水稻秧盤起盤機(jī)履帶式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計

李楊，汪春，張欣悅，李春寶，于波

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶　163319，2.牡丹江管局云山農(nóng)場，3.牡丹江管局八五○農(nóng)場）

水稻秧盤起盤機(jī)履帶式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計

李楊1，汪春1，張欣悅1，李春寶2，于波3

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319，2.牡丹江管局云山農(nóng)場，3.牡丹江管局八五○農(nóng)場）

根據(jù)履帶式行走機(jī)構(gòu)行走的特點(diǎn)，結(jié)合水稻秧盤擺放的地面條件和農(nóng)用機(jī)械的實際工作環(huán)境，對履帶式行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計，以及對其各部分參數(shù)進(jìn)行分析研究。通過分析研究，確定行走裝置具有良好的通過性，找到合理的履帶的接地長度和寬度使其對履帶式行走機(jī)構(gòu)的直線行走性能不產(chǎn)生影響，從而為水稻秧盤起盤機(jī)的履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

設(shè)計；水稻；履帶式行走機(jī)構(gòu)；履帶

履帶式行走機(jī)構(gòu)具有接地面積大、接地比壓小、附著性好以及通過性良好等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜的路面環(huán)境，履帶式行走機(jī)構(gòu)多用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械上，工作環(huán)境相對惡劣，要求機(jī)構(gòu)具有良好的性能［1］。我校研制一種新型水稻植質(zhì)缽育秧盤，用于代替塑料秧盤，可培育出優(yōu)質(zhì)稻苗，移栽無需緩苗等優(yōu)點(diǎn)［2］?，F(xiàn)針對水稻秧盤擺放所在的溫室內(nèi)的具體環(huán)境，設(shè)計一種適合大棚溫室內(nèi)環(huán)境使用的履帶式行走機(jī)構(gòu)。

1　履帶式行走機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計

1.1總體設(shè)計

履帶式行走機(jī)構(gòu)一般由履帶、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托帶輪和張緊裝置構(gòu)成。履帶與其所繞過的驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪和張緊輪組成所謂的“四輪一帶”［3］。履帶式行走機(jī)構(gòu)由連接回轉(zhuǎn)支承裝置的行走支架通過支重輪和履帶將載荷傳至地面，履帶封閉環(huán)繞過驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪。當(dāng)履帶由于磨損而延長時可由張緊裝置調(diào)整其松緊度［4］，機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1　履帶式行走機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of crawler running gear

1.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)溫室內(nèi)的實際環(huán)境，履帶行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

（1）整機(jī)質(zhì)量G≤1 kN

（2）驅(qū)動功率P≤0.5 kW

（3）最大行進(jìn)速度VMAX≥1 km·h-1

（4）由于溫室內(nèi)的土壤潮濕，所以要保證平均接地比壓不超過2.5 kPa［5］。

金屬履帶的突出優(yōu)點(diǎn)是：牽引力大，適合重負(fù)荷作業(yè)，接地比壓小，對農(nóng)業(yè)地面壓實、破壞程度輕，特別適合潮濕地的作業(yè)。主要適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械和運(yùn)輸車輛等的行走部分［6］。機(jī)身質(zhì)量為35 kg，選擇金屬履帶的總條數(shù)為2條。

1.3主要參數(shù)的確定

接地壓力為整車質(zhì)量除以履帶接地面積，此指標(biāo)為履帶行走機(jī)構(gòu)設(shè)計總體參數(shù)選擇的依據(jù)［7］。按照設(shè)計的要求，確定合理的配合參數(shù)：地面與履帶的接觸長L、寬b、帶輪導(dǎo)軌距離B，使得機(jī)構(gòu)平均接地比壓、附著性能等指標(biāo)滿足要求。該機(jī)構(gòu)的重量和工作負(fù)載通過履帶接觸傳至地面，機(jī)構(gòu)的重量和地面接地比壓決定了履帶的數(shù)量和總接觸面積A，機(jī)械的通過性是由接地比壓所決定的。根據(jù)機(jī)構(gòu)工作環(huán)境，查取行走裝置平均接地比壓值P=2.5 Pa，總接地面積：A

式中L—行走機(jī)構(gòu)履帶接地長度（m）

G—機(jī)體的重力（kN）

b—履帶的寬度（m）

由公式可得

機(jī)構(gòu)履帶與地面接觸的長度L與帶輪軌距B的比值直接影響履帶式行走機(jī)構(gòu)的行走軌跡。如果L/B＞1.7，履帶行走裝置很難轉(zhuǎn)向；如果L/B＜1，則機(jī)構(gòu)的直線行走能力較差，必須頻繁地轉(zhuǎn)向，由于水稻秧盤的擺放要求都在同一直線上，故取L/B=1.7根據(jù)設(shè)計方案，履帶軌距為0.7 m，所以L=0.7×1.3= 0.91。又由經(jīng)驗公式得b/L=0.18～0.22取b/L= 0.2，b=0.2×L=0.182 m［8］。

根據(jù)節(jié)距P與機(jī)器重力G的關(guān)系，即：

查找相關(guān)資料，經(jīng)分析可確定履帶的類型如表1所示。

表1　履帶類型參數(shù)表Table 1Parameter table of track type

1.4驅(qū)動輪

行走驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪半徑成正比。驅(qū)動輪半徑越大，驅(qū)動力矩就越大；驅(qū)動輪半徑小，驅(qū)動力矩也變?。?］。從提高動力和減少能量損失的角度考慮，驅(qū)動輪半徑應(yīng)盡量縮小。但驅(qū)動輪半徑不能過小，因為驅(qū)動輪半徑過小會使履帶的彎曲應(yīng)力增大，履帶彎曲直徑越小，應(yīng)力越大，會影響履帶壽命。因此驅(qū)動輪的齒數(shù)應(yīng)大于等于7，為延長使用壽命工作時需使驅(qū)動輪每個齒都依次與節(jié)銷嚙合，由此驅(qū)動輪的齒數(shù)和履帶的節(jié)銷數(shù)應(yīng)互為質(zhì)數(shù)。

驅(qū)動輪安置在前端，為前驅(qū)動；也可以安置在后端，為后驅(qū)動。采用驅(qū)動輪后置方式的優(yōu)點(diǎn)是：履帶受力大的區(qū)段短，延長了履帶的使用壽命，且不易造成履帶下部起拱。

1.5導(dǎo)向輪

導(dǎo)向輪的前后位置根據(jù)驅(qū)動輪位置而定，通常布置在前面。導(dǎo)向輪用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)，可以防止跑偏和越軌，導(dǎo)向輪中心離地面高度應(yīng)有利于降低重心。本設(shè)計選擇導(dǎo)向輪前置，其直徑比驅(qū)動輪直徑略小，即：D/Dk=0.8～0.9，取Dk=0.12 m，當(dāng)機(jī)器后退時導(dǎo)向輪承受2倍的牽引力，即支重輪應(yīng)該能承受不小于2倍的最大牽引力徑向載荷［10］。

1.6支重輪

按壓力傳遞的情況考慮，支重輪分為多支點(diǎn)和少支點(diǎn)兩種。所設(shè)計的行走機(jī)構(gòu)根據(jù)路面的狀況分析后，采用多支點(diǎn)的履帶行走裝置，使得裝置適用于溫室內(nèi)的潮濕不平土路，平均接地比壓小，支重輪的直徑小，數(shù)量多，距離近，壓力分配更均勻。履帶內(nèi)支重輪與履帶鏈條相配合，支重輪的排列應(yīng)規(guī)則合理，防止支重輪在履帶上左右滾動，否則會直接影響履帶式行走機(jī)構(gòu)的行走平穩(wěn)性，增大機(jī)器的行走阻力。因此，支重輪的排列應(yīng)保證行走平穩(wěn)性，兩支重輪間的距離s一般為1.5 p，2.5 p或3.5 p，不能是2 p或3 p。目的是為了保證行走裝置在行走時都能有支重輪作用在履帶鏈條上，盡量避免機(jī)器在不平路面上行走時的起伏，保證機(jī)構(gòu)在行走時的平穩(wěn)性，減小阻力。為減小支重輪滾動阻力，其數(shù)量不易過多，每邊支重輪的個數(shù)通常是3～5個。支重輪的工作條件比較惡劣，經(jīng)常工作于塵土中，偶爾也工作于泥水中，所以為防止泥沙隨著軸承的轉(zhuǎn)動帶入軸承中，支重輪軸承加裝兩個背對背的油封密封，可以有效的防止?jié)櫥托孤叮帜芊乐鼓嗌车那秩搿?/p>

由于履帶式底盤行走于溫室內(nèi)地面，地面凹凸不平會產(chǎn)生震動，需要加裝減震裝置，采用S形仿形減震軸如圖2。

圖2　履帶式行走機(jī)構(gòu)減震器示意圖Fig.2Schematic of damper crawler on running gear

1.7拖帶輪

拖帶輪是用來托住履帶，定位履帶，防止履帶左右擺動，減小履帶側(cè)向滑落幾率，防止履帶上下震動，上下的震動會讓履帶受到拉應(yīng)力導(dǎo)致兩側(cè)的驅(qū)動輪和支重輪的軸受拉變形。拖帶輪的作用與支重輪的作用大致相同，但拖帶輪所承受的載荷相對于支重輪所承受的載荷較小，所以尺寸比支重輪尺寸小。拖帶輪處于驅(qū)動輪與導(dǎo)向輪之間，一般為每邊1～2個［11］?？紤]減小震動和防止履帶的側(cè)向滑落，確定拖帶輪個數(shù)為每邊2個。

1.8履帶的前角和后角

前輪高度影響車輛跨越垂直障礙的能力，后輪高度影響車輛爬坡能力。車輛處于水平地面時，驅(qū)動輪與行走機(jī)構(gòu)前部第一個支重輪之間的履帶的延長線與水平地面之間的夾角為前角，這個角度是影響行走機(jī)構(gòu)行走的一個重要因素。前角增大使履帶的接地長度變長，有效的減小接地壓力；但前輪驅(qū)動時前角增大，履帶鏈條孔與驅(qū)動輪嚙合的齒數(shù)就變少，齒數(shù)的較少造成履帶鐵齒和驅(qū)動輪的輪齒受力增大，隨之造成驅(qū)動輪和履帶的磨損加重，影響其使用壽命。

1.9電動機(jī)的選擇

履帶式行走裝置在行進(jìn)過程中需要充足的動力，并且履帶式行走機(jī)構(gòu)用于高載荷的作業(yè)，所以選用電機(jī)必須具備過載保護(hù)能力，電機(jī)的傳動采用雙側(cè)電機(jī)傳動方案。試驗動力裝置選用12 V電機(jī)，轉(zhuǎn)速為960 r·min-1直流電機(jī)，并配有減速比為1∶4減速器，該電機(jī)及配套減速器具備動作靈敏可靠、調(diào)速性能好、小帶輪與大帶輪間采用開口式連接，大帶輪直徑D=50 mm，小帶輪d=30 mm，小帶輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)公式：

式中：n為小帶輪轉(zhuǎn)速；r為小帶輪半徑。由公式可求出小帶輪轉(zhuǎn)速n=230～250 r·min-1，滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速要求。

1.10電源的選擇

水稻秧盤履帶式起盤機(jī)的工作地點(diǎn)為水稻育秧大棚，受地理條件和機(jī)器用電的限制，試驗采用電源為12 V便攜式蓄電池，具有體積小、安裝簡便、操作簡單等特點(diǎn)，并能夠滿足水稻秧盤擺放機(jī)的動力要求。

2　行走系統(tǒng)的參數(shù)確定

通過計算與分析，最終確定行走機(jī)構(gòu)為2條金屬鏈條履帶，多支點(diǎn)，支撐輪與履帶架為剛性連接。其參數(shù)如表2所示。

表2　行走機(jī)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)Table 2System parameters of travel agency

3　結(jié)論

以農(nóng)業(yè)機(jī)械的實際工作環(huán)境為背景，對履帶式

行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件的設(shè)計以及參數(shù)的確定等問題進(jìn)行了分析研究。通過對履帶式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計，總結(jié)了農(nóng)業(yè)機(jī)械履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的原則，就履帶在水平面內(nèi)的接地長度、履帶寬度和軌距以及驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪設(shè)計方法和注意事項進(jìn)行分析，保證了平均接地比壓不大于允許值，確定了行走裝置具有良好的通過性，同時考慮履帶寬度和接地長度取值不會影響轉(zhuǎn)向性能和整機(jī)尺寸，為農(nóng)業(yè)用履帶式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

［1］顧建清，戴鼎，顧菊根，等. 機(jī)插水稻大棚育秧技術(shù)試驗與研究［J］. 中國農(nóng)機(jī)化，2011（3）：97-100.

［2］劉鑫，汪春.基于SolidWorks的水稻育秧土混拌機(jī)混拌筒虛擬樣機(jī)設(shè)計及有限元仿真研究［J］. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2014，26（5）：31-34.

［3］趙瑜，閆宏偉.履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計分析和研究［J］. 新技術(shù)新工藝，2010，11（5）：50-53.

［4］孫振杰，劉俊峰，李彩風(fēng)，等. 微型農(nóng)用履帶式行走裝置的設(shè)計方法［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，24（10）：55-58.

［5］劉彤，許純新. 橡膠履帶車輛接地壓力分布［J］. 工程機(jī)械，1995（5）：11-18.

［6］陳媛媛. 履帶車輛行動系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析［D］.沈陽：沈陽理工大學(xué)，2012.

［7］趙文生. 履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計分析［J］. 湖北農(nóng)機(jī)化，2010（11）：56-58

［8］徐錫晨. 履帶式小型甘蔗收割機(jī)底盤和鋼架設(shè)計與分析［D］.廣西：廣西大學(xué)，2006.

［9］楊春海. 掘進(jìn)機(jī)履帶式行走機(jī)構(gòu)的研究［J］. 科學(xué)之友：B版，2008（7）：1-2.

［10］吉洋. 林用履帶機(jī)器人底盤設(shè)計與仿真分析［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2013.

［11］李連豪，張偉，汪春，等. 水稻植質(zhì)缽盤高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45（11）：88-97.

Design Crawler Travel Mechanism of Rice Yangpan Plate Machine

Li Yang1，Wang Chun1，Zhang Xinyue1，Li Chunbao2，Yu Bo3
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Yunshan Farm of Mudanjiang Management Bureau；3.850 Farm of Mudanjiang Management Bureau）

According to the characteristics of crawler travel device and combined with the placing conditions of paddy seedling on trays and the real conditions of agricultural machine，the crawler travel device and it's key components were designed，and the various parts of its parameters were analyzed.Through analysis and research，the walking device was determined to have a good passing ability，and the reasonable length and width of the ground track were found out to have no effects on the behavior of straight line walking of crawler travel device.This research provided some reference for seedling tray from the crawler travel device.

design；rice；crawler walking mechanism；caterpillar

S223.1

A

1002-2090（2016）02-0090-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.02.018

2015-04-15

李楊（1988-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2012級碩士研究生。

汪春，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：Ewangchun1963@126.com。