聯合收割機液壓仿形行走系統設計方案與分析

姚呈祥 袁建寧 潘金坤

摘要：針對當前各種聯合收割機行走系統的技術特點和優缺點，提出一種新型橡膠履帶聯合收割機液壓仿形行走系統設計方案，該方案通過液壓缸和平衡肘對支重輪的作用，可以良好地解決橡膠履帶使用壽命以及操作舒適性問題。通過對行走系關鍵零部件的分析，得出了設計方案的具體結構參數，并基于多體動力學分析仿真得出聯合收割機在實際越障時加速度變化曲線，驗證了設計方案的合理性與可行性，為接下來的研究打下基礎。

關鍵詞：聯合收割機;行走系統;仿形底盤;多體動力學分析

中圖分類號： S225.31? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0243-05

我國農業機械化水平仍處于發展階段，就聯合收割機而言，雖然在市場上總有不同的新型號出現，但是行走底盤等方面的設計始終沒有較大的進展。隨著制造水平的不斷提高，發展新型聯合收割機的時機愈加成熟。由于農田環境復雜，運行時車身會產生俯仰運動，傳統聯合收割機采用剛性行走方式，不但對農田、機器本身造成一定的損傷，而且操作舒適性也大打折扣。因此，如果能設計出一種新型的聯合收割機行走底盤，使其能在復雜地形中行走地更加平穩，就能進一步提高機器的作業質量、生產效率、可靠性與操作舒適性。

本研究將綜合分析當前已有的多種行走系的優缺點，并針對現有聯合收割機行走系的不足，提出一種基于橡膠履帶聯合收割機的液壓式仿形行走系統，同時通過相關關鍵部件參數的計算，得出最終設計方案，最后利用仿真軟件對設計方案進行可行性驗證。

1 行走系方案的比較

1.1 剛性行走系

如圖1所示，市場上普遍使用的剛性行走系的底盤每側有多個支重輪，且固定連接在內側的一根機架鋼管上，支重輪無法相對浮動，這使該行走系沒有仿形運動的能力。當行走底盤在崎嶇不平的農田上作業時，固定支重輪將直接與路障發生碰撞，輪與路障沖撞瞬間產生的力遠大于其他力對車身的影響[1]，因此剛性行走系的這些特點不但對機器使用壽命和可靠性有不利影響，而且將降低聯合收割機的作業質量以及操作舒適性。

1.2 雙輪鉸鏈擺動式行走系

如圖2所示，雙輪鉸鏈擺動式行走系將相鄰2支重輪通過擺動架連接在二者間的鉸鏈軸上，形成多組仿形單元。在機器遇到地面溝、坎障礙時，最先到達障礙物的支重輪（以下簡稱前輪）繞鉸鏈軸抬起（下落），同組的后輪相應下沉（升起），前輪通過后回落（回升）而后輪繞鉸鏈軸抬起（下落），或前輪尚未完全通過而后輪開始接觸坎（溝）障礙物并抬起（下落）。但由于同組仿形輪均繞鉸鏈軸擺動，客觀上造成橡膠履帶不斷地反向拉伸或壓縮變形，內部剪切應力頻繁變化并重新分布，極易使履帶在使用早期失效甚至折斷，縮短了履帶的使用壽命，增大了使用成本。

1.3 單輪垂直升降式行走系

如圖3所示，該設計方案通過浮動支重輪在垂直路面上下移動，實現了對不平地面的仿形運動。當機器遇到坎、溝障礙時，因單輪垂直升降式行走系中每個浮動支重輪之間的浮動相對獨立，故支重輪間不存在相互影響，這樣不但大大提升了仿形行走的能力，而且一定程度上減少了履帶的變形和折彎磨損，延長了橡膠履帶的使用壽命。

然而，該方案設計的浮動支重輪行程有限，導致行走底盤仿形效果不佳，若加大浮動行程會使行走系結構不緊湊、所占空間過大;若加大整機的體積和質量，則會降低車身的穩定性、機動性。其次，該方案的浮動支重輪在遇到障礙物時，會在垂直升降導桿上產生側向力和摩擦力，使導桿產生彎矩并增加磨損，影響使用的可靠性。

2 單輪擺動式行走系結構設計與工作原理

針對上述行走系存在的經濟性、使用壽命等問題，本研究提出一種基于液壓系統的單輪擺動式行走系統。如圖4所示，將前后支重輪固定于機架鋼板上，可以避免聯合收割機在作業過程中接近角和離去角時發生變化的復雜情況。驅動裝置帶動橡膠履帶運動，當機器翻越障礙時，前固定支重輪將首先越過路障，當浮動支重輪與路障發生沖撞時，在平衡軸和液壓缸的共同作用下，支重輪會發生相對浮動，從而緩和直接沖撞對車身的影響。同時，相鄰2個浮動輪之間有防脫軌裝置，可避免當橡膠履帶受力不平衡時，從行走系上發生的脫落。

3 行走系統關鍵部件的參數計算

3.1 聯合收割機技術要求

針對聯合收割機的實際工況，其行走系統技術要求如表1所示。

3.2 履帶

假設一側底盤接地面積為A，則易有接地壓力與觸地面積的關系為

2A≥G/P;

A=L0b。

式中：L0為底盤的觸地長度，mm;b為履帶的寬度，mm。

根據經驗公式b/L0=0.3[2]，可以初步假設 L0=1 390 mm，代入式（1）、式（2）中計算，得到當G小于3 000 kg時，符合要求。

所需橡膠履帶長度的計算公式如下：

式中：z為驅動輪的齒數，取z為8;p0為履帶的節距;Δ為履帶的銷長;p0、Δ兩者的值均可以查詢制造商手冊得出。

由式（3）計算得出履帶長度L取值為3 225～3 240 mm，實際長度可以結合不同地形所采用的不同接近角、離去角進行變動。同時取兩側履帶的軌距為1 350 mm。

綜上所述，通過相關計算得出最終履帶參數如表2所示。

3.3 驅動輪

驅動輪既可以裝配在履帶車輛的前部，也可以裝配在履帶車輛的后部[2-4]。驅動輪置后，不但能減少帶動的履帶，而且可以縮小履帶受力較大部分的長度，降低摩擦帶來的損耗，提高履帶的使用壽命。考慮到液壓系統、變速箱及相關連接所需管材等因素，最終將發動機布置在駕駛室的后部，駕駛室在整機的右前方，為便于變速操控，將驅動輪安裝在前部。

驅動輪尺寸參數與所需變速箱輸出力矩成反比，因此應盡可能減小整體尺寸。但過小的整體尺寸會使包裹其上的履帶曲率半徑過小，使其所受應力與行進間磨損增加，將降低橡膠履帶的使用時長。此外，為使驅動輪能更好地與履帶嚙合，應使輪齒數與履帶芯金數互質。