基于山地丘陵地區(qū)農(nóng)機行走機構(gòu)設計研究*

王 輝 ， 傅 杰， 王 俊， 劉莉滋 ， 王海寶

(1.重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404130；2.智能制造先導技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶 404130)

作為農(nóng)業(yè)大國，我國的總耕地面積大。 據(jù)統(tǒng)計，山地丘陵、高原地區(qū)占全國耕地面積的70%左右，平原、盆地約占30%， 我國山地丘陵的戶籍人口占全國總?cè)丝诘?成以上，其糧食產(chǎn)量占全國的3 成以上[1]。 南方大多省份的農(nóng)業(yè)開發(fā)水平遠不如北方平原地區(qū)， 山地丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機械化水平發(fā)展相對較差[2]。

目前， 國內(nèi)市場大多數(shù)平原地區(qū)的農(nóng)機不適應在山地丘陵地區(qū)作業(yè)，而我國山地丘陵地區(qū)較多，坡度較大，特別需要能完成高起伏作業(yè)的中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運輸機械來進一步開發(fā)山地丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展力。 在此基礎上， 研發(fā)一款適合山地丘陵地區(qū)的行走機構(gòu)來提高山地丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化水平、安全性，是很有必要的。本文針對三峽庫區(qū)山地丘陵地勢特點， 研究一種具有良好通過性的行走機構(gòu)， 解決山地丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機械通過性差的問題。

1 山地丘陵地區(qū)農(nóng)機現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外適用于山地丘陵的農(nóng)機由軍事領(lǐng)域演變而來，其最大的特點在于可以在丘陵山地間自如的完成機械作業(yè)，發(fā)展到現(xiàn)在，國外朝著大型化、自動化的方向發(fā)展[3-4]。

最早進行山地丘陵農(nóng)機行走機構(gòu)的是西方的發(fā)達國家， 在20 世紀末他們就能做到在27°的坡度上進行正常的作業(yè)，現(xiàn)在已發(fā)展到比較成熟的階段[5]。 與我國情況相近的日本，現(xiàn)其農(nóng)機大多采用履帶式，具有更小的轉(zhuǎn)彎半徑的同時增加農(nóng)機的通過性，且越來越趨向于一體化[6]。

我國山地丘陵農(nóng)機的研究起步較晚，且我國的農(nóng)業(yè)機械化水平較低，能夠適應山區(qū)機械作業(yè)，越障能力好的農(nóng)機較少[7]。 直到“十一五”之后，國家加大了農(nóng)業(yè)機械化方面的研發(fā)投入，加快了農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展。

1.2 現(xiàn)有農(nóng)機行走機構(gòu)優(yōu)缺點

現(xiàn)有用于山地丘陵的行走機構(gòu)一般為履帶式行走機構(gòu)，對比輪式的行走機構(gòu)，履帶式行走機構(gòu)有著與地面接觸面積大、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點。 而履帶式行走機構(gòu)一般分為普通型和搖臂式行走機構(gòu)。

1.2.1 普通型行走機構(gòu)

普通型行走機構(gòu)爬坡越障示意圖如圖1 所示。 圖1(a)表示農(nóng)機前沿與障礙物接觸，開始越障；圖1(b)表示農(nóng)機越障時，農(nóng)機重心未超過障礙履帶與障礙物接觸；圖1(c)表示農(nóng)機越障時，農(nóng)機重心超過障礙物；圖1(d)表示農(nóng)機完全越過障礙物邊緣，越障完成。

圖1 普通型履帶農(nóng)機行走機構(gòu)工作示意圖

普通型履帶行走機構(gòu)的優(yōu)點在于其易于操作，結(jié)構(gòu)簡單，但缺點也很明顯，它的越障能力不是太好，跨越障礙的高度往往取決于開口的角度和農(nóng)機自身的重心位置。

1.2.2 搖臂式行走機構(gòu)

搖臂式行走機構(gòu)爬坡越障示意圖如圖2 所示。 圖2(a)表示農(nóng)機前擺臂碰到障礙物，開始越障；圖2(b)表示農(nóng)機重心沒有超過障礙物時， 通過前擺臂與后擺臂的配合越障過程；圖2(c)表示農(nóng)機重心超過障礙物時的越障過程；圖2(d)表示農(nóng)機完全爬上障礙物，越障完成。

圖2 搖臂式行走機構(gòu)工作示意圖

搖臂式履帶行走機構(gòu)的優(yōu)點在于它有著良好的越障能力，缺點在于其結(jié)構(gòu)相對較為復雜，前后擺臂的控制較為困難[3]。 所以，本文旨在設計一種在越障能力與控制上都有一定優(yōu)勢的行走機構(gòu)。

2 兩段式獨立履帶行走機構(gòu)的設計研究

2.1 兩段式獨立履帶行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計

針對山地丘陵耕地的地貌特征， 設計的兩段式獨立履帶行走機構(gòu)的三維圖如圖3 所示，圖4 為其二維圖。 該行走機構(gòu)包括底盤框架結(jié)構(gòu)、導向輪、履帶、前支架、前主動輪、支撐輪、前履帶浮動支撐架、從動輪、后履帶浮動支撐架、后支架、后主動輪、連接桿、減震器等結(jié)構(gòu)。 此農(nóng)機爬坡越障行走機構(gòu)車架上固定有4 個減速電動機，分別驅(qū)動兩個前主動輪和兩個后主動輪， 通過對減速電機的控制，能完成轉(zhuǎn)向的工作，且有較小的轉(zhuǎn)彎半徑。 四履帶之間爬坡越障時中間的從動輪會隨履帶運動上下浮動。 該設計的優(yōu)點在于4 個電機可以提供更強的驅(qū)動力， 相較汽油機和柴油機更加環(huán)保，也更容易控制。 這種機構(gòu)具體的工作過程為：當在平地行走時，前履帶和后履帶在同一平面，前主動輪和后主動輪同時驅(qū)動；當爬坡時，前履帶遇到障礙向上傾斜， 讓前履帶與后履帶中間部分向下突起，使履帶更大程度的接觸地面，達到爬坡的效果；當下坡時前履帶向下傾斜，讓前履帶與后履帶中間部分向上凸出來更大程度的讓履帶和地面接觸，達到下坡的效果。 通過減速電機驅(qū)動，有更好的驅(qū)動效果。 兩側(cè)的履帶能根據(jù)地形自動的進行適當調(diào)整，可以滿足更復雜地形作業(yè)的要求并充分發(fā)揮兩側(cè)履帶的驅(qū)動力，使履帶車的通用性及適應性得到提高。

圖3 兩段式獨立履帶行走機構(gòu)的三維圖

圖4 兩段式獨立履帶行走機構(gòu)的主視圖和俯視圖

2.2 兩段式獨立履帶行走機構(gòu)研究分析

兩段式獨立履帶行走機構(gòu)主要改進了一般搖臂式行走機構(gòu)的缺點，增強了前后履帶的配合度，在遇到障礙物時能自動的適應地形，進行仿形，且采用4 個獨立電機以達到比較精準的控制。 相較于普通型行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)也不算太過復雜。 兩段式獨立履帶行走機構(gòu)爬坡越障示意圖如圖5 所示。 圖5(a)表示農(nóng)機前履帶碰到障礙物，開始越障；圖5(b)表示農(nóng)機重心沒超過障礙邊緣時前履帶與障礙物接觸時的越障情況；圖5(c)表示農(nóng)機重心超過障礙物邊緣，在前、后履帶共同作用下越障；圖5(d)表示農(nóng)機完全爬上障礙物，越障完成。

圖5 兩段式履帶行走機構(gòu)的工作示意圖

可以看見兩段式履帶行走機構(gòu)能在一定程度上對地形進行仿形，減少了對控制的要求，也有著強于普通越障機構(gòu)的越障能力。

3 結(jié)論

綜上所述，本文在分析現(xiàn)有行走機構(gòu)的優(yōu)缺點后，設計了一種兩段式獨立履帶行走機構(gòu)， 這種機構(gòu)主要是對現(xiàn)有的搖臂式行走機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)上的改進， 在保證其越障能力的基礎上使其可以在遇到障礙物時有一定的自我調(diào)節(jié)能力，降低了對控制的需求。該行走機構(gòu)操作容易，結(jié)構(gòu)簡單，在有較好的越障能力的同時有著較大的與地面接觸面積和較小的轉(zhuǎn)彎半徑。