喷雾机底盘概念设计论文范文

1喷雾机底盘概念设计方案的生成

1.1喷雾机底盘功能分析根据对农药喷雾机的作业要求以及喷雾机底盘产品的功能需求分析，为满足复杂地形地貌环境下对多种植物进行植保作业的需求，喷雾机底盘应具备检测、行驶、转向等基本功能，以及轮距、地隙高度调整及底盘工作台旋转和喷雾系统升降等柔性功能。用功能树表示如图2所示。喷雾机底盘各功能模块的分功能要求为：（1）检测功能模块在满足功能要求的前提下，应反应灵敏、动态响应好、稳定性高、经济实用；位置检测分功能对底盘的定位误差小，导航分功能的导航误差小。（2）行驶转向功能模块应满足作业地形地貌环境变化和作业要求的速度变化；动力分功能工作平稳，噪音小；转向分功能转向灵活，转弯半径小；传动和驱动分功能的驱动力足够，在不同地面作业时的行驶通过性好，传动结构简单，重量轻，能耗省。（3）轮距、地隙高度调整功能模块能实现轮距、地隙自动无级调整。（4）工作台旋转功能模块可使底盘工作台完成360°旋转。（5）喷雾系统升降模块可无级调整喷雾系统离地高度并加以保持。

1.2分功能的原理解按照功能树的结构分解，寻求分功能对应的原理解，将设计任务形式化表达为运动变换矩阵和约束矩阵形式，然后搜索事先建立好的运动变换矩阵数据库，进行匹配或功能分解，通过功能分解进行子功能的机构创新［19］，最后通过检查约束矩阵进行机构匹配和方案组合，由此可获得分功能的多个对应原理解［20］，形成总体的多个概念设计方案。例如：根据喷雾机底盘旋转工作台实现360°连续旋转，且转动平稳的总体设计要求；采用液压马达驱动，要求马达输出轴线水平，底盘工作台旋转轴线竖直，运动可逆。采用机构综合法生成底盘工作台旋转分功能原理解的步骤如下：（1）设计任务的形式化表达。建立运动变换矩阵（Motiontransformationmatrix，MTM）和约束矩阵（Constraintmatrices，CM）。（2）搜索匹配。用MTM与已建立好的其他数据库（事先已经建立好常用机构如齿轮机构、曲柄摇杆机构、螺旋传动机构等的MTM数据库）中的机构模块的MTM搜索匹配，若没有与式（1）等号右侧矩阵匹配的机构模块，则需要进行功能分解。本研究中可以直接搜索到相匹配的机构，分别为圆锥齿轮机构、蜗轮蜗杆机构，但是考虑蜗轮蜗杆机构运动的不可逆以及单级传动难于达到传动比分配和传动平稳等要求，故仍需进行功能分解。（3）功能分解。采用矩阵列变换（右乘变换矩阵）的方法，将MTM划分为一系列子功能矩阵。即：（4）检查新的MTM是否与数据库中机构模块的MTM匹配。与子功能1匹配的可选机构有：圆柱齿轮机构、带传动机构、链传动机构；与子功能2匹配的可选机构有：蜗轮蜗杆机构、圆锥齿轮传动机构。显然，这样的任意组合容易引起组合爆炸，不利于问题求解，因此必须对概念设计方案进行筛选，可从技术性、经济性、环境友好性等角度出发，剔除明显不合理的原理解，优先选用主要分功能的较佳解，以获得一个较小的、合理的、相互兼容的概念设计方案集合，然后对该方案集合进一步进行分析和评价，从中选取一个最佳方案，最终获得系统概念设计的最佳解。

1.3原理方案综合分析根据喷雾机底盘的设计要求，借助专家专业知识和各种经验知识进行综合评判，可知各部分原理解的优缺点。（1）检测功能。线性霍尔导航和电磁诱导式导航都需要在田间设置磁标志，且导航精度不高［21］；超声波＋红外线导航系统体积小、电路简单、价格低，已在小范围定位方面得到广泛应用；北斗导航有自主知识产权，但由于卫星数目的限制，还不能实现全球定位导航；GPS＋电子罗盘导航方式［24］通过GPS系统进行定位，电子罗盘测量方向信号，属于组合导航，导航精度高，但系统实现略复杂。综合考虑，本设计中的导航方式拟采用超声波＋红外线导航或GPS＋电子罗盘组合导航。（2）驱动和转向方式。单轮驱动结构简单，但在湿软地面上作业时因附着力小而易出现打滑，影响正常作业；采用四轮驱动产生的驱动力大，越野通过性好，但机构复杂，成本高；两轮驱动介于两者之间，是最常用的一种驱动形式。单轮转向在喷雾机底盘上应用较少，且在一定的速度区间易产生摆振现象［25］；四轮转向方式转向灵活，转弯半径小，可提高喷雾机的整体性能［26］，但转向机构复杂，设计实现难度较大；两轮转向使用比较普遍。综合考虑，本设计中的底盘可选两轮或四轮驱动转向方式。（3）轮距、地隙调整方式。手动有级调整方式结构简单、成本低，但需要对底盘零件进行拆卸，操作复杂，劳动强度大，适应性较差；采用液压无级式调整操作简单，变换平稳，可实现轮距、地隙高度等的连续变换，适应性强，但造价略高，液压控制系统的维护较复杂；采用齿轮齿条机构变换轮距或采用丝杆螺母机构调整地隙，需要设计机械传动系统，增加了底盘重量，使设计、制造成本增加。综合考虑未来农林作业需求和设计、制造成本，采用液压无级式调整更合适。（4）底盘工作台旋转方式、喷杆升降方式。带传动机构＋圆锥齿轮机构传动平稳，但过载情况下带会打滑；链传动机构＋圆锥齿轮机构传动平稳性较差，有一定的冲击和噪声，但不存在弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；圆柱齿轮机构＋圆锥齿轮机构传动比稳定，结构紧凑，制造成本略高。综合考虑底盘工作台转动的平稳性以及机构的紧凑性等要求，宜选取带传动＋圆锥齿轮机构或圆柱齿轮＋圆锥齿轮机构。喷杆升降采用丝杆螺母式或滚珠丝杠式都会使设计制造成本增加，因此选用液压举升式，结构简单且举升平稳。（5）动力。动力源的选择要考虑能带动液压马达和所有执行元件，因此动力要足够大，汽油机质量轻，起动性能好，但使用成本高；柴油机一般质量大，起动性能不如汽油机，但经济性能好，输出力矩大；电动方式污染少，环保性好，但若使用蓄电池，动力性和续航能力有待提高。综合考虑作业需求，拟选择柴油机或汽油机作为动力源。在以上分析的基础上，剔除明显不合理的原理解，然后进行方案的重新组合，表3所示即为3种较为可行的组合设计方案。

2喷雾机底盘概念设计方案评价

概念设计方案选择的评价方法主要有层次分析法、模糊综合评判法、模糊物元分析法、灰色关联分析法和实物期权理论等，但这些方法都是单个的理论，未采用多学科综合的评价体系，且专家主观意见影响颇大，容易使优选的结果出现偏差，而常用的模糊综合评价法又存在权重分配的难题。基于此，本研究提出采用基于模糊数互补判断矩阵的群决策法进行概念设计方案的评价，通过专家群对设计方案的两两比较，给出反映2种方案优越性的模糊区间数，在构建模糊互补判断矩阵的基础上，借助目标规划法进行建模求解，得出方案集的排序权重，以消除个人主观偏好的影响，且可信度较高，为方案集的决策判断奠定了理论基础。

2.1评价基本原理分析设有目标规划模型目标规划的目标函数是通过目标约束的正、负偏差变量和赋予相应的优先等级P（k）ij来构造的，决策者的要求是尽可能从某个方向缩小偏离目标的数值。

2.2喷雾机底盘概念设计方案应用求解首先确定评价专家组成员，分别由具有丰富喷雾机设计理论和经验知识的3名大学教授和具有丰富实践经验的执行喷雾机底盘研发制造的3名企业专家组成。然后给出评价准则，即要求专家对表3喷雾机底盘3种概念设计方案进行两两比较，以［0，1］之间的模糊区间数形式给出某种方案优于另一种方案的程度，精确到小数点后1位。专家组成员对表3的方案1、方案2、方案3两两比较后，大学教授综合认为方案1优于方案2的程度在区间［0．3，0．4］内，方案1优于方案3的程度在区间［0．2，0．5］内，方案2优于方案3的程度在区间［0．4，0．6］内。企业专家综合认为方案1优于方案2的程度在区间［0．3，0．5］内，方案1优于方案3的程度在区间［0．5，0．7］内，方案2优于方案3的程度在区间［0．6，0．8］内。显然，基于模糊数互补判断矩阵的群决策方法消除了个人主观偏好对评价结果可信度的影响，也可为其他农林机电产品的概念设计方案评价提供有益的参考。

3结论

1）自走式喷雾机底盘概念设计突出了底盘的柔性和智能化，可满足全地形、全方位植保作业的需求。2）采用运动变换矩阵和约束矩阵表达法进行了喷雾机底盘分功能执行机构的机构综合，获得喷雾机底盘分功能的多个可行原理解。3）构建了喷雾机底盘原理解的形态学矩阵，借助专家经验，剔除了明显不合理的原理解，最终获得了喷雾机底盘的3个可行的总体方案。4）采用基于模糊数互补判断矩阵的群决策方法，对喷雾机底盘概念设计方案进行了评价，集结了多位专家的模糊评价信息，构建了目标规划模型并进行了运算求解，按照排序权重确定由GPS＋电子罗盘完成检测功能，以柴油机为动力源，采用两轮转向、四轮驱动，由液压缸和液压马达借助圆柱齿轮机构、圆锥齿轮机构完成底盘柔性功能的喷雾机底盘概念设计的最终方案。

作者：张华郑加强单位：南京林业大学机械电子工程学院安徽科技学院机械工程学院