基于多模塊換裝的農(nóng)用履帶動力平臺設(shè)計

陳　斌，劉　奇，鄒　鑫，孫超然，肖名濤

基于多模塊換裝的農(nóng)用履帶動力平臺設(shè)計

陳斌，劉奇，鄒鑫，孫超然，肖名濤

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

易于在履帶動力平臺上上拆卸或組裝的多模塊農(nóng)機(jī)具是針對農(nóng)業(yè)機(jī)械季節(jié)性強(qiáng)，年有效作業(yè)時間短，不同類型的作業(yè)機(jī)械時間重合度低等特性而研發(fā)的。在設(shè)計這型易于在履帶動力平臺上上拆卸或組裝的多模塊農(nóng)機(jī)具過程中，設(shè)計團(tuán)隊論證了通過中間車架實現(xiàn)多模塊快速換裝的便捷性、探索了基于單動力快速接入與高效傳遞的可行性、闡明了基于輔助機(jī)構(gòu)實現(xiàn)模塊互換的可能性，最后通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，論述了不同模塊間的互聯(lián)過程。該型動力平臺通過多模塊互換技術(shù)，在單一履帶動力平臺的基礎(chǔ)上，可形成履帶式旋耕機(jī)、履帶式收割機(jī)和履帶式運(yùn)輸車等多種產(chǎn)品，實現(xiàn)大宗農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備在基于動力平臺上的條件下一機(jī)多用，對減少農(nóng)業(yè)機(jī)械的閑置浪費(fèi)，提高農(nóng)用資源的利用率意義重大。

多模塊；履帶；動力平臺；互換

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，一種農(nóng)業(yè)機(jī)械很難完成耕整地、種植、田間管理、收獲、運(yùn)輸?shù)榷鄠€作業(yè)環(huán)節(jié)，這就導(dǎo)致了即使是單一農(nóng)作物的全程機(jī)械化生產(chǎn)，也需要使用到各種不同的機(jī)械。以南方水田主要種植的水稻作物為例，在水稻大田全程機(jī)械化生產(chǎn)方面，主要有水田機(jī)械化耕整地、機(jī)插秧或機(jī)直播、機(jī)械化田間管理、機(jī)械化收獲和運(yùn)輸五個環(huán)節(jié)。這五個環(huán)節(jié)分別需要使用到五種不同的機(jī)械，即拖拉機(jī)、插秧機(jī)或直播機(jī)、植保機(jī)、收割機(jī)和運(yùn)輸車，這五種機(jī)械的功能和結(jié)構(gòu)差異巨大，但是從它們的動力平臺來說，又具有很多相似的特征[1～2]。南方水田常用的拖拉機(jī)、收割機(jī)和運(yùn)輸車的底盤通常為履帶式動力底盤，插秧機(jī)或直播機(jī)、直播機(jī)為水田輕型底盤[3～5]。插秧機(jī)或直播機(jī)、植保機(jī)的底盤基本上可以通用；耕整地、收獲和運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，其動力底盤的通用性很差，主要表現(xiàn)在在耕整地環(huán)節(jié)使用的旋耕機(jī)、鏵式犁常采用履帶拖拉機(jī)驅(qū)動或履帶式旋耕機(jī)直接驅(qū)動，收割機(jī)和運(yùn)輸車采用專用的履帶底盤驅(qū)動[6]。

由于單臺農(nóng)機(jī)設(shè)備的功能單一，一年之中實際作業(yè)時間極短，大部分時間處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致購機(jī)資金占用大、維修保養(yǎng)成本高。特別對于南方丘陵地區(qū)，由于其地形高低起伏，田塊分散，單個農(nóng)業(yè)機(jī)械所服務(wù)的農(nóng)田面積相較于北方更小，每年的實際作業(yè)時間更短，閑置時間更長[7]。這種情況不但造成了生產(chǎn)資料的嚴(yán)重浪費(fèi)，對農(nóng)業(yè)機(jī)具的保養(yǎng)維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。很多農(nóng)業(yè)機(jī)械由于作業(yè)后的養(yǎng)護(hù)不及時、不完善，造成第二年的功耗增加，作業(yè)性能下降，甚至作業(yè)中途突然出現(xiàn)停機(jī)等現(xiàn)象，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，打擊了農(nóng)民對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性。為了改變履帶式農(nóng)機(jī)裝備在實際使用過程中存在的此類問題，本課題組設(shè)計并論證了一種基于多模塊換裝的農(nóng)用履帶動力平臺。

1　模塊化設(shè)計方法

在農(nóng)業(yè)機(jī)械動力平臺中，拖拉機(jī)通過三點懸掛可掛載不同的工作機(jī)具，實現(xiàn)了一機(jī)多用，是一種很好的模塊化平臺。但是，通過三點懸掛互換的拖拉機(jī)模塊，一般功能單一、整備質(zhì)量小，對復(fù)雜的工作機(jī)具換裝適應(yīng)性差，尤其是不適合收割機(jī)模塊的換裝，因此若要將收割機(jī)模塊化，就需要尋求更優(yōu)化的換裝形式。

1.1　總體介紹與實現(xiàn)

通過把履帶式旋耕機(jī)、履帶式收割機(jī)和履帶式運(yùn)輸車分別分解為履帶式旋耕機(jī)=履帶式動力底盤模塊+旋耕機(jī)模塊；履帶式收割機(jī)=履帶式動力底盤模塊+收割機(jī)模塊；履帶式運(yùn)輸車=履帶式動力底盤模塊+車廂模塊。通過專用的模塊化設(shè)計，將履帶式旋耕機(jī)、履帶式收割機(jī)和履帶式運(yùn)輸車優(yōu)化為：履帶式動力底盤模塊+旋耕機(jī)模塊、收割機(jī)模塊、車廂模塊的形式。一個通用履帶式動力底盤模塊可以與多個工作機(jī)構(gòu)模塊換裝，從而實現(xiàn)一機(jī)多用。

1.2　履帶通用動力平臺設(shè)計

履帶通用動力平臺主要由駕駛室、發(fā)動機(jī)、動力輸出軸、車架、履帶行駛裝置和傳動系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中駕駛室主要包含動力平臺的操作機(jī)構(gòu)如油門、剎車、制動踏板，變速桿等。發(fā)動機(jī)的動力一部分通過皮帶傳動至傳動系統(tǒng)驅(qū)動履帶行駛裝置運(yùn)動，另一部分通過皮帶傳遞至各個工作模塊，用于驅(qū)動工作裝置運(yùn)動。駕駛室、發(fā)動機(jī)、履帶行駛裝置和傳動系統(tǒng)都裝配在車架上，車架上通過專用機(jī)構(gòu)連接不同的模塊。

1　駕駛室；2　發(fā)動機(jī)；3　發(fā)動機(jī)動力輸出軸；4　車架；5　履帶行駛裝置；6　傳動系統(tǒng)。

1.3　換裝模塊設(shè)計

換裝模塊主要有旋耕機(jī)模塊、收割機(jī)模塊和車廂模塊，如圖2所示。這些模塊相對于現(xiàn)有機(jī)具的主要差別有以下2個。①操作機(jī)構(gòu)差別：這些模塊的操作機(jī)構(gòu)都集成在模塊上，模塊組裝后，操作機(jī)構(gòu)位于通用動力平臺的操作機(jī)構(gòu)附近。②動力傳動差別：這些模塊的動力通過帶傳動將動力輸入后，在分別控制模塊、液壓系統(tǒng)及其他裝置運(yùn)動。

因此，換裝模塊具有在單一動力輸入下獨(dú)立工作的特征，如圖2a的收割機(jī)模塊所示，動力輸入致收割機(jī)模塊后，一方面通過機(jī)械裝置驅(qū)動割臺的切割刀、螺旋滾筒、撥禾輪及傳送帶、脫粒清選裝置工作；另一方面通過驅(qū)動液壓機(jī)構(gòu)，使其還可以操作割臺升降機(jī)構(gòu)和撥禾輪升降機(jī)構(gòu)等。

1　割臺；2　傳送帶；3　收割機(jī)操作臺；4　收割機(jī)動力輸入軸；5　卸糧裝置；6　脫粒清選裝置；7　割臺升降機(jī)構(gòu)；8　撥禾輪升降機(jī)構(gòu)；9　旋耕機(jī)操作臺；10　液壓升降機(jī)構(gòu)；11　旋耕機(jī)動力輸入裝置；12　旋耕機(jī)；13　車廂操作臺；14　車廂。

2　換裝過程設(shè)計與實現(xiàn)原理

多模塊農(nóng)用履帶動力平臺和現(xiàn)有農(nóng)用動力平臺的主要區(qū)別為換裝的過程?，F(xiàn)有動力平臺通過三點懸掛來實現(xiàn)不同模塊的掛接，而多模塊農(nóng)用履帶動力平臺采用不同模塊的裝載換裝。多模塊農(nóng)用履帶動力平臺能通過裝載不同模塊實現(xiàn)一機(jī)多用。

2.1　基于中間車架的換裝裝置設(shè)計

以旋耕機(jī)模塊為例，為了便于換裝，課題組設(shè)計了基于中間車架的換裝裝置，如圖3所示。中間車架安裝在旋耕機(jī)模塊上，設(shè)置有用于換裝的換裝輔助架支座和橫向、縱向鎖止槽。中間車架連同其模塊一起可安裝在動力平臺上，橫縱向鎖止槽與底盤車架上的橫縱向鎖止槽能配合形成一套橫縱向鎖止機(jī)構(gòu)，在鎖止器的作用下，實現(xiàn)全向鎖止。

1　旋耕機(jī)模塊；2　中間車架；3　換裝輔助架；4　底盤車架；5　動力平臺；6　鎖止器；7　橫向鎖止槽；8　縱向鎖止槽。

2.2　基于單動力輸入的傳動系統(tǒng)設(shè)計

為了承載不同的模塊，動力平臺就需要設(shè)計為通用平臺。不同的模塊的功能差異很大，為了實現(xiàn)便捷的換裝，就需要將動力傳動裝置的結(jié)合機(jī)構(gòu)設(shè)計的盡量簡單。如圖4所示，以旋耕機(jī)模塊為例，其動力輸入的結(jié)構(gòu)與原理為：發(fā)動機(jī)動力輸出軸通過皮帶傳遞至傳動箱上的離合器主動輪，離合器主動輪的一端繼續(xù)通過皮帶傳遞至液壓系統(tǒng)的液壓泵，其另一端通過離合器從動輪輸出而驅(qū)動旋耕機(jī)。因此，旋耕機(jī)模塊的液壓系統(tǒng)的動力不受傳動箱中的離合器控制，液壓升降機(jī)構(gòu)的操控不受旋耕機(jī)是否轉(zhuǎn)動的影響。如果傳動箱上設(shè)置有檔位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，還可以設(shè)置旋耕機(jī)模塊檔位操作手柄。

1　離合器操作手柄；2　液壓升降調(diào)節(jié)手柄；3　液壓泵；4　液壓升降缸；5　動力輸入裝置；6　傳動箱；7　旋耕機(jī)；8　中間車架；9　液壓元件。

2.3　基于輔助機(jī)構(gòu)的換裝過程實現(xiàn)

為了實現(xiàn)不同模塊換裝，最便捷的方式是采用起重機(jī)械吊裝更換模塊，但是采用起重機(jī)械換裝成本高，時效性差。針對多模塊換裝困難的問題，課題組設(shè)計了便攜式換裝輔助裝置，如圖5所示。其換裝過程為：多組換裝輔助裝置安裝于中間車架的安裝座上，先通過舉升中間車架，使中間車架與底盤車架上的橫縱向鎖止槽分開，然后推開需要換裝的模塊，即可實現(xiàn)模塊的拆卸，其組裝過程與之剛好順序相反。

1　收割機(jī)模塊；2　換裝輔助裝置；3　升降機(jī)構(gòu)；4　平移機(jī)構(gòu)。

換裝輔助裝置應(yīng)至少具有在Z軸上上升和下降和在X、Y軸上移動的功能，即可以實現(xiàn)升降和平移。通過升降功能可以實現(xiàn)換裝模塊與通用平臺的分離和結(jié)合；通過平移功能可以實現(xiàn)換裝模塊在水平面上移動。為了防止在平移的過程中換裝輔助裝置傾翻，換裝輔助裝置必須與中間車架可靠連接。換裝后的履帶式運(yùn)輸車、履帶式收割機(jī)和履帶式旋耕機(jī)如圖6所示。

1　通用動力平臺；2　履帶式運(yùn)輸車；3　中間車架；4　履帶式收割機(jī)；5　履帶式旋耕機(jī)。

3　虛擬樣機(jī)試驗

為了驗證前文的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否正確，方案是否可行，課題組運(yùn)用SolidWorks三維設(shè)計軟件，設(shè)計三維樣機(jī)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝與運(yùn)動狀況校驗。

3.1　SolidWorks虛擬樣機(jī)設(shè)計

采用SolidWorks軟件，設(shè)計了通用動力平臺、運(yùn)輸車模塊、旋耕機(jī)模塊和收割機(jī)模塊的三維圖形，通過三維建模設(shè)計，檢驗不同模塊安裝后是否與通用動力平臺產(chǎn)生接觸干涉，操作機(jī)構(gòu)是否布置合理等，其最終效果圖如圖7所示。

圖7　虛擬樣機(jī)效果圖

3.2　Solidworks虛擬樣機(jī)模塊化互換設(shè)計

采用SolidWorks軟件，定義了不同模塊在通用動力平臺上的換裝過程，驗證了通過換裝輔助裝置實現(xiàn)換裝的可能性，換裝(履帶收割機(jī)裝配)的步驟與實現(xiàn)過程如圖8所示。

圖8　基于SolidWorks的虛擬樣機(jī)模塊互換過程驗證

4　結(jié)語

采用合理的設(shè)計方案和換裝方案可以實現(xiàn)履帶旋耕機(jī)、履帶收割機(jī)和履帶運(yùn)輸車的履帶動力平臺換裝，使履帶動力平臺具有換裝大宗農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的能力。通過簡易的換裝輔助裝備實現(xiàn)履帶動力平臺間多模塊的換裝，有利于提高履帶動力平臺的一機(jī)多用性能，減少履帶農(nóng)機(jī)裝備的閑置浪費(fèi)，利國利民。

[1] 羅錫文,王在滿,曾山,等.水稻機(jī)械化直播技術(shù)研究進(jìn)展[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2019,40(5):1-13.

[2] 白學(xué)峰,魯植雄,常江雪,等.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展模式研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(10):256-262.

[3] 謝斌,武仲斌,毛恩榮.農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2018,49(8):1-17.

[4] 白學(xué)峰,楊浩勇,常江雪.履帶拖拉機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析與發(fā)展建議思考[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2017,44(6):1-4，6.

[5] 史金鐘.輪式拖拉機(jī)與履帶拖拉機(jī)差異淺議[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2018,45(1):1-5.

[6] 李建啟.國內(nèi)拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2018,45(2):1-4,7.

[7] 王志超,史金鐘,楊柯.可轉(zhuǎn)換輪履帶拖拉機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2017,44(2):4-11.

Design of agricultural track power platform based on multi-module disassembly and assembly

CHEN Bin, LIU Qi, ZOU Xin, SUN Chaoran, XIAO Mingtao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

The multi-module agricultural machinery and tools which can be easily disassembled or assembled on the tracked power platform are developed for the characteristics of strong seasonality of agricultural machinery, short annual effective operation time and low time coincidence of different types of operating machinery. This paper studies the multi-module agricultural machinery which can be easily disassembled or assembled on the tracked power platform, demonstrates the convenience of the quick change of multi-module through the intermediate frame, and explores the feasibility of the fast access and efficient transfer based on single power, the possibility of module interchange based on the auxiliary mechanism is expounded. Finally, the interconnection process of different modules is discussed by virtual prototype technology. Based on a single crawler power platform, a variety of products such as crawler rototillers, crawler harvester and crawler transporters can be formed through multi-module interchange technology, it is of great significance to reduce the idle waste of agricultural machinery and improve the utilization ratio of agricultural resources to realize the multi-use of large-scale agricultural machinery equipment under the condition of power platform.

multi-module; crawler; power platform; interchangeable

S223.9

A

2096–8736(2021)03–0001–04

長沙市科技計劃(KH1907038)，湖南省自然科學(xué)基金青年基金項目(2020JJ5239)。

陳斌(1996—)，男，湖南衡陽人，博士研究生，主要研究方向為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計及理論。

肖名濤(1981—)，男，湖南桑植人，副教授，博士，主要研究方向為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計及理論。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立