履帶式自走包膜機底盤的研究

吳昊

摘 要：針對目前我國青貯飼料產(chǎn)業(yè)使用的青貯飼料包膜設(shè)備，設(shè)計一種適合小地塊作業(yè)，且結(jié)構(gòu)緊湊的通用型履帶自走底盤。主要通過三維軟件SolidWorks對自走底盤的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并且對關(guān)鍵部分進行設(shè)計及三維建模。實現(xiàn)青貯飼料包膜工作的高效率化、高自動化、高靈活性等。

關(guān)鍵詞：履帶自走底盤；包膜機；SolidWorks

中圖分類號：S2202 文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.008

0 引言

近年來隨著我國農(nóng)業(yè)政策的改革，確定了以調(diào)節(jié)糧食結(jié)構(gòu)，種養(yǎng)結(jié)合，大力發(fā)展畜牧業(yè)的方針政策，而畜牧業(yè)是衡量一個國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。畜牧業(yè)不僅對促進種植業(yè)有著重要作用，還能促進農(nóng)業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化以及對農(nóng)業(yè)廢料的正常循環(huán)有著天然優(yōu)勢。所以在國家的大力推動下，飼料業(yè)也在飛速發(fā)展，而青貯飼料是作為一種主要用于喂養(yǎng)反芻動物的優(yōu)質(zhì)飼料，它主要是由含水量大的植物和其他飼料，經(jīng)過嚴格的密封，通過厭氧乳酸菌進行發(fā)酵而形成的。有著比新鮮飼料耐儲藏，且營養(yǎng)成分強于干飼料等優(yōu)點。所以，目前在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。

對于青貯飼料的制作，目前主要形式可分為兩種方式。第一種，窖貯。用紅磚壘墻并抹上水泥制作U型圍墻，并且地面需要水泥強化，然后將青貯原料堆放壓實后，再用較厚的黑色塑料膜封嚴，一般用舊輪胎進行平鋪壓蓋，四周挖出排水溝排水。這種方式簡單易學(xué)，但需要大量場地，并且一旦覆蓋塑料膜破損，會使青貯飼料全都腐爛造成損失，并且每次開窖取料也會造成損失。另外一種是包膜貯藏。主要是通過機械設(shè)備把青貯飼料進行打捆，一般是打成1 m×1 m左右的圓捆，再對圓捆進行包裹塑料膜的處理。這樣的圓柱形青貯包具有節(jié)省空間、貯藏地點靈活、營養(yǎng)豐富、利于貯存、操作簡便等優(yōu)點。目前，青貯飼料包膜機以拖拉機為動力來源的懸掛式為主，這種設(shè)備對于小型地塊、小產(chǎn)量等經(jīng)濟型農(nóng)場并不適用，因此，設(shè)計一種適合小地塊作業(yè)，且結(jié)構(gòu)緊湊的通用型履帶自走底盤，一方面可以滿足青貯飼料包膜的需求，另一方面也可以自行行走，不用再連接拖拉機進行驅(qū)動，這樣大大提高了經(jīng)濟性。

1 履帶式自走包膜機底盤的總體設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

履帶式自走包膜機底盤的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該底盤主要可以分為行走驅(qū)動系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、操作系統(tǒng)，以及車架輔件系統(tǒng)四部分組成。其中，行走驅(qū)動系統(tǒng)主要包括履帶、驅(qū)動輪、張緊輪、承重輪等部分組成，主要作用是連接承載包膜部分，為包膜部件提供穩(wěn)定的工作平臺，并且負責(zé)主要行駛運動的功能。動力傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、機械橋、HST（靜液壓傳動裝置）等部分組成，負責(zé)把發(fā)動機的動力輸送到每個部分，是整個設(shè)備的動力源泉。而操作系統(tǒng)，則是由鑰匙門、換擋桿、方向桿、行駛手柄等部分組成，主要作用是操控自走底盤，使設(shè)備能夠順利的進行前進、轉(zhuǎn)彎、換速等操作，保證設(shè)備可以靈活適用各種工況。最后的車架輔件系統(tǒng)則是由車架、前擋風(fēng)、液壓油箱等部件組成，主要是為行駛作業(yè)和包膜作業(yè)提供輔助功能，確保設(shè)備在作業(yè)狀態(tài)或行駛狀態(tài)時的穩(wěn)定。

1.2 工作原理

履帶式自走包膜機底盤在工作時，動力部分主要是從柴油機獲得動力，并在此處分成兩部分分別輸出，一部分直連一個液壓齒輪泵，主要通過液壓系統(tǒng)為連接的包膜機構(gòu)工作部分提供動力；另一部分則通過皮帶與HST連接，同時HST與機械變速橋箱直連，HST可實現(xiàn)整機在一定范圍內(nèi)無級變速及負載換擋，最后通過變速橋箱分別傳遞給履帶左右兩個驅(qū)動輪，使得驅(qū)動履帶運動，從而底盤得以完成正常的行駛工作。

操控部分主要可分為控制行駛、控制轉(zhuǎn)彎、改變車速三個方面，其中控制行駛是通過行駛手柄來控制HST，這樣會使設(shè)備可以通過無級變速來完成前進、停止、后退的行駛動作?？刂妻D(zhuǎn)彎是通過操作左右方向桿，來實現(xiàn)控制機械橋上左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動和停止，通過控制兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，使得兩個履帶出現(xiàn)速度差，從而實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向，這種方式可以使得轉(zhuǎn)向平穩(wěn)且易于操作。改變車速則是通過轉(zhuǎn)換換擋桿擋位的方式，實現(xiàn)設(shè)備在包膜時低速調(diào)位與行駛時需要高速的工作模式，換擋桿主要是連接到機械橋上，通過機械橋中的差速裝置改變轉(zhuǎn)速。

1.3 技術(shù)參數(shù)

平均接地壓：13～16 kPa；

發(fā)動機：10.29～13.23 kW（14～18 ps）；

底盤承重：2～3 t；

行走速度：0～5 km/h。

2 履帶式自走包膜機底盤的主要部件設(shè)計

2.1 動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

動力傳動系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)為靜液壓—機械驅(qū)動，它是一種將靜液壓技術(shù)與機械式驅(qū)動橋相結(jié)合的履帶動力底盤驅(qū)動方式。傳動系統(tǒng)的工作原理如圖2，發(fā)動機設(shè)在機架上，發(fā)動機的傳動軸與大皮帶輪聯(lián)接，小皮帶輪通過皮帶與大皮帶輪聯(lián)接，小皮帶輪通過傳動花鍵軸連接到靜液壓變速器（HST）及變速橋與驅(qū)動相聯(lián)接，驅(qū)動輪帶動機架行走。

由于一般作業(yè)工況為室外農(nóng)田作業(yè)，環(huán)境復(fù)雜且外界負荷容易波動，因此自走底盤需要實時的改變合適的轉(zhuǎn)速和扭矩，以保證良好的動力性和工作性。傳統(tǒng)機械變速結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，所以本機則采用了靜液壓傳動方式如圖3所示，該傳動方式有傳動連續(xù)、動力平穩(wěn)、調(diào)速范圍大、操縱簡單等優(yōu)點。

2.1.2 發(fā)動機選型設(shè)計

發(fā)動機工作時，動力輸出軸把動力傳遞給與其連接的皮帶離合器，再通過HST傳遞給機械橋，通過左右驅(qū)動輪與履帶齒槽相嚙合帶動履帶運動。履帶相對于農(nóng)田土壤有一定的運動趨勢，這時會受到農(nóng)田土壤給履帶的反作用力，當(dāng)該作用力可以克服行駛阻力時，履帶就會聯(lián)動整機在地面上正常行駛。行駛阻力通常由兩部分組成：外部行進阻力和內(nèi)部摩擦阻力。

（1）外部行進阻力F1，即土壤受到履帶擠壓而產(chǎn)生的變形阻力。因外部行進阻力F1與履帶底盤總重G1和外部變形阻力系數(shù)f1有關(guān)，根據(jù)工況查表可知，f1為0.1。

（2）內(nèi)部摩擦阻力F2，大體可分為驅(qū)動輪和履帶的嚙合摩擦力，以及承重輪、張緊導(dǎo)向輪和過渡輪與履帶之間的滾動摩擦力等。根據(jù)經(jīng)驗公式，可知內(nèi)摩擦系數(shù)f2一般可取 0.05～0.07。因為本機采用少支點，輕載荷的設(shè)計結(jié)構(gòu)，故內(nèi)部摩擦力相對較少，取f2=0.06。

通過計算可選發(fā)動機的功率為13 kW，為了兼顧效率、性價比、使用壽命、工作環(huán)境等因素，一般農(nóng)用機械發(fā)動機均為柴油發(fā)動機。

2.2 操作系統(tǒng)的設(shè)計

操作系統(tǒng)是由左右轉(zhuǎn)向機構(gòu)、副變速機構(gòu)、行駛離合制動機構(gòu)、行駛無級變速、油門機構(gòu)等組成。

制動和轉(zhuǎn)向是履帶式自走包膜機平穩(wěn)安全行使的保證，該機采用左右拉桿控制機械橋上的左右驅(qū)動輪制動扳手。轉(zhuǎn)向時將左右轉(zhuǎn)向桿分別向后拉，帶動左右橫軸旋轉(zhuǎn)，從而使連桿運動，帶動左右驅(qū)動輪制動扳手的運動，使得一方驅(qū)動輪停止工作，另一個處于工作狀態(tài)從而帶動履帶式自走包膜機實行轉(zhuǎn)向動作。當(dāng)然如果同時拉動雙桿向后運動，使兩側(cè)驅(qū)動輪停止轉(zhuǎn)動，履帶式自走包膜機停止行走或轉(zhuǎn)向。

左右轉(zhuǎn)向機構(gòu)由左轉(zhuǎn)向拉桿、右轉(zhuǎn)向拉桿、左側(cè)橫軸、右側(cè)橫軸、左側(cè)連桿、右側(cè)連桿、左驅(qū)動輪制動扳手、右驅(qū)動輪制動扳手等部件組成，如圖4所示。

2.3 行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

行走驅(qū)動系統(tǒng)是運動行駛的執(zhí)行部分，履帶底盤是履帶式自走包膜機的行走部件，它對整個履帶式自走包膜機起著支撐作用。履帶采用橡膠材質(zhì)，這樣可以使包膜機牽引力更大，接地比壓更小，較適合重負荷作業(yè)。同時橡膠履帶對田間土壤的壓實和土層的損壞程度較輕，應(yīng)用廣泛，尤其特別適合在小地塊中的低、濕地作業(yè)，綜合利用程度較高。 橡膠履帶的布局結(jié)構(gòu)采用戰(zhàn)車型，前后具有離地角，重視行駛性的類型，對爬坡過埂有著特別的優(yōu)勢，這對于農(nóng)田土地不平整有著很強的適應(yīng)能力。

履帶行走驅(qū)動機構(gòu)主要由驅(qū)動裝置、行走裝置、張緊裝置及支承架等組成。其中驅(qū)動裝置主要包括機械橋箱和驅(qū)動輪；行走裝置采用四輪一帶結(jié)構(gòu)，包括：驅(qū)動輪、承重輪、張緊導(dǎo)向輪、過渡輪、履帶以及相關(guān)配件等；為了使履帶接地壓力分布更加均勻，采用兩個支重輪與導(dǎo)軌配套成組設(shè)計；為了調(diào)節(jié)履帶的張緊度，還需設(shè)置張緊裝置，履帶行走裝置結(jié)構(gòu)見圖5所示。

橡膠履帶要保持適當(dāng)?shù)乃删o度，如過松容易跳齒掉帶，過緊影響使用壽命。合適的張緊度為用手下壓20～30 kg力能使履帶下垂15～20 mm為宜。

2.4 車架輔件系統(tǒng)的設(shè)計

本文設(shè)計的履帶式自走包膜機底盤由于行駛速度較低（≤8 km/h ），考慮到底盤行駛過程中抗緩沖能力要求較低，所以采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，車架與底盤組成一體式車身，如圖6所示。履帶式自走包膜機底盤左右兩端的固定槽鋼上安裝所有的承重輪、張緊導(dǎo)向輪、導(dǎo)軌和張緊裝置等。履帶上方為預(yù)留包膜設(shè)備放置區(qū)域，機架后方放置各種功能裝置，包括：發(fā)動機及其附屬件、散熱水箱、電瓶組、油箱、液壓油箱、傳動裝置、座位和包膜控制部分等等。機架是履帶式自走包膜機的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計充分需要考慮到每個零部件的安裝、定位和調(diào)節(jié)，參數(shù)的確定貫穿于整個履帶機的設(shè)計過程。

3 結(jié)論

本文主要是從履帶式自走包膜機底盤的四個系統(tǒng)入手，通過使用SolidWorks三維軟件對整機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及重要部分的建模分析。一方面確定了履帶式自走包膜機底盤的工作原理以及整體結(jié)構(gòu)，另一方面也完成了對關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)布置及校核干涉等情況。對履帶式自走包膜機底盤的研究，其主要的目的是給青貯飼料圓捆包膜機提供一個自走平臺，解放大型動力農(nóng)機的使用，使得裝載、包膜、搬運三個功能合一，為小地塊農(nóng)田作業(yè)提供了先進的解決方案，以及進一步提高了青貯飼料圓捆包膜效率。

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