山地果園履帶運輸機底盤行走機構的設計與仿真

吳偉斌，馮運琳 ，許棚搏 ，張建莉 ，洪添勝，游展輝，朱高偉

(1.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州　510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系機械研究室，廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州　510642 )

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山地果園履帶運輸機底盤行走機構的設計與仿真

吳偉斌1,2,3，馮運琳3，許棚搏3，張建莉3，洪添勝1,2,3，游展輝3，朱高偉3

(1.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系機械研究室，廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州510642 )

摘要：我國果品產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，但目前存在的農(nóng)村勞動力減少、人口老齡化和南方果園多處于山地等問題制約了其發(fā)展，因此機械化已成為山地果園經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求。為了提高運輸機械在南方山地果園的通過性和穩(wěn)定性，設計了一種靈活、輕便的山地果園履帶式運輸機底盤行走機構，使其具備爬越10cm垂直障礙、跨越20cm壕溝障礙和爬坡30°的能力。對行走機構進行結構設計，通過建模軟件Pro/E進行三維建模，并創(chuàng)建虛擬樣機模型和典型的高臺壕溝地形。通過動力學軟件ADAMS/VIEW對機構進行動力學仿真分析，結果顯示：在越障過程中，質心橫坐標位移絕對誤差在±5%，質心縱坐標位移絕對誤差在±3%。

關鍵詞：山地果園； 履帶運輸機；行走機構； 越障； 運動仿真

0引言

作為世界第一大水果生產(chǎn)國與消費國，我國果樹資源豐富，果品產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊。但目前存在的農(nóng)村勞動力減少、人口老齡化和南方果園多處于山地等問題制約了其發(fā)展，因此山地果園機械化已成為山地果園經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求[1-3]。

履帶式行走機構主要由驅動輪、導向輪、拖帶輪、履帶板和履帶架等構成，可將車輪卷繞在圓環(huán)狀的循環(huán)軌道內，使之不與地面直接接觸，通過履帶緩和不平地面造成的振動[4-7]。

關于適應多地形的行走機構的研究[8-11]，國內外已基本實現(xiàn)了爬坡、越障、避障等功能；但對于體積和質量都相對較小的行走機構而言，其爬坡越障和穿越溝壑的能力還相對有限。

為了提高運輸機械在南方山地果園的通過性及穩(wěn)定性，本文設計一種靈活、輕便的山地果園履帶運輸機底盤行走機構，并進行仿真分析[12-15]。

1總體設計

1.1　性能參數(shù)

通過設計，使行走機構具有如下特點：在平坦路面，具有較高的運動速度和較低的能耗；在松軟、沼澤、不平坦地形、陡峭斜面等自然環(huán)境下，保持較好的穿越能力；具備較靈活的轉向性能；結構緊湊，質量輕，體積小。

主要參數(shù)為：自身質量為15kg；正常速度為0.4m/s，峰值速度為0.6m/s；可爬越垂直10cm的障礙；具備爬坡30°的能力；可跨越20cm的壕溝。

1.2　傳動機構設計

傳動機構主要由兩個履帶輪系組成，如圖1所示。每個履帶輪系包括1個驅動輪、1個支撐輪、1個誘導輪和3個承載輪。通過電機控制驅動輪，帶動后輪驅動，同時通過差速器實現(xiàn)行走機構的轉向。

圖1　傳動機構圖

2機構設計及建模

2.1　驅動系統(tǒng)設計

2.1.1驅動系統(tǒng)的運動分析

將整個機構作為研究對象，在坡度為α的山地斜坡上勻速直線行駛，不考慮空氣阻力，左右驅動完全對稱。

根據(jù)要求的行駛最大速度V=0.6 m/s計算，可確定電機經(jīng)過減速后的最大輸出轉速為229.30r/min，單個電機的功率為62.55W。

2.1.2電機及減速器的選取

行走機構在山地斜坡路況對驅動電機的瞬間負載較大，電機應有較強的瞬間過載能力。因此，優(yōu)先選用83ZY125-2430永磁直流電機，參數(shù)如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)及所需要的轉速，選擇減速器減速比為1：16。經(jīng)修正的齒輪參數(shù)如表2所示。

表1　電機參數(shù)

表2　齒輪參數(shù)

2.2　結構設計

該機構主要由履帶系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成，如圖2所示。通過Pro/E建立三維模型，如圖3所示。

圖2　行走機構結構設計圖

圖3　行走機構三維圖

履帶通過內外齒結合傳動。內齒與主動輪嚙合，實現(xiàn)運動傳遞。內齒寬度較履帶稍窄，裝卡在兩側擋圈之間，同時使履帶外齒完全接觸地面。履帶的整體寬度增加，脫離軌道的概率降低，結構如圖4所示。

圖4　履帶模型圖

3仿真分析

3.1　仿真地形的建立

對行走機構進行壕溝和高臺跨越兩種地形進行仿真分析，地形建模如圖5所示。

圖5　地形模型

3.2　運動仿真分析

在ADAMS中，對模型進行約束以及接觸的設置，并添加驅動，采用step函數(shù)。

前曲柄擺臂的驅動函數(shù)設置為：step(time,0,0,0.5,1.57)+step(time,2.9,0,3.4,-3.14)+step(time,4.7,0,5.2,2.355)+step(time,7.6,0,8.1,-0.785)。

起始狀態(tài)時，后擺臂為垂直位置。前擺臂的運動過程為：在0～0.5s，電機向前旋轉90°，準備跨越；在0.5～2.9s，保持原有狀態(tài)，前輪跨越；在2.9～3.4s，電機向后旋轉，完成跨越；在3.4～4.7s，保持上次狀態(tài)，進行壕溝跨越；在4.7～5.2s，前擺135°，與水平呈45°，準備高臺跨越；在5.2～7.6s，保持上次狀態(tài)，完成曲柄臂高臺跨越；在7.6～8.1s，完成整個機構高臺跨越、復位。前擺臂驅動的跨越情況如圖6所示。

圖6　前擺臂驅動時的跨越圖

后曲柄擺臂的驅動函數(shù)設置為：step(time,0,0,2,0)+step(time,2.9,0,3.4,-1.57)+step(time,4.7,0,5.4,3.14)+step(time,7.6,0,8.1,-1.57)。

起始狀態(tài)時，后擺臂為垂直位置。前擺臂的運動過程為：在0～2.9s，前輪無運動，保持起始狀態(tài)；在2.9～3.4s，準備壕溝跨越；在3.4～4.7s，保持上次狀態(tài)，完成壕溝跨越；在4.7～5.4s，準備高臺越障；在5.4～7.6s，保持上次狀態(tài)，完成高臺越障；在7.6～8.1s，恢復初始狀態(tài)。后擺臂驅動時的跨越情況如圖7所示。

圖7　后擺臂驅動時的跨越圖

3.3　結果分析

質心水平及豎直方向的位移和驅動輪的力矩測量輸出結果如圖8～圖10所示。

圖8　質心橫坐標位移圖

圖9　質心縱坐標位移圖

圖10　驅動力矩圖

數(shù)據(jù)分析表如表3及表4所示。其中，X、Y為仿真位置，X0、Y0為理論位置。

表3　質心橫坐標誤差分析

續(xù)表3

表4　質心縱坐標誤差分析

在2.2s，行走機構在到達壕溝對面時力矩增大。因為整個行走機構的行進速度未曾變化，所以與高臺發(fā)生碰撞接觸。在跨越壕溝之后，當接觸到高臺時，前后擺臂的力矩瞬間增大。隨著跨越過程的推進，力矩恢復波動，此時后輪與高臺接觸，瞬間力矩增大，同時完成后部跨越。

分析質心的水平和豎直位移數(shù)據(jù)，在6.6～6.8s這一時間段，整個行走機構質心幾乎靜止。在重力的作用下，以與高臺的接觸點為基點，發(fā)生位置狀態(tài)的擺動，完成跨越。在越障過程中，質心橫坐標位移絕對誤差為±5%，質心縱坐標位移絕對誤差為±3%。

4結論與展望

1)對行走機構進行結構設計，并且通過Pro/E進行建模，建立了行走機構虛擬樣機模型和高臺壕溝地形。

2)通過多剛體運動仿真軟件ADAMS，對行走機構進行壕溝和高臺跨越兩種地形進行仿真分析，結果顯示：在整個壕溝與高臺的越障過程中，質心橫坐標運動絕對誤差為±5%，質心縱坐標運動絕對誤差為±3%。

在本文研究的基礎上，還可進行如下改進：

1)該機構相應的電路設計、控制設計也需要做進一步的研究與設計。

2)采用一體化的結構設計，底盤的強度增加，但在各種實際地形下機構的通過性有待提高。因此，建議將底盤整體結構改為幾個底盤部件連接組合的結構，增加自由度，以增加對地形的適應性。

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Design and Simulation of Running Gear in Hilly Orchard Tracked Vehicle

Wu Weibin1，2，3, Feng Yunlin3, Xu Pengbo3, Zhang Jiangli3,Hong Tiansheng1，2，3, You Zhanhui3, Zhu Gaowei3

( 1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China; 2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System, Guangzhou 510642, China; 3.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：The prospect for development of fruit industry is flourishing in china, but it is restricted by some factors such as the decrease of labor, the aged tendency of population and the orchards that mainly located in south mountainous region in the meantime. Therefore, mechanization has become an urgent demand for economic development in hilly orchard. In order to improve the passing ability and stability of tracked vehicle in hilly orchard, this paper designed a running gear in hilly orchard tracked vehicle with characteristics of flexibility and portability and aimed at making this running gear with the ability to climb vertical obstacles of 10cm, cross trenches of 20cm and climb slopes of 30°. The structure was designed and the modeling software Pro/E was applied for the three-dimensional modeling. A virtual prototype model and a typical high-trench terrain was created. Model of running gear was made the simulation through ADAMS / VIEW. The results showed that, in the process of obstacle-crossing, the absolute error for the centroid of abscissa displacement was 5% and the absolute error for the centroid of ordinate displacement was 3%.

Key words：hill orchard; tracked vehicle; running gear; obstacle-crossing; motion simulation

中圖分類號：S219.032

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0112-05

作者簡介：吳偉斌(1978-)，男，廣東中山人，教授，碩士生導師，博士，中國農(nóng)業(yè)工程學會高級會員(E041200601S)，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。通訊作者：洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士生導師，博士，中國農(nóng)業(yè)工程學會高級會員(E041200036S)，(E-mail)tshong@scau.edu.cn。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203016，201403036)；惠州市產(chǎn)學研結合項目(2013B050013015)

收稿日期：2015-11-12