油茶林撫育機(jī)履帶底盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

歐陽益斌，李立君，湯剛車，周方思

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和精準(zhǔn)扶貧的不斷深入，南方地區(qū)油茶林種植面積不斷增加，由于林地地形復(fù)雜，溝坡縱橫，機(jī)械化撫育作業(yè)難度大。目前，油茶林的撫育工作仍然采用傳統(tǒng)的人工撫育方式，人工成本高，效率低。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化撫育是提高南方油茶林經(jīng)濟(jì)效益最有利的保證[1-2]。

針對(duì)現(xiàn)有拖拉機(jī)林下通過性、山區(qū)作業(yè)穩(wěn)定性差的問題，有必要研制一款適用于林地?fù)嵊鳂I(yè)的履帶式牽引底盤。目前國內(nèi)外已開展了大量履帶式底盤的研究工作，但在農(nóng)用履帶式拖拉機(jī)領(lǐng)域一直沿用了輪式拖拉機(jī)一貫的設(shè)計(jì)布置方案[3]。近年來有機(jī)構(gòu)針對(duì)農(nóng)林用履帶底盤的設(shè)計(jì)以及性能進(jìn)行了研究與試驗(yàn)仿真[4-5]，但是目前仍然存在無法適應(yīng)果園山地地形的問題，與我國南方農(nóng)機(jī)發(fā)展的實(shí)際情況仍存在矛盾。

在油茶林作業(yè)過程中由于植株間株距行距小、分枝多，因此出于保護(hù)性耕作的目的，行走機(jī)具的設(shè)計(jì)必須要符合果園作業(yè)的要求。針對(duì)果園環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一款小型撫育機(jī)履帶底盤。為了驗(yàn)證整機(jī)尺寸及質(zhì)量配置的合理性，基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn對(duì)撫育機(jī)底盤的行動(dòng)部件進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模，并進(jìn)行了撫育機(jī)底盤跨溝過程性能仿真試驗(yàn)。最后研制出該林地?fù)嵊龣C(jī)履帶底盤樣機(jī)，并進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)地性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真模型的有效性以及底盤設(shè)計(jì)的正確性。

1 撫育機(jī)履帶底盤整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 撫育機(jī)整機(jī)參數(shù)

林地果園撫育作業(yè)機(jī)對(duì)于其作業(yè)裝置行駛平臺(tái)的穩(wěn)定性要求較高。底盤在復(fù)雜路面中行駛應(yīng)該具備良好的通過性能以及安全性能[6-7]，故而要求整機(jī)質(zhì)量較小，重心偏低，布局緊湊，且搭載功率較大的穩(wěn)定動(dòng)力來源。

注：1.配重塊；2.張緊輪；3.柴油動(dòng)力；4.支重輪；5.托輪；6.變速箱；7.驅(qū)動(dòng)輪；8.履帶；9.撫育作業(yè)頭。

圖1撫育機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of tending machine

如圖1所示，整機(jī)主要由底盤行駛部分及撫育作業(yè)頭組成。底盤行駛部分主要由柴油動(dòng)力3、變速箱6以及履帶行駛組件構(gòu)成。主要參數(shù)：整機(jī)質(zhì)量為1 650 kg；作業(yè)頭質(zhì)量為350 kg；整機(jī)尺寸為2 400 mm×1 100 mm×1 205 mm；最大行駛速度1.6 m/s；最大爬坡能力30°；最大跨溝寬度500 mm。

1.2 撫育機(jī)底盤傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

撫育機(jī)底盤動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置方式如圖2所示。為了滿足底盤行駛機(jī)動(dòng)性以及狹窄區(qū)域的通過性，在保證驅(qū)動(dòng)功率的同時(shí)，盡可能縮小整機(jī)尺寸。本課題重新設(shè)計(jì)布置了作業(yè)變速箱以及行走變速箱結(jié)構(gòu)。后置作業(yè)頭動(dòng)力輸入由作業(yè)變速箱提供，在整機(jī)作業(yè)行駛過程中可實(shí)現(xiàn)3個(gè)不同擋位動(dòng)態(tài)切換。行走變速箱具有6個(gè)前進(jìn)擋，2個(gè)倒擋，采用轉(zhuǎn)向離合器式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。齒輪變速箱總成總長(zhǎng)800 mm，動(dòng)力輸出與變速箱輸入軸之間用離合器連接，傳動(dòng)效率高。動(dòng)力總成長(zhǎng)度1 700 mm，底盤整機(jī)長(zhǎng)度控制在1 900 mm以內(nèi)，以保證撫育機(jī)在油茶林中的通過性[8]。

注：1.驅(qū)動(dòng)動(dòng)力；2.離合器；3.作業(yè)變速箱；4.行走變速箱。

圖2撫育機(jī)底盤動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

Fig.2 Chassis power transmission system of the tending machine

2 撫育機(jī)履帶底盤通過穩(wěn)定性分析

圖3所示，Gp為前置配重塊重量，Gs為底盤最小使用重量，Gn為作業(yè)機(jī)具重量。

當(dāng)撫育機(jī)整機(jī)水平放置，質(zhì)心位置固定不變時(shí)，撫育機(jī)底盤極限傾翻角以及撫育機(jī)底盤滑移角可由下式計(jì)算[11]。

撫育機(jī)底盤極限傾翻角

(1)

撫育機(jī)底盤滑移角

αφ=α′φ=arctanφ

(2)

式中,L0——履帶接地長(zhǎng)度(m)；a——撫育機(jī)質(zhì)心至驅(qū)動(dòng)輪軸心距離(m)；h——質(zhì)心離地高度(m)；Lx——履帶后接地點(diǎn)距驅(qū)動(dòng)輪軸線距離(m)；φ——底盤附著系數(shù)。

由式(1)可知，底盤縱向極限傾翻角與底盤質(zhì)心位置直接相關(guān)，而底盤質(zhì)心位置與整機(jī)尺寸以及后懸掛作業(yè)機(jī)具的質(zhì)量和前配重塊的質(zhì)量有關(guān)。利用Inventor三維軟件對(duì)撫育機(jī)整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，得出撫育機(jī)整機(jī)質(zhì)心位置，如圖4所示。根據(jù)式(1)、式(2)可得撫育機(jī)底盤極限仰角為39.05°、俯角為50.2°。查閱相關(guān)資料，油茶林地路面附著系數(shù)為0.9～1.1，則底盤縱向滑移角為45°左右。

圖3 撫育機(jī)受力圖

圖4 撫育機(jī)底盤質(zhì)心位置

3 撫育機(jī)底盤仿真試驗(yàn)分析

3.1 仿真路面模型的建立

基于RecurDyn環(huán)境建立仿真路面，其中跨溝寬度400 mm。結(jié)合山地果園實(shí)際路面情況，基于貝克理論選取粘性土接觸參數(shù)如表1所示。

表1 粘性土接觸參數(shù)

3.2 撫育機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

利用Inventor簡(jiǎn)化了履帶底盤的主體車架部件以及撫育作業(yè)頭?；赗ecurDyn動(dòng)力學(xué)仿真軟件中的履帶工具包(Track LM)對(duì)撫育機(jī)行駛部件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模[12-14]。如圖5所示，定義虛擬樣機(jī)重力方向?yàn)閆軸負(fù)方向，前行方向?yàn)閄正方向，左轉(zhuǎn)方向?yàn)閅正方向。

注：1-撫育作業(yè)頭；2-驅(qū)動(dòng)輪；3-動(dòng)力機(jī)架部件；4-支重輪；5-托帶輪；6-張緊輪；7-履帶。

圖5履帶底盤仿真模型

Fig.5 Simulation model of tracked chassis

3.3 撫育機(jī)跨溝仿真試驗(yàn)分析

在RecurDyn仿真環(huán)境中對(duì)履帶底盤進(jìn)行合理約束，并采用STEP速度函數(shù)對(duì)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪鉸鏈添加驅(qū)動(dòng)。定義兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)Motion表達(dá)式為STEP(Time，0，0，2，ω)，表示履帶底盤從2 s開始勻速行駛，ω表示履帶底盤驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。仿真試驗(yàn)以速度和底盤質(zhì)心位置為試驗(yàn)因素，底盤行駛速度分別按0.5、0.9 m/s和1.5 m/s定義。而質(zhì)心位置則按質(zhì)心距離接地段第1支重輪中心橫坐標(biāo)定義，單位為mm。分別進(jìn)行底盤在不同車速以及不同質(zhì)心位置情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真正交試驗(yàn)。仿真完成后，后處理測(cè)得撫育機(jī)底盤跨溝過程中底盤坐標(biāo)系相對(duì)于固定坐標(biāo)系俯仰角度隨時(shí)間的變化曲線。

從圖6中曲線分析可知，當(dāng)撫育機(jī)以0.5 m/s的速度跨溝時(shí)，車體俯仰角波動(dòng)幅度較大。底盤跨溝俯仰角波動(dòng)變化與底盤質(zhì)心位置關(guān)系顯著，隨著底盤質(zhì)心位置的前移，底盤跨溝前期俯角波動(dòng)變化不大，當(dāng)?shù)妆P質(zhì)心越過橫溝時(shí)，底盤質(zhì)心位置對(duì)車體仰角的影響顯著。當(dāng)質(zhì)心位置為500 mm時(shí)，最大仰角為15°。

圖7為撫育機(jī)底盤以0.9 m/s的行駛速度過溝過程的俯仰角變化曲線。通過與以0.5 m/s速度過溝時(shí)的俯仰角對(duì)比分析可知，速度對(duì)于跨溝穩(wěn)定性有明顯的改善作用。在質(zhì)心位置不同的3組試驗(yàn)中，俯仰角均在30°范圍內(nèi)。且當(dāng)質(zhì)心位置為500 mm時(shí)，最大仰角僅為7.5°。

從圖8中俯仰角變化曲線分析可知，當(dāng)撫育機(jī)底盤以高速擋行駛跨溝時(shí)，車體穩(wěn)定性大幅度提升。由于整機(jī)過溝時(shí)間短，所以從底盤前部張緊輪接觸橫溝前沿至底盤后部第1支重輪中心通過橫溝中心位置的非穩(wěn)定階段時(shí)間縮短。故底盤前部第1支重輪從懸空至接觸橫溝前沿及底盤后部第1支重輪懸空至其通過橫溝中心時(shí)的底盤俯仰角波動(dòng)大幅度縮小，同時(shí)伴隨底盤質(zhì)心位置的變化，底盤俯仰角波動(dòng)明顯縮小。

圖6 0.5 m/s時(shí)俯仰角隨時(shí)間的變化

圖7 0.9 m/s時(shí)俯仰角隨時(shí)間的變化

圖8 1.5 m/s時(shí)俯仰角隨時(shí)間的變化

從仿真正交試驗(yàn)結(jié)果分析，撫育機(jī)跨溝過程穩(wěn)定性隨著行駛速度的增加和質(zhì)心位置前移而趨于穩(wěn)定，行駛速度和質(zhì)心位置對(duì)跨溝穩(wěn)定性均有較大的影響。

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 撫育機(jī)履帶底盤樣機(jī)

結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)與仿真試驗(yàn)結(jié)果，自主設(shè)計(jì)研制了一款油茶林撫育機(jī)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證撫育機(jī)底盤在果園中的通過穩(wěn)定性，在湖南省某油茶林對(duì)撫育機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)性能測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)果園土壤含水率較低，黏性較小，撫育機(jī)底盤接地段沉陷率較低，與仿真環(huán)境中設(shè)置的地面參數(shù)接近。油茶林果園中由于排水灌溉需要，人工開挖了寬約400 mm、深約500 mm的排水溝。排水溝前后地表為長(zhǎng)滿雜草的干性土壤，地面附著系數(shù)為0.9～1.1。試驗(yàn)前期在果園中量取5段長(zhǎng)度25 m的長(zhǎng)方形區(qū)域，分別測(cè)試撫育機(jī)底盤在果園中低速擋、中速擋以及高速擋的實(shí)際行駛速度vs，確保跨溝試驗(yàn)過程中的實(shí)際車速與理論值一致?？鐪线^程中保持變速箱擋位以及油門大小不變，陀螺儀與車體機(jī)架平行安裝，檢測(cè)記錄底盤跨溝過程中相對(duì)于水平面各方向擺動(dòng)角度。

4.2 撫育機(jī)履帶底盤樣機(jī)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.2.1 試驗(yàn)性能指標(biāo) 根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中對(duì)履帶式底盤車體穩(wěn)定性的定義，將撫育機(jī)底盤俯仰角作為衡量車體穩(wěn)定性的主要性能指標(biāo)。

4.2.2 試驗(yàn)方法 由跨溝仿真試驗(yàn)可知，撫育機(jī)底盤跨溝俯仰角的波動(dòng)大小主要由底盤行駛速度vs及底盤重心位置決定，樣機(jī)試驗(yàn)中選取底盤行駛速度vs及底盤重心位置為試驗(yàn)因素，以車體的俯仰角α為試驗(yàn)指標(biāo)。

試驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示，底盤3個(gè)不同行駛檔位實(shí)際行駛速度分別為0.5、0.9、1.5 m/s，樣機(jī)最小使用質(zhì)量為1 650 kg,配重塊質(zhì)量為30 kg/塊，測(cè)得不同配重質(zhì)量下底盤質(zhì)心位置分別為420、460 mm和500 mm。采用正交試驗(yàn)的方法分析不同試驗(yàn)因素對(duì)撫育機(jī)底盤跨溝過程穩(wěn)定性的影響[15]，設(shè)計(jì)了兩因素三水平正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表2。

圖9 撫育機(jī)跨溝性能測(cè)試

4.3 撫育機(jī)履帶底盤樣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中分別測(cè)試不同的試驗(yàn)因素水平下?lián)嵊龣C(jī)底盤跨溝俯仰角峰值，每組試驗(yàn)因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，測(cè)得結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表4方差分析結(jié)果中F值可以看出，試驗(yàn)因素B相對(duì)于試驗(yàn)因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響更大，則底盤質(zhì)心位置對(duì)于底盤穩(wěn)定性而言意義更大。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

5 結(jié)論與討論

由于林地作業(yè)機(jī)具的作業(yè)環(huán)境的特殊性，其行駛平臺(tái)對(duì)于其行駛過程的穩(wěn)定性有著極高的要求，故本文對(duì)撫育機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了整機(jī)過溝穩(wěn)定性分析試驗(yàn)，通過仿真試驗(yàn)以及樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)比得出如下結(jié)論。

底盤過溝俯仰角波動(dòng)幅度隨著行駛速度的增加有一定程度的縮小。以本課題研制的撫育機(jī)底盤設(shè)計(jì)行駛速度為例，在低速至最高設(shè)計(jì)時(shí)速范圍內(nèi)，底盤過溝穩(wěn)定性逐漸提升。故該撫育機(jī)底盤傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理。

隨著整機(jī)質(zhì)量以及質(zhì)心位置不斷靠近履帶接地段中心區(qū)域，履帶底盤縱向偏心力矩減小，故而當(dāng)?shù)妆P跨溝過程中，質(zhì)心位置對(duì)于履帶過溝穩(wěn)定性的影響相對(duì)于行駛速度而言是顯著的。當(dāng)?shù)妆P低速行駛時(shí)，較好的質(zhì)心位置對(duì)于跨溝穩(wěn)定性依然有利。

對(duì)油茶林撫育機(jī)底盤的整機(jī)結(jié)構(gòu)及整機(jī)傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并開展了撫育機(jī)底盤虛擬樣機(jī)仿真試驗(yàn)及果園實(shí)地樣機(jī)性能試驗(yàn)。通過分析試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論。

搭載自主研制齒輪變速箱的撫育機(jī)底盤整機(jī)尺寸符合油茶林撫育作業(yè)要求，整機(jī)尺寸較東方紅C602S等同類履帶式拖拉機(jī)縮小40%以上，適用于林地果園等狹窄復(fù)雜路面的牽引和驅(qū)動(dòng)作業(yè)。

以底盤跨溝性能為試驗(yàn)指標(biāo)。仿真試驗(yàn)及樣機(jī)試驗(yàn)均以行駛速度和質(zhì)心位置為變量分析了撫育機(jī)底盤在跨溝過程中的車體穩(wěn)定性。通過對(duì)比分析，仿真試驗(yàn)結(jié)果與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真模型的可行性。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出了試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。當(dāng)撫育機(jī)底盤質(zhì)心位置為500 mm且以0.9 m/s以上速度行駛時(shí)，過溝穩(wěn)定性綜合較優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉洋，曲振興，湯晶宇，等.油茶機(jī)械化作業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2015,(10):6-8.

[2] 趙琨.農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展對(duì)中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的影響研究[D].密山:黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),2014.

[3] 蔡崗礎(chǔ).油茶果采摘機(jī)三角橡膠履帶輪底盤的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析[D].長(zhǎng)沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2014.

[4] 李耀明,陳勁松,梁振偉,等.履帶式聯(lián)合收獲機(jī)差逆轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016(7):127-134.

[5] 遲媛,蔣恩臣.履帶車輛差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008(7):14-17.

[6] 沈嶸楓，劉晉浩，陳瑞.履帶式采伐機(jī)履帶通過性[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,24(5)：157-160.

[7] 朱余清,洪添勝,吳偉斌,等.山地果園自走式履帶運(yùn)輸車抗側(cè)翻設(shè)計(jì)與仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,(Supp.1):19-23.

[8] 高自成，李立君，劉銀輝.油茶果采摘機(jī)采摘機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,27(2)：266-268.

[9] 葛曉雯,侯捷建,王立海.集材機(jī)可更換三角形履帶跨越壕溝動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,1(1):111-117.

[10] HOF W，HACKBARTH E M．履帶車輛行駛力學(xué)[M]．北京: 國防工業(yè)出版社，1989：249-253．

[11] 陳志.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：1-6．

[12] 劉義,徐愷,李濟(jì)順,等.RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013．

[13] 陳媛媛.履帶車輛行動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析[D].沈陽:沈陽理工大學(xué),2012.

[14] 候捷建.集材機(jī)可更換三角形履帶主參數(shù)優(yōu)選及動(dòng)力學(xué)仿真分析[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2015.

[15] 李立君，胡文宇，高自成，等.曲柄搖桿振動(dòng)破殼油茶果粗選機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(7)：28-35.