熊永森 斯劍勇 謝小兵 丁肇 王金雙 張靈華

摘要：針對(duì)農(nóng)用履帶拖拉機(jī)行走裝置在濕軟土壤易下陷、行走阻力較大等的問題，結(jié)合現(xiàn)有農(nóng)用履帶行走裝置結(jié)構(gòu)，以實(shí)際工作環(huán)境為對(duì)象，采用底盤高度二個(gè)極限位置阻力與接地比壓計(jì)算分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的手段，對(duì)履帶式行走裝置關(guān)鍵機(jī)構(gòu)改進(jìn)，得出底盤離地高度及履帶傾斜角度等姿態(tài)與液壓拉桿伸出位移之間的關(guān)系模型，分析不同接地比壓條件下的履帶前進(jìn)阻力。由田間試驗(yàn)與混凝土場(chǎng)地試驗(yàn)可知，田間作業(yè)底盤高且履帶接地長度為1 450mm，接地比壓低，減少機(jī)子下陷量；混凝土場(chǎng)地或硬路面移動(dòng)行駛底盤低，履帶接地長度最短900mm，履帶接地面積小，轉(zhuǎn)彎阻力減少64.1%。能夠更好地滿足及適應(yīng)農(nóng)用履帶拖拉機(jī)的實(shí)際工作需要。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用履帶；行走裝置；接地比壓；離地高度；行走阻力

中圖分類號(hào)：S232

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2023） 12008705

Development of agricultural crawler walking device

Xiong Yongsen1， 2， Si Jianyong3， Xie Xiaobing4， Ding Zhao1， 2， Wang Jinshuang1， 2， Zhang Linghua2

（1. Key Laboratory of Crop Harvesting Equipment Technology of Zhejiang Province， Jinhua， 321017， China；

2. Jinhua Polytechnic， Jinhua， 321017， China; 3. JinhuaWuchengJiufengVocational School， Jinhua， 321075， China；

4. Zhejiang Wanliyang Co.， Ltd.， Jinhua， 321025， China）

Abstract：

Aiming at the problems such as easy subsidence and large walking resistance of agricultural crawler tractor walking device in wet and soft soil， combining with the existing structure of agricultural crawler walking device and taking the actual working environment as the object， the key mechanism of crawler walking device is improved by means of calculation， analysis and experimental verification of two limit position resistance and ground specific pressure of chassis height. The relationship model between the stance of chassis and track tilt Angle and the extension displacement of hydraulic tie rod is obtained， and the forward resistance of track under different ground pressure conditions is analyzed. Field test and concrete field test show that the field operation chassis is high and the track grounding length is 1450mm， the grounding ratio is low， and the machine subsidence is reduced. The concrete field or hard road surface has a low driving chassis， the shortest track grounding length is 900mm， the track grounding area is small， and the turning resistance is reduced by 64.1%. It can better meet and adapt to the actual work needs of agricultural crawler tractors.

Keywords：

agricultural crawler; walking device; ground specific pressure; height from the ground; running resistance

0 引言

履帶式行走裝置具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小及跨溝越埂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［12］，多數(shù)用于復(fù)雜地形行走及作業(yè)。其廣泛用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等野外及丘陵地形作業(yè)，履帶與地面接觸面積是固定的，即不同土壤不同路面履帶與地面的接觸面積是一樣的，田間作業(yè)及路面行走適應(yīng)性不足，針對(duì)該問題，提出設(shè)計(jì)一種適合不同土壤不同路面狀況作業(yè)與行駛可變接地比壓的履帶行走機(jī)構(gòu)，減輕下陷、提高越坎爬坡時(shí)加大接近角，降低接地壓力以提高抗沉陷能力，防水田作業(yè)“泥塘化”傾向，降低作業(yè)阻力，減少油耗，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。國內(nèi)外目前針對(duì)履帶式車輛底盤方面的研究主要集中在升降及調(diào)平裝置的開發(fā)。荊博［3］提出一種聯(lián)合收獲機(jī)的多點(diǎn)升降履帶底盤裝置，可通過控制液壓缸伸出的不同位移改變底盤與行走系之間的高度來調(diào)節(jié)底盤的橫向及縱向姿態(tài)，有效提高了履帶式聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)于深泥腳水田的適應(yīng)性。金誠謙等［4］設(shè)計(jì)了一種履帶式聯(lián)合收獲機(jī)的全向調(diào)平底盤，該底盤由升降機(jī)構(gòu)和電液控制系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)底盤傾斜時(shí)的自動(dòng)與手動(dòng)調(diào)平。劉恒培等［5］通過增加液壓差高機(jī)構(gòu)對(duì)履帶拖拉機(jī)的行走系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并建立了整機(jī)質(zhì)心位置隨差高機(jī)構(gòu)變化的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)例分析出微型拖拉機(jī)的橫向穩(wěn)定性增加，縱向穩(wěn)定性降低。

本文在現(xiàn)有農(nóng)用履帶拖拉機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種可變接地比壓及底盤高度的履帶行走裝置，并應(yīng)用于履帶拖拉機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，為減少南方水田作業(yè)“泥塘化”傾向及提高履帶拖拉機(jī)濕爛田間的作業(yè)性能提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

變接地比壓履帶機(jī)構(gòu)由一套履帶機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

雙向液壓缸伸出，后上擺臂、下擺臂捎著后下擺臂軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，后上擺臂帶動(dòng)提升拉桿，使前上擺臂、下擺臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，是機(jī)架上機(jī)架升高并后移，后壓擺臂也隨著下擺臂順時(shí)針擺動(dòng)，帶動(dòng)后張緊輪，后支重輪、拖輪轉(zhuǎn)動(dòng)下壓，使履帶上翹角度減小，直至壓平狀態(tài)。同時(shí)后下轉(zhuǎn)動(dòng)臂也隨著下擺臂順時(shí)針擺動(dòng)，使前壓推拉桿帶動(dòng)前上轉(zhuǎn)動(dòng)臂一段與前壓推拉桿連接。在硬路面時(shí)可操縱雙向油缸收縮，使機(jī)架降低，并使前壓擺臂、后壓擺臂同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)上揚(yáng)，相應(yīng)的履帶接地長度和面積減少，履帶行走阻力功耗降低，同時(shí)機(jī)架的降低使整機(jī)重心降低，從而增加整機(jī)的穩(wěn)定性。在坑洼深泥腳軟地面時(shí)可操縱雙向油缸伸長，使機(jī)架升高，并使前壓擺臂、后壓擺臂同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)下壓，相應(yīng)的履帶接地長度和面積增大，履帶接地比壓降低，防止整機(jī)沉陷，同時(shí)機(jī)架升高造成整機(jī)底盤升高，提高了收割機(jī)田間通過性。

2 履帶底盤離地高度

結(jié)合液壓機(jī)構(gòu)伸出與收縮，確定機(jī)架下落狀態(tài)與上升狀態(tài)二個(gè)極限位置如圖2、圖3所示。

該機(jī)構(gòu)是繞后下擺臂軸心點(diǎn)O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，可以測(cè)得L1和L2的長度以及角度α，因此根據(jù)式（1）可得L3=429.5mm。

式中：

L1——后上擺臂，長度為220mm；

L2——后下擺臂，長度為240mm；

L3——雙向油缸與后上擺臂的連接軸與后下擺臂軸的連線長度；

α——后上擺臂與后下擺臂夾角的角度。

設(shè)液壓機(jī)構(gòu)伸出量為X，可按式（2）計(jì)算L3繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度γ。

則機(jī)架上升距離

設(shè)原機(jī)架離地高度為h2（535.7mm），則調(diào)整后機(jī)架總高度H=h1+h2=535.67+X2/859。

在機(jī)架調(diào)整到最低狀態(tài)時(shí)，重心處于最低位置，可以使作業(yè)機(jī)在較高的工作速度時(shí)行駛更穩(wěn)定，重心對(duì)于行駛起促進(jìn)作用；而在田間作業(yè)或崎嶇的山路行走，提高重心位置（提高底盤高度），提高通過性及越野性。

3 變接地比壓底盤行駛阻力

機(jī)器行走時(shí)需要不斷克服阻力做功，在接地比壓不相同時(shí)，土壤的阻力跟油耗等都會(huì)發(fā)生一定的變化［69］。機(jī)器行走時(shí)需要克服土壤對(duì)履帶運(yùn)行阻力Wi；不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性阻力Wg；坡道阻力Wp；風(fēng)阻力Wf；轉(zhuǎn)彎阻力Wu；行走內(nèi)阻力Wn等。假設(shè)機(jī)器行走穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也無坡道，行走內(nèi)阻力忽略，則需克服總的行走阻力Wz可簡化為

Wz=Wi+Wf+Wu（4）

以下根據(jù)浙江4LZ-1.0全喂入聯(lián)合收割機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

土壤對(duì)履帶運(yùn)行阻力Wi是由于支承輪沿履帶滾動(dòng)，履帶使土壤受擠壓和變形而引起的，則在平路上行走時(shí)

Wi=ωiG=840 kN（5）

式中：

G——收割機(jī)整體質(zhì)量，取1 200kg；

ωi——運(yùn)行比阻力系數(shù)。

Wf=qfF=0.977kN（6）

式中：

qf——工作狀態(tài)的風(fēng)壓，取264N/m2；

F——收割機(jī)的迎風(fēng)面積，取3.7m2。

為了簡化計(jì)算，假設(shè)沿履帶下分支整個(gè)長度方向上的壓力是均勻分布的，在轉(zhuǎn)彎過程中，作用在回轉(zhuǎn)點(diǎn)前和回轉(zhuǎn)點(diǎn)后的摩擦阻力大小相等，方向相反，在這種情況下，回轉(zhuǎn)點(diǎn)即履帶支撐面的中心。假設(shè)摩擦阻力和垂直載荷成正比，則履帶下支承面單位長度的摩擦阻力為μqpb，因此，在一條履帶上的回轉(zhuǎn)點(diǎn)一側(cè)的摩擦阻力

式中：

μ——轉(zhuǎn)彎時(shí)，單邊履帶完全制動(dòng)情況垂直載荷和摩擦阻力的比例系數(shù)；

qp——作用在履帶支撐面上單位長度的垂直載荷；

b——履帶的寬度；

L——履帶的接地長度；

S——履帶支撐面的回轉(zhuǎn)點(diǎn)相對(duì)于支撐面中心位移的距離。

而回轉(zhuǎn)點(diǎn)另一側(cè)的摩擦阻力

回轉(zhuǎn)阻力矩

在轉(zhuǎn)彎過程中，兩條履帶克服摩擦阻力所需的功為Mmα，運(yùn)行距離為rα，把摩擦阻力矩?fù)Q算為相當(dāng)?shù)闹本€運(yùn)行阻力

式中：

r——為履帶轉(zhuǎn)彎半徑。

當(dāng)機(jī)架下落時(shí)，履帶與地面接觸的長度L為900mm；當(dāng)機(jī)架上升時(shí)，履帶與地面接觸的長度L′=1450mm，分別代入得下落時(shí)Wu=3.9kN，上升時(shí)Wu=6.4kN。從以上計(jì)算分析可知，轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過履帶接地長度由1450mm減少到900mm，同時(shí)底盤的高度下降，重心下降，轉(zhuǎn)彎阻力減少了64.1%，大幅度減少了轉(zhuǎn)彎阻力。

4 可變接地比壓計(jì)算

4.1 油缸液壓伸出量與支重輪位置關(guān)系

如圖3所示，在O點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，在兩支重輪與履帶連接處設(shè)點(diǎn)p1和p2在液壓桿與后上擺臂連接處設(shè)點(diǎn)p2。已知點(diǎn)p1的坐標(biāo)為（-135，-210），設(shè)p2坐標(biāo)為（x1，y1），液壓伸出量X與x1y1變化之間的關(guān)系如式（11）所示。

4.2 可變接地比壓計(jì)算

履帶接地比壓是指單位接觸地面面積履帶所承受的垂直載荷，是履帶式農(nóng)用機(jī)械的一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，直接決定了農(nóng)機(jī)的作業(yè)能力、通過性和工作的穩(wěn)定性［1014］。

對(duì)于具有兩條履帶的農(nóng)業(yè)機(jī)械來說，當(dāng)工作重力與垂直外載荷所構(gòu)成的合力在水平地面上的投影同履帶接地區(qū)段的幾何中心相重合時(shí)，履帶接地比壓便呈均勻分布狀態(tài)，表達(dá)式如式（12）所示。

式中：

n——履帶的數(shù)量。

因此，機(jī)架下降時(shí)，履帶的平均接地比壓為23.8kPa；機(jī)架上升時(shí)，履帶的平均接地比壓為14.8kPa。

如圖3所示，在O點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，在兩支重輪與履帶連接處設(shè)點(diǎn)p1和p2在液壓桿與后上擺臂連接處設(shè)點(diǎn)p2。已知點(diǎn)p1的坐標(biāo)為（-135，-210），設(shè)p2坐標(biāo)為（x1，y1），則

x12+y12=2502（13）

隨著x1與y1的變化，p1和p2之間的距離也隨之改變。由于下陷，履帶的接地面積也隨之改變，假設(shè)p1p2段的履帶接地長度為L4，由相似三角形的性質(zhì)得

則履帶的接地長度

式中：

L5——機(jī)架在抬升過程中履帶的長度；

Lm——機(jī)架抬升到極限位置履帶的長度。

把式（15）中L5值代入式（16），則履帶的可變接地比壓

綜上，從本變接地比壓履帶機(jī)構(gòu)看，履帶接地比壓是隨著支重輪與履帶連接處坐標(biāo)位置變化而變化，支重輪與履帶連接處坐標(biāo)位置又與液壓伸出量X關(guān)系呈現(xiàn)式（11）函數(shù)關(guān)系。因此，通過操作液壓缸液壓伸出量X，就可簡單實(shí)現(xiàn)履帶的接地比壓可變。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)于2022年4月20日，在永康農(nóng)戶農(nóng)田與浙江某公司混凝土場(chǎng)地上進(jìn)行，選用試驗(yàn)樣機(jī)為SF902型履帶拖拉機(jī)；試驗(yàn)對(duì)象為甬優(yōu)9號(hào)水稻，機(jī)收后留茬高度為15～25cm，莖稈含水率70.5%～75.1%。

常規(guī)履帶與變接地比壓拖拉機(jī)接地比壓在稻田與混凝土場(chǎng)地接地比壓見表1，在不考慮履帶與地面變形情況下，常規(guī)履帶拖拉機(jī)因與接地面積不變，接地比壓不變；而變接地比壓履帶拖拉機(jī)因履帶接地面積發(fā)生變化，可根據(jù)工作要求進(jìn)行調(diào)節(jié)接地比壓。田間與水泥土場(chǎng)地作業(yè)及移機(jī)得出其田間作業(yè)底盤高而接地比壓小，水泥土場(chǎng)地行駛底盤低履帶接地面積小，水田作業(yè)通過性防陷能力好，區(qū)塊移機(jī)速度快而行駛穩(wěn)定。

目前，對(duì)于履帶底盤地面行走阻力的研究中，有學(xué)者分析了地面行走阻力與履帶底盤驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)、土壤特性和前進(jìn)速度有關(guān)，推算出履帶底盤每個(gè)支重輪下履帶地面行走阻力的大小進(jìn)而得到整個(gè)履帶底盤的地面行駛阻力，得出履帶底盤地面行走阻力隨著支重輪負(fù)荷和土壤下陷量增加而增加［1517］。

在水泥路上行駛時(shí)，機(jī)架整體下降，履帶接地面積減少，兩端負(fù)重輪與地面不接觸，每個(gè)負(fù)重輪載荷減小，履帶車輛地面行駛阻力變小。田間作業(yè)時(shí)，履帶的接地比壓變小時(shí)，履帶與地面的接觸面積變大，土壤阻力變大；履帶的接地比壓增大時(shí)，與地面的接觸面積變小，土壤阻力減少［1820］。履帶在水泥路與在田地間行駛時(shí)，受到的阻力作用效果相反，水泥路面履帶接觸面積越小滾動(dòng)阻力越小，而在田地土壤中履帶接觸面積越小滾動(dòng)阻力越大；利用這特點(diǎn)，可有效利用比壓減少阻力。

5 結(jié)論

1） 基于現(xiàn)有履帶拖拉機(jī)底盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了由一套履帶機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)等組成的可變接地比壓及底盤高度履帶行走裝置，機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)履帶接地長度增大，履帶接地比壓降低，同時(shí)機(jī)架升高整機(jī)底盤升高，有利于田間作業(yè)。

2） 進(jìn)行了液壓伸出量與機(jī)架離地高度、接地比壓與土壤的行駛阻力關(guān)系、履帶底盤田間試驗(yàn)等方面分析得出：在機(jī)架調(diào)整到最低狀態(tài)時(shí)，重心處于最低位置且履帶接地面積小，履帶接地長度900mm，有利于水泥路或硬路基在較高的穩(wěn)定速度轉(zhuǎn)移作業(yè)行駛；而在易下陷的土壤作業(yè)或行駛時(shí)，該行走裝置履帶接地面積大（比壓小）履帶接地長度1450mm，重心高（底盤高），提高了田間作業(yè)能力、通過性及防陷能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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