0 引言

实现四轮底盘小半径转弯，提高小地块工作行程率可提高农业机械的作业效率。底盘的工作行程率主要指底盘在作业小区上的工作行程长度与相应的总行程长度之比，表示底盘总行程中有效工作行程的利用程度。我国农田中小地块占有较大比例，特别是水田和山区丘陵，地块大多小于0．13hm2，还有很多0． 07hm2以下的小田块。不规整的小地块对田间作业机械机动性与操纵性要求较高。以实现播插底盘能够在地头转弯时直接进入下一畦为目标，减少空行时间和减小转弯半径是提高我国现阶段不规整、小地块旱地或水田作业机械适应性的关键技术! 。目前，偏转式的四轮底盘转弯半径大，难以实现较高的工作效率作业，使得大部分地区的水田机械化程度不高。提高底盘的工作行程率关键是减少底盘作业时的空行时间。为此，通过对现有的拖拉机和作者所在研究团队设计的前桥摆转转向式四轮驱动底盘在小地块作业情况分析，对比不同转向方式的转弯半径转向和空行时间，研究四轮底盘转向方式对工作行程率的影响，为小转弯半径四轮底盘的研究提供依据。

1 小地块机械化作业时工作行程率的分析

轮式拖拉机采用偏转方式转向时最小转弯半径为Ｒ最小=Ltgβ+ a

式中 L—拖拉机轴距;β—导向前轮的最大转角;a—前桥中心在地面上的投影点至转向主销中心延线与地面交点之间的距离。

由此可以看出: 四轮底盘转向时，底盘的转弯半径与底盘的轴距成正比，与导向前轮的转角成反比;同时 a 与底盘的轴距和导向前轮转角相关，也影响着转弯半径的大小。偏转方式转向的轮式拖拉机转弯半径一般为3．5m 左右。轮式拖拉机若做有环节梨形弯时，其平均长度为6．6Ｒ +2e。因此，轴距的增大，不但影响拖拉机的操纵灵活性，而且还将直接影响最小转向半径，并增大空行时间，降低工作行程率和生产率。在小地块作业时，与大面积地块作业相比，机具需要更频繁的调头转向作业。地头宽度的大小是影响小地块作业生产率的一个重要因素，减少地头宽度可以提高小地块作业的效率。如果作业底盘直接做 180°调头转向，地头宽度随着转弯半径增大而增大。一般情况下，为了减少地头宽度，或把地头宽度确定为一个作业宽度，通用的四轮底盘均需要多次往复式掉转才能实现180°的调头。在水田作业时，由于田埂等约束条件，很难实现在地头保留一个作业宽度的作业方式，所以偏转式四轮底盘在做插秧作业时，需要考虑采用环绕式或梭型式的行走路线。这种行走路线要求专门的路线设计以及预留出紧邻作业间的距离，增加了空行时间和操作人员的工作量。

履带式底盘和手扶式拖拉机采用的是差速转向，可实现零转弯半径，在做倒 U 型转弯时，履带式底盘转弯长度为 πＲ/2 +2e 时可进行转弯; 手扶式拖拉机转弯长度为 πＲ/2。通过对轮式拖拉机、履带式底盘、手扶式拖拉机在地头转弯时的空行时间比较( 见表1) ，得出履带式拖拉机和手扶式拖拉机的转向方式可缩短小地块的空行时间，提高工作行程率。

因此，在我国南方小地块旱地或水田中使用的拖拉机，由于地块面积小而短，空行时间率一般都在30%以上，高者竟达50% ～70%。在这种小地块中，拖拉机愈大，工作速度愈高，其空行时间率也愈高; 地块越小，需要掉头的频率越高，空行时间对机械化作业工作行程率影响越大。这不但要影响作业时间利用率，而且也会影响拖拉机及其机组的经济性和使用成本。

常用的底盘如偏转式四轮底盘、履带式底盘、手扶拖拉机的地头宽度大小与最小转弯半径、底盘轮距等有关。地头宽度的大小可根据《农业机器运用管理学》中关于地头宽度的计算公式中得出，偏转式底盘在不同的转弯形式时地头宽度与转弯半径、轮距、出现长度有关。履带式底盘、手扶拖拉机预留地头宽度 E 为E ≥ B

其中，B 为拖拉机轮距。

手扶拖拉机和履带式底盘的转向方式具有转弯半径小、空行时间少及地头宽度小的优势。因此，目前我国农村小地块旱地和水田作业时，手扶拖拉机主要做耕整使用，小地块使用的插秧机也是使用手扶式两轮驱动。手扶拖拉机的转向方式虽然很有优势，但存在工作强度大和作业效率低等缺点，影响了其使用的效果。而履带式底盘主要用做收获机械的底盘，在小地块水田中履带式底盘由于结构特点，在转向过程中将会产生刮泥等现象。因此，为了适应我国小地块旱地或水田的特殊情况，需要研究的四轮底盘以能够在地头转弯时直接进入下一畦为目标，减少空行时间，同时具有轻型、打滑率低、不雍泥雍水、减小转弯半径等特点，既可以像手扶拖拉机的转向形式又可以四轮驱动的底盘，以降低劳动强度，提高农机的作业效率。

2 前桥摆转转向式四驱底盘的转向特点

2． 1 前桥摆转转向式四驱底盘结构及摆转转向特点

转弯半径是影响工作行程率的主要因素。由于四轮底盘转弯半径受限于转向方式和轴距，因此仿制手扶拖拉机在转向时，一侧驱动轮停转，另一侧驱动轮主动绕停转轮转向的转向方式。本研究组提出了前桥摆转转向式四驱底盘的结构设计，如图 1 所示。底盘在前桥中点处设铰接点。铰接点的作用主要是为了保证底盘的4 个行走轮同时着地，并能让前桥可绕着铰接点旋转。在前桥与垂直转轴之间设置纵向水平转轴，实现前桥浮动功能，确保 4 个轮能够同时着地，避免出现轮子悬空。前桥摆转转向式底盘在转向时，通过停止前桥一侧驱动轮的转动，另一侧驱动轮继续行走，使前桥主动围绕着停转的驱动轮做大角度摆转，带动机架转向。

2． 2 前桥摆转转向式底盘 180°转弯的轨迹分析

结合本文所介绍底盘的结构形式，底盘可进行直接转入下一畦而不需要倒转的转向形式和进行歪梨形转向形式，底盘在做转弯运动时采用的是前桥摆转转向方式。以底盘右转为例，其转向过程如图 2 所示。底盘的动作顺序为 a －b －c －d －e。图2 中，a 为底盘的初始位置，e 为底盘掉头转向后的终止位置，b、c、d 为中间过渡位置。从图 2 中可以看出，底盘在进行右转弯时，右前轮在 a、b、c 这 3 种状态下始终保持原地转动，左前轮以一定速度绕右前轮做圆周运动，后桥处于随前桥摆动状态。当底盘的状态为 c 时，前桥开始保持直线行走状态，底盘的状态由 d 过渡到 e，完成整个掉头转弯动作。当前桥转入下一畦时，后桥还处于上一畦的某一位置处，即后桥的位置对底盘的摆正有着非常大的影响。

图 3 所示为歪梨形转弯形式。底盘的右前轮停转，左前轮旋转90°，让前桥做直线运动直至到达某一点( 即B4～B5之间) ，控制底盘的左前轮停转，右前轮继续旋转直至达到下一畦侧边时，右前轮停转; 让左前轮进行转向，当左前轮转到与右前轮在同一直线上时，即底盘转向结束。这种转向形式能够实现底盘的前桥转过与下一畦向平行时，后桥也能够摆正。歪梨形转向形式适合底盘后轮不吃入上一畦，如在播插作业时，就可采取这样的转向形式。

2． 3 减小地头宽度的行走轨迹

地头宽度最小时为一个耕作宽度可增大工作行程率。为了底盘在转向过程中后轮不切入已工作的作业面( 上一畦) ，可以用“4”字形掉头方式和“4”字形与歪梨形相结合的转向方式，如图4 所示。

当底盘进入地角时，通过控制前桥右侧轮停转，左侧轮转动90°后，底盘两前驱动轮直线行驶，前桥的轴线与土地的第二畦的垄边相对齐时，让前桥右侧轮子停转，左侧轮进行旋转运动，直至其轮子与第二畦的另一垄边向相重合时，两个轮子可进行直线运动，直到后桥全部摆过来。底盘前桥转过的宽度为 B，后桥在前桥转到第二畦时，后桥与第二畦需有一定的距离才能使其与前桥同行，直到后桥与前桥在同一直线时，底盘才倒转结束。这种转向形式在转向时不吃入上一畦也不吃入下一畦，可用于起畦后的田间作业。地头宽度为 (2+ 1) B 。

如图5 所示: 底盘走入地角，让前右侧轮停转，前左侧轮倒转 90°; 在倒转 90°之后，让两个前轮同时向前直线运动，当前桥与下一畦的侧边向重合时，控制底盘的右侧轮停转，左前轮旋转 135°( 一般是要求左前轮与下一畦的另一侧相重合时的位置) 后，左前轮停转，右前轮继续向前运动，当两前轮的位置相一致时，即转向结束。这种转向形式转向时不吃入上一畦也不吃入下一畦，可用于起畦后的田间作业。地头宽度为 B 即可。

通过上述两种转向轨迹分析，可看出前桥摆转转向在底盘的“4”字形转弯和’4”字形与歪梨形相结合的转弯可实现底盘在前桥在转入下一畦后，后桥也随之转入的作业状态，在操纵简单的前提下，可减少空行时间，提高其工作行程率，且仅需要较小的地头宽度就能实现转向。“4”字形转弯形式可用于起畦后的田间作业。“4”字形与歪梨形相结合转向形式仅需要一个轮距 B 的地头宽度即能直接驶入下一畦的作业模式，如在播插作业时，就可采取这样的转向形式。

3 前桥摆转式四轮底盘工作行程率

由于偏转式底盘的转弯半径大，在转弯过程中的空行时间较多。底盘在做 180°转弯时不仅需要多次换挡操作，工作行程率也是较小的。偏转式底盘与前桥摆转转向式底盘在同一小地块作业时，比较这两种转向方式所需要的工作行程率。在同一块地块中，按照图 6 中所示的行走路线，进行插秧作业，两种底盘的工作行程率分别为:

1) 偏转式底盘的工作行程率，若 E = 3Ｒ + e ，底盘在地头转过的平均长度为 l = 6．6Ｒ + 2e ，则

从上述的公式可得出，偏转式底盘和前桥摆转转向底盘的行程率均与地块长度有关，地块长度愈大，底盘的工作行程率也愈大。故在小地块作业时的行程率主要受到底盘在地头转弯时行驶长度的影响。按照常规的小四轮底盘的转弯半径及出线长度，将其带入公式，得出的工作行程率 φp要比前桥摆转转向式底盘的工作行程率 φq低。因此，前桥摆转转向式四驱底盘更适合在在小地块旱地或水田作业。

4 结论与讨论

通过对偏转式四轮底盘和前桥摆转转向式底盘的转弯半径、地头宽度以及在同一块地作业时的工作行程率的比较，得出前桥摆转转向方式在小地块旱地或水田作业时，可以提高工作行程率。前桥摆转转向式四驱底盘作业行程率要远高于偏转式底盘，并且不需要倒车，便能直接转入下一畦。笔者认为开发出前桥摆转转向式四驱底盘可以逐步替代手扶式底盘，提高农机作业效率，降低劳动强度。对于前桥摆转转向式底盘的结构形状指数对转向特性和地头宽度等影响以及底盘的结构、驱动方式等还需要作进一步深入研究。

参考文献（略）