蔣瑞斌

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410127）

1 引言

湖南是一個農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)機(jī)械制造大省，雖然多山多水、地理環(huán)境復(fù)雜，但農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平仍在不斷提高。在凹凸不平的道路、碎石地面以及泥濘的作業(yè)場地等普通運輸車輛無法或者不適合通行的條件下，為克服惡劣作業(yè)環(huán)境和多變路況的不利影響，農(nóng)戶通常選用帶有履帶式底盤的農(nóng)業(yè)機(jī)械，如履帶式收割機(jī)、履帶式拖拉機(jī)和履帶式運輸車等。采用履帶式底盤，具有著地面積大、壓強小、與地面粘著力強、牽引性佳、地面支持性與驅(qū)動性良好等優(yōu)點。履帶式底盤農(nóng)業(yè)機(jī)械對土壤的壓強小，僅為輪式拖拉機(jī)的十分之一左右，大大降低了因機(jī)械化作業(yè)對土壤造成的破壞程度。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中，選用履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械，可有效緩解輪式農(nóng)業(yè)機(jī)械碾壓造成的土壤板結(jié)問題，保護(hù)了土壤耕作層，縮短了土壤的自我修復(fù)周期，有利于土地的可持續(xù)耕作。

履帶張緊裝置是履帶式底盤的重要組成部分，其性能好壞直接影響履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械的行駛性能。在實際使用過程中，現(xiàn)有的履帶張緊裝置存在諸多問題。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境一般較復(fù)雜惡劣，導(dǎo)致履帶張緊裝置容易發(fā)生堵塞；一旦履帶張緊裝置發(fā)生堵塞，則需要工作人員對其進(jìn)行拆裝維修，而現(xiàn)有張緊裝置的拆裝又不夠方便。現(xiàn)有履帶張緊裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高，導(dǎo)致張緊效果大大降低。現(xiàn)有的履帶通常被設(shè)計為剛性固定，在遇到?jīng)_擊或者過溝過坎時因無緩沖功能往往直接導(dǎo)致其使用壽命縮短，尤其是對橡膠履帶的影響更加明顯；一旦履帶被損壞只能將其更換，如果是壞在田間難以維修則受到的損失將會更大，因此，課題組圍繞安全可靠性、操作舒適性、環(huán)保節(jié)能等方面對履帶式底盤進(jìn)行了研究。根據(jù)湖南省對農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的要求，針對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤故障率高、拆裝維修困難等問題，本文創(chuàng)新設(shè)計了高強度農(nóng)業(yè)機(jī)械履帶式底盤張緊機(jī)構(gòu)，能適應(yīng)復(fù)雜多變的路況，滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械安全可靠行走的要求，對提高農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤的安全性、穩(wěn)定性以及維護(hù)保養(yǎng)的便捷性具有非?，F(xiàn)實的意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初履帶式底盤在坦克上被成功應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，履帶式底盤出現(xiàn)了大量變型產(chǎn)品，分別被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、挖掘機(jī)、推土機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、智能機(jī)器人等設(shè)備。關(guān)于履帶式底盤的研究成果也越來越多。

在國外，1989年EVANS和GOVE公布了一種橡膠履帶與一種四輪驅(qū)動拖拉機(jī)在硬地面和已耕地上牽引性能的實驗結(jié)果。在相同的底盤結(jié)構(gòu)情況下，橡膠履帶的牽引效率與動態(tài)牽引比更高。目前，日本、歐美等國家的科研人員在履帶式行走底盤方面進(jìn)行了較為深入的研究。國內(nèi)一些大、中型設(shè)備所需履帶式底盤主要依靠進(jìn)口。

在國內(nèi)，魯鳴、沈文龍完成了電動農(nóng)業(yè)車輛履帶式底盤設(shè)計研究，指出履帶式車輛擁有對土壤的單位面積壓力小、對土壤的附著性能好等優(yōu)點并被廣泛用于農(nóng)業(yè)機(jī)械[1]。司癸卯等進(jìn)行了輪履式復(fù)合底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析，運用SolidWorks建立了三維模型，運用Ansys Workbench對輪式底盤模塊車架進(jìn)行了有限元分析，得到了應(yīng)力、應(yīng)變云圖，完成了強度、剛度校核。結(jié)果表明，輪履式復(fù)合底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足工程施工要求[2]。李斌等人進(jìn)行了農(nóng)用履帶式底盤技術(shù)及衍生產(chǎn)品的研究，說明在松軟的耕地上，履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械的通過性、適應(yīng)性比輪式農(nóng)業(yè)機(jī)械更強。在惡劣天氣條件下的潮濕泥濘土地上作業(yè)時，履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)勢明顯，其作用甚至是不可替代的[3]。閆清東等對履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行坡道轉(zhuǎn)向特性研究，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)向所需的制動力和牽引力隨履帶車輛方位角變化的關(guān)系，分析了坡道轉(zhuǎn)向時內(nèi)外側(cè)履帶所需制動力和牽引力的變化規(guī)律，指出了導(dǎo)致履帶車輛坡道轉(zhuǎn)向的不穩(wěn)定因素[4]。龔計劃以小型挖掘機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)為研究對象，通過采用經(jīng)驗公式和對比同類產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，確定了履帶行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，并采用參數(shù)化方法對履帶行走機(jī)構(gòu)主要零部件進(jìn)行了設(shè)計[5]。目前市場上部分履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品在電氣控制以及機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了調(diào)平系統(tǒng)，大大提高了對極限工況的適應(yīng)能力[6-8]。采用帶有自動調(diào)平功能的履帶式底盤，降低了農(nóng)業(yè)機(jī)械在縱坡和橫坡作業(yè)時傾翻的風(fēng)險，提高了附著力和通過性。

3 高強度履帶式底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械對其底盤的功能要求，結(jié)合其作業(yè)特點和作業(yè)環(huán)境，優(yōu)化設(shè)計一種新型高強度履帶式底盤，能解決目前存在的諸多問題[9-12]。

如圖1所示，本文設(shè)計的高強度履帶式底盤主要包括：設(shè)置有張緊輪梁的車架、設(shè)置在車架上的張緊機(jī)構(gòu)以及固定在車架兩側(cè)通過張緊機(jī)構(gòu)張緊的履帶。

張緊機(jī)構(gòu)主要包括：安裝于張緊輪梁上的導(dǎo)套、內(nèi)穿于導(dǎo)套并可沿導(dǎo)套移動的張緊桿。張緊桿的一端連接一個張緊板，張緊板上穿設(shè)一個張緊螺栓，張緊螺栓與張緊板螺紋連接，張緊輪梁上開有通孔且通孔的一側(cè)設(shè)有固定螺母，張緊螺栓穿過所述通孔并與固定螺母螺紋連接；張緊桿的另一端連接有夾持塊，夾持塊被夾持在張緊輪的輪軸上；張緊桿上穿設(shè)有緩沖彈簧，緩沖彈簧的一端抵接于導(dǎo)套的端部，另一端抵接于張緊板上。

此外，夾持塊上開設(shè)有夾持通槽，張緊輪的輪軸穿設(shè)在夾持通槽內(nèi)，在張緊輪的輪軸上、夾持塊的外側(cè)設(shè)有夾持螺母。在張緊輪梁上安裝有兩根平行導(dǎo)套，在兩根導(dǎo)套內(nèi)各穿設(shè)有一個張緊桿，兩根張緊桿分別位于張緊板的兩端，張緊螺栓位于張緊板的中部，兩根張緊桿的另一端均連接有夾持塊，兩個夾持塊分別被夾持在所述張緊輪的兩側(cè)。

車架兩側(cè)的前后端均設(shè)置有張緊輪梁，張緊輪梁上均設(shè)置有張緊機(jī)構(gòu)。在車架下端設(shè)置有X形支撐架，支撐架有四個固定端，四個固定端分別固定于張緊機(jī)構(gòu)的張緊板上。

該履帶式底盤設(shè)置有緩沖結(jié)構(gòu)，可將履帶承受的沖擊力轉(zhuǎn)移一部分給車架結(jié)構(gòu)，降低了對履帶的損傷。該設(shè)計具有拆裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、不易發(fā)生堵塞的優(yōu)點。

該履帶張緊裝置的夾持塊上開設(shè)有固定孔且孔內(nèi)設(shè)有連接螺紋筒，張緊桿與連接螺紋筒螺紋連接。固定孔與連接螺紋筒之間設(shè)置有軸向間隙，在該軸向間隙內(nèi)設(shè)置有緩沖墊片。張緊桿通過連接螺紋筒與夾持塊連接，連接方便且穩(wěn)固。在固定孔與連接螺紋筒之間設(shè)置有軸向間隙并在該軸向間隙內(nèi)設(shè)置有緩沖墊片，可使張緊桿與夾持塊之間連接具有一定的柔性，避免在張緊輪遇到撞擊時出現(xiàn)因剛性連接導(dǎo)致履帶松脫或斷裂等情況。

在夾持塊上開設(shè)有夾持通槽，將張緊輪的輪軸穿設(shè)在該夾持通槽內(nèi)。在張緊輪的輪軸上、夾持塊的外側(cè)設(shè)有夾持螺母。將張緊輪的輪軸穿設(shè)在夾持通槽內(nèi)并將其夾持。將夾持螺母套在輪軸上，從夾持塊的外側(cè)將夾持塊與張緊輪夾緊固定，避免張緊輪松動。該夾持通槽的開口方向可以是沿夾持塊水平、豎直或者傾斜的方向，但一般不應(yīng)與固定孔的開口方向平行或呈銳角，以避免張緊輪在沖擊力作用下從夾持通槽中滑落。優(yōu)選方案為：夾持通槽設(shè)于夾持塊上與固定孔相對的一側(cè)，并且夾持通槽的開口方向與固定孔的開口方向相反。如此，可確保張緊輪無論在多大的沖擊壓力下均不會從夾持通槽中滑落，進(jìn)一步提高了該履帶張緊裝置的穩(wěn)固性。

在張緊螺栓上靠近張緊板的內(nèi)側(cè)設(shè)置有并緊螺母。張緊輪調(diào)整張緊后，向張緊板一側(cè)旋緊該并緊螺母，可將張緊螺栓與張緊板鎖緊，防止張緊螺栓松動，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。在張緊輪梁上平行安裝有兩根導(dǎo)套。該兩根導(dǎo)套內(nèi)各穿設(shè)有一根張緊桿，兩根張緊桿分別連接于張緊板的兩端。張緊螺栓連接于張緊板的中部，兩根張緊桿的另一端各連接有一塊夾持塊，兩個夾持塊分別夾持在張緊輪的兩側(cè)。如此，可使該履帶張緊裝置受力更加均衡，更進(jìn)一步提高了該履帶張緊裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和張緊效果。張緊輪梁設(shè)置為兩根，兩個導(dǎo)套均固定穿設(shè)安裝在兩根張緊輪梁上，可使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。張緊螺栓與兩根張緊桿平行、處于同一平面內(nèi)，可使受力更均衡。

高強度履帶式底盤的主要參數(shù)如表1所示，底盤總質(zhì)量為1000 kg，底盤離地間隙在240～360 mm范圍內(nèi)可調(diào)，動力為汽油機(jī)，功率為11 kW。

表1 底盤主要參數(shù)

4 應(yīng)用和結(jié)論

課題組采用所設(shè)計的高強度履帶式底盤設(shè)計了一臺新的履帶式運輸車。如圖2所示，將該運輸車與市場現(xiàn)有的履帶式底盤運輸車進(jìn)行了對比試驗，收集試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的高強度履帶式底盤能滿足使用要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計的主要特點為：設(shè)計了緩沖結(jié)構(gòu)，可將履帶承受的沖擊力轉(zhuǎn)移一部分給車架結(jié)構(gòu)，有效減輕了對履帶的損傷；在張緊輪梁上安裝導(dǎo)套，在導(dǎo)套內(nèi)穿設(shè)可沿導(dǎo)套伸縮的張緊桿，將張緊桿的一端連接張緊板、另一端連接夾持塊，張緊板上連接張緊螺栓，張緊螺栓穿過張緊輪梁并與固定螺母螺紋連接；將張緊輪梁固定安裝在履帶式運輸車上，通過張緊螺栓調(diào)節(jié)張緊板與張緊輪梁之間的距離，可調(diào)節(jié)張緊輪的伸出距離并使履帶張緊，與張緊板、固定螺母連接的張緊螺栓可防止張緊桿回退；該履帶式底盤拆裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且不易發(fā)生堵塞，張緊效果好。

將所設(shè)計的高強度履帶式底盤應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，能有效提高行駛安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少履帶磨損，降低故障率，且便于檢測與維修。本研究能為設(shè)計開發(fā)各種新型農(nóng)業(yè)機(jī)械提供一個良好的底盤，具有良好的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。