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1噴霧機底盤概念設計方案的生成

1.1噴霧機底盤功能分析根據對農藥噴霧機的作業要求以及噴霧機底盤產品的功能需求分析，為滿足復雜地形地貌環境下對多種植物進行植保作業的需求，噴霧機底盤應具備檢測、行駛、轉向等基本功能，以及輪距、地隙高度調整及底盤工作臺旋轉和噴霧系統升降等柔性功能。用功能樹表示如圖2所示。噴霧機底盤各功能模塊的分功能要求為：（1）檢測功能模塊在滿足功能要求的前提下，應反應靈敏、動態響應好、穩定性高、經濟實用；位置檢測分功能對底盤的定位誤差小，導航分功能的導航誤差小。（2）行駛轉向功能模塊應滿足作業地形地貌環境變化和作業要求的速度變化；動力分功能工作平穩，噪音小；轉向分功能轉向靈活，轉彎半徑小；傳動和驅動分功能的驅動力足夠，在不同地面作業時的行駛通過性好，傳動結構簡單，重量輕，能耗省。（3）輪距、地隙高度調整功能模塊能實現輪距、地隙自動無級調整。（4）工作臺旋轉功能模塊可使底盤工作臺完成360°旋轉。（5）噴霧系統升降模塊可無級調整噴霧系統離地高度并加以保持。

1.2分功能的原理解按照功能樹的結構分解，尋求分功能對應的原理解，將設計任務形式化表達為運動變換矩陣和約束矩陣形式，然后搜索事先建立好的運動變換矩陣數據庫，進行匹配或功能分解，通過功能分解進行子功能的機構創新［19］，最后通過檢查約束矩陣進行機構匹配和方案組合，由此可獲得分功能的多個對應原理解［20］，形成總體的多個概念設計方案。例如：根據噴霧機底盤旋轉工作臺實現360°連續旋轉，且轉動平穩的總體設計要求；采用液壓馬達驅動，要求馬達輸出軸線水平，底盤工作臺旋轉軸線豎直，運動可逆。采用機構綜合法生成底盤工作臺旋轉分功能原理解的步驟如下：（1）設計任務的形式化表達。建立運動變換矩陣（Motiontransformationmatrix，MTM）和約束矩陣（Constraintmatrices，CM）。（2）搜索匹配。用MTM與已建立好的其他數據庫（事先已經建立好常用機構如齒輪機構、曲柄搖桿機構、螺旋傳動機構等的MTM數據庫）中的機構模塊的MTM搜索匹配，若沒有與式（1）等號右側矩陣匹配的機構模塊，則需要進行功能分解。本研究中可以直接搜索到相匹配的機構，分別為圓錐齒輪機構、蝸輪蝸桿機構，但是考慮蝸輪蝸桿機構運動的不可逆以及單級傳動難于達到傳動比分配和傳動平穩等要求，故仍需進行功能分解。（3）功能分解。采用矩陣列變換（右乘變換矩陣）的方法，將MTM劃分為一系列子功能矩陣。即：（4）檢查新的MTM是否與數據庫中機構模塊的MTM匹配。與子功能1匹配的可選機構有：圓柱齒輪機構、帶傳動機構、鏈傳動機構；與子功能2匹配的可選機構有：蝸輪蝸桿機構、圓錐齒輪傳動機構。顯然，這樣的任意組合容易引起組合爆炸，不利于問題求解，因此必須對概念設計方案進行篩選，可從技術性、經濟性、環境友好性等角度出發，剔除明顯不合理的原理解，優先選用主要分功能的較佳解，以獲得一個較小的、合理的、相互兼容的概念設計方案集合，然后對該方案集合進一步進行分析和評價，從中選取一個最佳方案，最終獲得系統概念設計的最佳解。

1.3原理方案綜合分析根據噴霧機底盤的設計要求，借助專家專業知識和各種經驗知識進行綜合評判，可知各部分原理解的優缺點。（1）檢測功能。線性霍爾導航和電磁誘導式導航都需要在田間設置磁標志，且導航精度不高［21］；超聲波＋紅外線導航系統體積小、電路簡單、價格低，已在小范圍定位方面得到廣泛應用；北斗導航有自主知識產權，但由于衛星數目的限制，還不能實現全球定位導航；GPS＋電子羅盤導航方式［24］通過GPS系統進行定位，電子羅盤測量方向信號，屬于組合導航，導航精度高，但系統實現略復雜。綜合考慮，本設計中的導航方式擬采用超聲波＋紅外線導航或GPS＋電子羅盤組合導航。（2）驅動和轉向方式。單輪驅動結構簡單，但在濕軟地面上作業時因附著力小而易出現打滑，影響正常作業；采用四輪驅動產生的驅動力大，越野通過性好，但機構復雜，成本高；兩輪驅動介于兩者之間，是最常用的一種驅動形式。單輪轉向在噴霧機底盤上應用較少，且在一定的速度區間易產生擺振現象［25］；四輪轉向方式轉向靈活，轉彎半徑小，可提高噴霧機的整體性能［26］，但轉向機構復雜，設計實現難度較大；兩輪轉向使用比較普遍。綜合考慮，本設計中的底盤可選兩輪或四輪驅動轉向方式。（3）輪距、地隙調整方式。手動有級調整方式結構簡單、成本低，但需要對底盤零件進行拆卸，操作復雜，勞動強度大，適應性較差；采用液壓無級式調整操作簡單，變換平穩，可實現輪距、地隙高度等的連續變換，適應性強，但造價略高，液壓控制系統的維護較復雜；采用齒輪齒條機構變換輪距或采用絲桿螺母機構調整地隙，需要設計機械傳動系統，增加了底盤重量，使設計、制造成本增加。綜合考慮未來農林作業需求和設計、制造成本，采用液壓無級式調整更合適。（4）底盤工作臺旋轉方式、噴桿升降方式。帶傳動機構＋圓錐齒輪機構傳動平穩，但過載情況下帶會打滑；鏈傳動機構＋圓錐齒輪機構傳動平穩性較差，有一定的沖擊和噪聲，但不存在彈性滑動和打滑，能保持準確的平均傳動比；圓柱齒輪機構＋圓錐齒輪機構傳動比穩定，結構緊湊，制造成本略高。綜合考慮底盤工作臺轉動的平穩性以及機構的緊湊性等要求，宜選取帶傳動＋圓錐齒輪機構或圓柱齒輪＋圓錐齒輪機構。噴桿升降采用絲桿螺母式或滾珠絲杠式都會使設計制造成本增加，因此選用液壓舉升式，結構簡單且舉升平穩。（5）動力。動力源的選擇要考慮能帶動液壓馬達和所有執行元件，因此動力要足夠大，汽油機質量輕，起動性能好，但使用成本高；柴油機一般質量大，起動性能不如汽油機，但經濟性能好，輸出力矩大；電動方式污染少，環保性好，但若使用蓄電池，動力性和續航能力有待提高。綜合考慮作業需求，擬選擇柴油機或汽油機作為動力源。在以上分析的基礎上，剔除明顯不合理的原理解，然后進行方案的重新組合，表3所示即為3種較為可行的組合設計方案。

2噴霧機底盤概念設計方案評價

概念設計方案選擇的評價方法主要有層次分析法、模糊綜合評判法、模糊物元分析法、灰色關聯分析法和實物期權理論等，但這些方法都是單個的理論，未采用多學科綜合的評價體系，且專家主觀意見影響頗大，容易使優選的結果出現偏差，而常用的模糊綜合評價法又存在權重分配的難題。基于此，本研究提出采用基于模糊數互補判斷矩陣的群決策法進行概念設計方案的評價，通過專家群對設計方案的兩兩比較，給出反映2種方案優越性的模糊區間數，在構建模糊互補判斷矩陣的基礎上，借助目標規劃法進行建模求解，得出方案集的排序權重，以消除個人主觀偏好的影響，且可信度較高，為方案集的決策判斷奠定了理論基礎。

2.1評價基本原理分析設有目標規劃模型目標規劃的目標函數是通過目標約束的正、負偏差變量和賦予相應的優先等級P（k）ij來構造的，決策者的要求是盡可能從某個方向縮小偏離目標的數值。

2.2噴霧機底盤概念設計方案應用求解首先確定評價專家組成員，分別由具有豐富噴霧機設計理論和經驗知識的3名大學教授和具有豐富實踐經驗的執行噴霧機底盤研發制造的3名企業專家組成。然后給出評價準則，即要求專家對表3噴霧機底盤3種概念設計方案進行兩兩比較，以［0，1］之間的模糊區間數形式給出某種方案優于另一種方案的程度，精確到小數點后1位。專家組成員對表3的方案1、方案2、方案3兩兩比較后，大學教授綜合認為方案1優于方案2的程度在區間［0．3，0．4］內，方案1優于方案3的程度在區間［0．2，0．5］內，方案2優于方案3的程度在區間［0．4，0．6］內。企業專家綜合認為方案1優于方案2的程度在區間［0．3，0．5］內，方案1優于方案3的程度在區間［0．5，0．7］內，方案2優于方案3的程度在區間［0．6，0．8］內。顯然，基于模糊數互補判斷矩陣的群決策方法消除了個人主觀偏好對評價結果可信度的影響，也可為其他農林機電產品的概念設計方案評價提供有益的參考。

3結論

1）自走式噴霧機底盤概念設計突出了底盤的柔性和智能化，可滿足全地形、全方位植保作業的需求。2）采用運動變換矩陣和約束矩陣表達法進行了噴霧機底盤分功能執行機構的機構綜合，獲得噴霧機底盤分功能的多個可行原理解。3）構建了噴霧機底盤原理解的形態學矩陣，借助專家經驗，剔除了明顯不合理的原理解，最終獲得了噴霧機底盤的3個可行的總體方案。4）采用基于模糊數互補判斷矩陣的群決策方法，對噴霧機底盤概念設計方案進行了評價，集結了多位專家的模糊評價信息，構建了目標規劃模型并進行了運算求解，按照排序權重確定由GPS＋電子羅盤完成檢測功能，以柴油機為動力源，采用兩輪轉向、四輪驅動，由液壓缸和液壓馬達借助圓柱齒輪機構、圓錐齒輪機構完成底盤柔性功能的噴霧機底盤概念設計的最終方案。

作者：張華鄭加強單位：南京林業大學機械電子工程學院安徽科技學院機械工程學院