岳丹丹 ， 李沐桐 ， 何 林 ， 陳中武 ， 張 軒 ， 周廣亮

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，丘陵山區(qū)面積占全國(guó)面積40%以上，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化的調(diào)整，丘陵山區(qū)經(jīng)濟(jì)作物的占比逐漸增大[1]。但目前丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于平原地區(qū)，其主要原因是丘陵山區(qū)地形起伏不平、作業(yè)地塊小和立地條件差等。相較于輪式底盤(pán)，履帶式底盤(pán)具有接地比壓小、抓地能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為了促進(jìn)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)一步發(fā)展，開(kāi)展新型行走底盤(pán)結(jié)構(gòu)研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。

現(xiàn)有的行走底盤(pán)包括剛性輪式底盤(pán)、浮動(dòng)輪系履帶底盤(pán)、多自由度爬坡底盤(pán)、多桿件變形底盤(pán)等。剛性輪式底盤(pán)的穩(wěn)定性較好，但地面仿形能力較差，只適用于大田作業(yè)；浮動(dòng)輪系履帶底盤(pán)只具有履帶內(nèi)部仿形功能，其仿形幅度也較小，適合部分過(guò)溝越障作業(yè)，不能保障大坡度行走；多自由度爬坡底盤(pán)主要通過(guò)設(shè)置懸架結(jié)構(gòu)，形成底盤(pán)聯(lián)動(dòng)特性，多數(shù)只針對(duì)俯仰方向的仿形，而部分具有側(cè)翻角方向的仿形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維修難度較大[5-7]。

為提高丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械的通過(guò)性，促進(jìn)果園機(jī)械的發(fā)展，課題組采用機(jī)-電-液組合形式開(kāi)發(fā)了動(dòng)力驅(qū)控系統(tǒng)，結(jié)合旋點(diǎn)式浮動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種仿形電液履帶底盤(pán)。

1 總體闡述

1）總體結(jié)構(gòu)。雙側(cè)浮動(dòng)仿形電液履帶底盤(pán)主要包括旋點(diǎn)式浮動(dòng)行走底盤(pán)與動(dòng)力驅(qū)控系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，旋點(diǎn)式浮動(dòng)行走底盤(pán)包括底盤(pán)架、行走履帶、自調(diào)組合裝置、平衡尾板等，動(dòng)力驅(qū)控系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電磁離合器、液壓系統(tǒng)、連桿控制裝置等。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

2）工作原理。發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)柱塞泵轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)與柱塞泵相連接的連桿機(jī)構(gòu)控制液壓馬達(dá)流量，從而實(shí)現(xiàn)左右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)與差速，依靠驅(qū)動(dòng)輪與履帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)獲得地面摩擦力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器前后、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)。雙側(cè)浮動(dòng)仿形電液履帶底盤(pán)工作時(shí)，底盤(pán)上設(shè)置的平衡尾板通過(guò)平衡旋點(diǎn)連接裝置可旋轉(zhuǎn)地與底盤(pán)架連接，然后再將平衡尾板的兩端通過(guò)彈性補(bǔ)償連接裝置連接支撐至行走裝置上，在復(fù)雜的地形環(huán)境中行走裝置的上下起伏，帶動(dòng)平衡尾板兩端上下浮動(dòng)，提高底盤(pán)在不規(guī)則丘陵山區(qū)行走的仿形能力。

3）技術(shù)參數(shù)。根據(jù)履帶運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用環(huán)境、工作要求，分析出運(yùn)輸機(jī)用的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、最大行走速度、最大爬坡度等技術(shù)參數(shù)。具體參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為10.5 kW，整機(jī)重量為345 kg，最大行駛速度為6 km/h，最大爬坡角度為25°。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與建模

2.1 動(dòng)力驅(qū)控系統(tǒng)

為滿足我國(guó)華南地區(qū)農(nóng)機(jī)裝備的發(fā)展需求，需結(jié)合自動(dòng)化、智能化和信息化技術(shù)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)機(jī)-電-液一體化的雙側(cè)浮動(dòng)仿形履帶底盤(pán)，以提高其快速驅(qū)動(dòng)和精準(zhǔn)控制性能，底盤(pán)動(dòng)力驅(qū)控系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。當(dāng)需要執(zhí)行作業(yè)部件工作時(shí)，只需控制電磁離合器上電吸合，此時(shí)離合帶輪與常轉(zhuǎn)帶輪保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)帶輪驅(qū)動(dòng)執(zhí)行作業(yè)部件工作；當(dāng)停止工作時(shí)，只需將電磁離合器斷電即可。

圖2 動(dòng)力驅(qū)控系統(tǒng)分布圖

當(dāng)需要底盤(pán)行駛時(shí)，通過(guò)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)斜盤(pán)式變量柱塞串泵，將角度傳感器集成于電機(jī)內(nèi)，并設(shè)置在斜盤(pán)式變量柱塞串泵兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的組合連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)，分別控制左右兩個(gè)扁軸轉(zhuǎn)角，并通過(guò)角度傳感器實(shí)時(shí)反饋角度數(shù)值，進(jìn)而控制泵內(nèi)斜盤(pán)傾角的大小和方向，以調(diào)節(jié)左右液壓馬達(dá)的流量方向和流量大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制。

2.2 浮動(dòng)行走底盤(pán)

浮動(dòng)行走底盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，浮動(dòng)行走底盤(pán)設(shè)有平衡尾板，平衡尾板通過(guò)平衡旋點(diǎn)連接裝置可旋轉(zhuǎn)地與底盤(pán)架連接，然后再將平衡尾板的兩端通過(guò)彈性補(bǔ)償連接裝置連接支撐至行走裝置上。行走裝置在復(fù)雜地形環(huán)境中的上下起伏，通過(guò)平衡尾板得到補(bǔ)償，提高底盤(pán)在不規(guī)則丘陵山區(qū)行走的仿形能力，增強(qiáng)了通過(guò)性，使得行走底盤(pán)更加適用于復(fù)雜的地形環(huán)境。

圖3 浮動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

2.3 整機(jī)建模

對(duì)雙側(cè)浮動(dòng)仿形電液履帶底盤(pán)爬坡性能進(jìn)行仿真分析時(shí)，履帶底盤(pán)動(dòng)力學(xué)模型的建立分為兩個(gè)步驟：第一，在Inventor中繪制三維模型；第二，聯(lián)合RecurDyn進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型建立。為了提高RecurDyn動(dòng)力學(xué)分析軟件的運(yùn)算速度，首先在保證履帶底盤(pán)整體結(jié)構(gòu)與質(zhì)心不變的情況下，在Inventor中可對(duì)履帶運(yùn)輸機(jī)中不重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)、部件進(jìn)行省略，忽略真實(shí)履帶運(yùn)輸機(jī)上具有的焊接細(xì)節(jié)[8-9]。其次采用多體單元組合法，利用RecurDyn軟件對(duì)履帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行建模。此履帶運(yùn)輸機(jī)由機(jī)身、運(yùn)輸機(jī)頭以及履帶系統(tǒng)組成，履帶系統(tǒng)包含左、右兩側(cè)履帶，每側(cè)履帶子系統(tǒng)由1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)張緊輪、3個(gè)負(fù)重輪和30塊橡膠履帶板組成，如圖4所示。

圖4 整機(jī)三維圖

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 添加約束

為了對(duì)履帶運(yùn)輸機(jī)在爬坡工況下進(jìn)行合理、有效的動(dòng)力學(xué)仿真分析，需要對(duì)履帶運(yùn)輸機(jī)仿真系統(tǒng)所建模各組件添加約束以及運(yùn)動(dòng)副關(guān)系。其中，履帶系統(tǒng)和機(jī)身部分采用固定約束，驅(qū)動(dòng)輪與機(jī)身采用轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，支重輪和履帶支撐架采用轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，張緊裝置和履帶支撐架采用平移副約束，履帶支撐架和機(jī)身采用固定副約束，30個(gè)履帶板之間采用軸套約束。進(jìn)一步在RecurDyn中對(duì)履帶運(yùn)輸機(jī)行駛接觸的路面進(jìn)行定義，履帶運(yùn)輸機(jī)多行走在丘陵山地中田間路面，分析運(yùn)輸機(jī)在兩種不同路面下的性能。通過(guò)借鑒參考文獻(xiàn)以及仿真分析經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置田間路面具體參數(shù)取值：黏聚力模量取42 kN/mn+1，內(nèi)摩擦力模量取9 kN/mn+2；土壤變形指數(shù)取0.82，土壤含水率取37%，土壤堅(jiān)實(shí)度取93.5，履帶輪與地面的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.7[10-12]。

基于上述建立的履帶底盤(pán)動(dòng)力學(xué)模型與丘陵山地路面模型，選取履帶運(yùn)輸機(jī)以最大設(shè)計(jì)車速6 km/h（1.67 m/s）在上述路面進(jìn)行仿真分析，由驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑為197 mm，可得驅(qū)動(dòng)輪角速度為ω1。為了確保挖掘機(jī)直線行駛，需對(duì)虛擬樣機(jī)中左右兩條履帶的驅(qū)動(dòng)輪施加相同的速度驅(qū)動(dòng)。定義驅(qū)動(dòng)函數(shù)為IF(TIME-1:0,0,IF(TIME-2:STEP(TIME,1,0,2,-834d), -834d,STEP(TIME,6,-834d,7,0)))，即0～1 s履帶底盤(pán)驅(qū)動(dòng)輪處于準(zhǔn)備狀態(tài)，1 s～2 s履帶底盤(pán)履帶處于加速狀態(tài)，6 s～7 s底盤(pán)履帶從最高速度減速至0。

3.2 爬坡仿真分析

根據(jù)履帶運(yùn)輸機(jī)爬坡路面的特點(diǎn)，軟件中的路面寬度設(shè)定為1 500 mm，路面坡度選取設(shè)計(jì)的履帶運(yùn)輸機(jī)最大坡度25°。設(shè)定運(yùn)輸機(jī)以最大速度6 km/h爬坡行駛，爬坡路面模型如圖5所示，仿真所得到的質(zhì)心水平位移與水平速度如圖6與圖7所示。

圖5 爬坡仿真界面

圖6 質(zhì)心Z向位移變化曲線

圖7 質(zhì)心速度變化曲線

由圖5可知，仿真時(shí)，履帶底盤(pán)的初始狀態(tài)距地面有一定高度。由圖6與圖7可知，0～0.4 s區(qū)間內(nèi)，車身質(zhì)心Z向位移向下，0.4 s時(shí)，履帶底盤(pán)從地面上方自由落體到地面；0.4 s～1 s區(qū)間內(nèi)，履帶底盤(pán)處于靜止?fàn)顟B(tài)，質(zhì)心速度與位移高度無(wú)變化；1 s～2 s區(qū)間內(nèi)，履帶底盤(pán)在平地做加速運(yùn)動(dòng)，速度從0變化至6 km/h；2 s～6 s區(qū)間內(nèi)，履帶底盤(pán)爬上坡面，此時(shí)質(zhì)心Z方向的位移均勻上升，質(zhì)心速度趨于穩(wěn)定；6 s～7 s區(qū)間內(nèi)，履帶底盤(pán)爬上坡頂，質(zhì)心Z向位移不再變化，速度變化至0。

由圖6與圖7可得，雙側(cè)浮動(dòng)仿形電液履帶底盤(pán)能夠以6 km/h的設(shè)計(jì)車速越過(guò)25°的坡度，且其質(zhì)心速度曲線與位移曲線變化穩(wěn)定，表明課題組設(shè)計(jì)的履帶底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)置合理。

4 結(jié)論

針對(duì)統(tǒng)行走底盤(pán)在丘陵山區(qū)不規(guī)則路面通過(guò)性較差、仿形能力弱等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種仿形電液履帶底盤(pán)。首先，對(duì)行走底盤(pán)進(jìn)行機(jī)械原理設(shè)計(jì)、動(dòng)力分布優(yōu)化，完成樣機(jī)的三維模型建立；其次，利用多體單元組合法創(chuàng)建了履帶底盤(pán)動(dòng)力學(xué)模型，完成了路面模型接觸參數(shù)虛擬標(biāo)定；最后，針對(duì)坡度路面進(jìn)行了爬坡性能仿真分析。仿真結(jié)果顯示，該履帶底盤(pán)能以6 km/h的設(shè)計(jì)車速越過(guò)25°的坡度，且其質(zhì)心速度曲線與位移曲線變化穩(wěn)定。因此，該行走底盤(pán)在最高時(shí)速狀態(tài)下仍能安全通過(guò)設(shè)計(jì)坡度，表明此動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)履帶底盤(pán)分析有參考意義，在一定程度上能降低設(shè)計(jì)成本。