山地小型播種機履帶底盤的設(shè)計

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 霍倩 趙樹朋 宋佳旭 馬志凱 王磊

前言

我國丘陵山區(qū)地形復(fù)雜，耕地面積狹小，根據(jù)作業(yè)環(huán)境的分析，底盤的尺寸不宜過大，轉(zhuǎn)彎半徑要小，工作靈活；播種機的工作模式和待機模式切換簡捷方便；排種器、播種裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于日常維護和修理。本文設(shè)計了一種用于山地的小型播種機的履帶底盤。山地小型播種機主要由電動履帶底盤與播種裝置兩部分組成，履帶播種機使用蓄電池供應(yīng)電源來實現(xiàn)底盤行駛與播種裝置工作；將控制元件，電機減速機，電池包等部件安裝在底盤車架上；底盤的驅(qū)動電機選擇減速直流電機，兩支獨立減速電機控制兩端的驅(qū)動輪運動，實現(xiàn)底盤的行駛與轉(zhuǎn)向；左右履帶分別有三組獨立的懸掛裝置來支撐整車的行駛運輸工作。

1 履帶結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計

履帶的結(jié)構(gòu)是決定履帶底盤通過性與穩(wěn)定性的重要因素，本設(shè)計選用梯型履帶結(jié)構(gòu)，履帶底盤的通過性能常以底盤越障、跨溝、爬坡等能力來評價。以下是對梯形結(jié)構(gòu)的履帶進行翻越障礙和跨越壕溝兩種工況的力學(xué)分析，根據(jù)理論力學(xué)的要求，進行如下假設(shè)：

（1）重心在機構(gòu)的幾何中心。

（2）不考慮履帶的變形；忽略地面摩擦，履帶輪系間的摩擦；將越障和跨溝運動看作垂直運動和俯仰運動，輪系之間無相對位置偏移。

根據(jù)假設(shè)要求設(shè)置參數(shù)，設(shè)履帶接地長度為L1，行走裝置的中心高度為H，梯型履帶驅(qū)動輪和張緊輪圓心水平間距為L2，張緊輪的圓心高度為h2，張緊輪半徑為R1，支重輪半徑為R2，驅(qū)動輪半徑為R3。

1.1 最大跨越壕溝寬度分析

履帶底盤跨越壕溝的能力主要根據(jù)可跨越壕溝的寬度判斷，寬度越大，能力越強。低速跨越壕溝的過程如下：底盤開始進入壕溝，當(dāng)其履帶中心作用線到達(dá)壕溝前沿后，底盤前身會向壕溝內(nèi)傾斜，若傾斜過程中，底盤最前方可以落到壕溝后沿，即可完成壕溝跨越運動[1]。圖1 為履帶行走機構(gòu)運動的幾何關(guān)系，據(jù)此可以計算出履帶行走機構(gòu)的最大跨越壕溝寬度。

圖1 梯型履帶行走機構(gòu)跨溝運動幾何模型

梯型履帶的最大跨越壕溝寬度為X2:

1.2 最大翻越障礙高度分析

履帶底盤翻越障礙的能力主要根據(jù)障礙的高度來評價，障礙越高，越障能力越強。低速翻越障礙的過程如下：車輛前端開始接觸障礙并逐漸向上攀爬，直至支重輪爬到障礙端，底盤傾斜；當(dāng)傾斜后底盤重心垂直作用線與障礙端重合即為臨界條件，此時如果底盤前端有向下回落的趨勢，即可完成障礙翻越運動[2]。如圖2所示，θ 表示履帶越障臨界傾斜角，Y 表示履帶最大越障高度。

圖2 梯型履帶越障示意圖

梯型履帶越障翻越角為：

梯型履帶越障最大高度為：

因此，可以得出山地小型播種機梯型履帶結(jié)構(gòu)的底盤通過性的特點。

2 車架的設(shè)計與研究

車架是履帶底盤承受外部沖擊與自身重力的載體，分析其靜置狀態(tài)的受力與變形情況，進而得出車架最大變形量，應(yīng)力分布等力學(xué)性能，保證履帶底盤的行駛性能。

2.1 車架的建模

車架的框架使用40*4 的方管焊接，方管焊接性能好，強度高，堅固耐用，使用方管作為車架的主框架，其空心結(jié)構(gòu)有利于減輕整車質(zhì)量；橫梁也使用40*4 的方管，避免由于兩端跨度較大時車架變形；輪組安裝板使用10mm 厚度的Q235 鋼板進行打孔，焊接到車架的框架上；使用打孔厚板連接輪組，便于輪組的安裝與拆卸。電機減速機、控制器、電池、電動推桿安裝板使用3mm 厚度的Q235 鋼板。支撐電氣元件的方管使用30*2.6 的方管，鋼板根據(jù)部件螺栓孔位置來打孔，并焊接到車架框架上。

因為車架框架均使用空心方管焊接，所以框架的網(wǎng)格單元選擇三維變形體單元適應(yīng)性更高[3]，其中，網(wǎng)格劃分格數(shù)為84019 個，總節(jié)點數(shù)為165533 個。對于車架框架施加的主要載荷有減速電機、電機控制器、電池組、播種裝置等，播種裝置依靠兩個電動推桿控制，電動推桿的底座安裝在車架上，車架施加載荷的位置分布如圖3 所示。其中減速電機模塊電機為300N，載荷數(shù)量2，減速電機減速器模塊為300N，載荷數(shù)量2，電機控制器為20N，載荷數(shù)量2，電池組為500N，載荷數(shù)量1，電動推桿與播種裝置為500N，載荷數(shù)量2。

圖3 框架的分布載荷示意圖

2.2 靜力學(xué)結(jié)果分析

對車架進行靜力學(xué)分析[4]，得到最大受力變形云圖和應(yīng)力分布云圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 車架受力位移云圖

圖5 車架應(yīng)力圖

分析圖4 和圖5 得出的結(jié)果，車架最大的變形位置在電池電機安裝板的位置，這是因為支撐安裝板使用的方管型材規(guī)格較小，板材較薄。底盤最大變形量為0.1169mm，最大應(yīng)力為25.72MPa。整體車架框架的形變量和應(yīng)力變化不是很明顯，車架框架滿足設(shè)計要求[5]。

2.3 車架的優(yōu)化改進

車架的優(yōu)化改進需要選擇適當(dāng)?shù)臉?gòu)造、輕質(zhì)材料、連接技術(shù)、盡可能準(zhǔn)確的設(shè)計以及可實現(xiàn)的制造工藝[6]。改進方式如下：車架主體框架與橫梁采用30*2.6方管焊接，支撐電氣元件的橫梁使用20*2 的方管焊接，電器元件安裝板厚度保持不變，在變形量大的電氣元件安裝板下焊接35*3 規(guī)格角鋼加強筋，焊接加強筋的優(yōu)點可以加強安裝板的承載能力，減少安裝板后續(xù)的變形。

對優(yōu)化后車架進行靜力學(xué)分析，得到最大受力變形云圖和應(yīng)力分布云圖如圖6 和圖7 所示。

圖6 優(yōu)化后車架受力位移云圖

圖7 優(yōu)化后車架應(yīng)力云圖

有限元分析結(jié)果顯示，安裝電氣元件的鋼板最大應(yīng)力為43.67MPa，最大變形量為0.1824mm，盡管最大變形量與最大應(yīng)力值有所增加，但減少了材料使用，減輕了整車質(zhì)量，達(dá)到輕量化設(shè)計的目的。

3 結(jié)論

本文主要對山地小型播種機履帶底盤進行了分析，通過對履帶底盤行走裝置越障跨溝力學(xué)性能的分析，確定選擇梯型履帶行走結(jié)構(gòu)；在確定履帶底盤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對履帶底盤的車架框架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，仿真得到車架框架的受力位移變形云圖和應(yīng)力云圖，并對車架進行輕量化設(shè)計。