工作在各种路面，如一个车轮驶过路面上的坑洞等，同时还会因为要躲避行人或障碍物等紧急状况而要进行紧急制动和紧急转弯等突发状况。在上述各种行驶工况下，都会产生新的附加载荷并作用于车架上，因此车架就必须要有足够的强度和刚度来承受作用于其上的各种载荷。若车架的强度和刚度达不到要求则会造成车架开裂等各种损坏现象的发生，轻则影响汽车的正常行使，重则造成严重的交通事故，因此车架的强度和刚度不仅关系到车辆能否正常行使，同时还关系到整车的安全性好坏。对车架进行强度、刚度的分析同时也是对车架进行可靠性分析的基础，运用ANSYS软件导入了了农用车车架的有限元计算模型如下图：图4.1车架三维视图车架材料特性：

我们选用车架材料的物理性能如下：

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

最小屈服极限360MPa；最小抗拉强度510MPa；最大抗拉强度610MPa。车架的强度和刚度分析，下面我们主要考虑了满载弯曲工况和满载扭转工况。图4.2底盘车架图4.1.1满载弯曲工况满载弯曲工况是模拟车辆在满载状态下，四轮驱动在良好路面上平稳行驶时，车架对其所承受的重量等效应力的响应。我们在满载弯曲工况下，取动载系数为2。对车架进行约束，约束条件取决于工况。满载弯曲工况下，在车架与四个悬置连接处进行约束。根据车架的实际载荷在相应位置处加集中载荷，分析结果如下图。图4.3弯曲工况下等效应力分布图图4.4弯曲工况下应变分布图图4.5弯曲工况下车架变形图车架所承受的载荷施加主要遵循的原则：(1)发动机、变速箱、驾驶室及其附件的重量按集中载荷施加在其安装位置；(2)车架自身的重量看作是作用在车架每一个节点上。由图可见：车架的等效应力较大值位于第二横梁位置，最大应力为184.9MPa，在约束点附件，小于材料的最小屈服极限360MPa，最大变形量为1.13。因此车架在满载弯曲工况下的强度和刚度是满足要求的。4.1.2满载扭转工况加载质量同样按前面车架所承受的载荷施加主要遵循的原则处理。满载扭转工况是假设车辆行驶在崎岖不平的地面，车速一般不高，前轴发生扭转，后轴仍在水平面上。此时约束条件为后轮的两悬置处为全约束，前轮的两个悬置处给予约束和扭转载荷，取动载荷系数2。图4.6扭转工况下等效应力分布图图4.7扭转工况下应变分布图图4.8扭转工况下车架变形图扭转工况下车架的有效应力、应变和位移分布如上图所示。由车架的变形图可知车架的前部变形量比较大，最大节点位移仍然出现在车架的前部，最大应力为302.8MPa，小于许用应力360MPa，最大变形量为6.57。因此车架在满载扭转工况下的强度和刚度也是满足要求的。结论本文通过对高地隙喷杆喷雾机国内外现状的分析与研究，对水田运作模式及高地隙喷杆喷雾机典型工况进行调研，对高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架关键零部件进行结构设计并建立了三维模型，完成自走式底盘机架的性能分析以及对高地隙喷杆喷雾机稳定性测算。本文的主要工作及成果，根据高地隙喷杆喷雾机整机的设计要求，确定了高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架的设计方案，根据高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架的设计方案，对自走式底盘机架进行总体结构设计，包括四轮驱动装置、四轮转向装置、底盘平衡装置等关键零部件的工作原理和结构组成，并在Pro/ENGINEER软件中建立自走式底盘机架三维模型。利用有限元软件对自走式底盘机架进行了性能分析，结果表明自走式底盘机架的强度和刚度满足材料的屈服极限要求。高地隙自走式底盘动力传递采用全液压柔性传动技术，采用机械四轮驱动的结构型式，可适应恶劣的环境。转向装置采用4轮转向，前后轮设计最大转角45度，这样最大转向角可达90度，能实现平移。当前面两个轮开始向左转时，后面两个轮在连杆作用下向右转，这样可以在非常小的转弯半径下实现90度的转弯。本文对高地隙喷杆喷雾机自走式底盘机架进行了理论分析，并应用计算机辅助技术和ANSYS有限元分析技术对自走式底盘机架进行了结构设计和仿真分析，但是由于其他客观条件的限制，还有许多需要解决的问题，仍有许多工作需要一步步展开研究。本文分析了自走式底盘机架对高地隙喷杆喷雾机稳定性的影响，但是对于高地隙喷雾机而言，其稳定性的影响因素较多，包括喷杆喷架的升降，横向斜坡和纵向斜坡上的转弯和制动等都会影响喷雾机的稳定性，应该加强对高地隙喷雾机稳定性方面的深入研究。由于受试