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    適用于輕型棉花收獲機(jī)的履帶底盤選型分析及展望

    2025-04-29 00:00:00王振龍陳長林孫勇飛謝慶孔凡婷王建合
    關(guān)鍵詞:智能化

    摘要:針對我國長江、黃河流域棉花種植區(qū)種植面積小、地形復(fù)雜、機(jī)械化收獲效率低及大型輪式收獲機(jī)適應(yīng)性不足的問題,系統(tǒng)分析國內(nèi)外大型棉花收獲機(jī)的研究進(jìn)展,揭示該區(qū)域棉花機(jī)收困難的主要原因。通過研究履帶式底盤在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢,分類概述普通型、三角型、輪履復(fù)合型及倒梯型履帶底盤的特點與適用場景,并闡述國內(nèi)農(nóng)用履帶式底盤的重點研究方向,強(qiáng)調(diào)農(nóng)作物農(nóng)藝要求對底盤選型的重要性。結(jié)合棉花76 cm等行距標(biāo)準(zhǔn)化種植的農(nóng)藝要求,提出一種適用于長江、黃河流域棉區(qū)的后驅(qū)式輕型棉花收獲機(jī)履帶底盤,該底盤具有良好的爬坡能力和穩(wěn)定性,能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境,進(jìn)一步提高棉花收獲裝備的適應(yīng)性和收獲效率。為促進(jìn)我國長江和黃河流域棉區(qū)機(jī)械化收獲裝備的不斷提升,推動棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,提出農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合、基礎(chǔ)研究與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合、機(jī)電液數(shù)字化應(yīng)用等發(fā)展趨勢。

    關(guān)鍵詞:履帶底盤;棉花;輕型收獲機(jī);智能化;數(shù)字化

    中圖分類號:S225.91+1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A" " " 文章編號:2095?5553 (2025) 04?0265?06

    Selection analysis and prospects of track chassis for light cotton harvesters

    Wang Zhenlong Chen Changlin Sun Yongfei Xie Qing Kong Fanting Wang Jianhe

    (1. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing, 210014, China; 2. Hebei Center of Agriculture Machinery Extension, Shijiazhuang, 050011, China)

    Abstract: To address the challenges of small?scale cultivation, complex terrain, low mechanized harvesting efficiency, and inadequate adaptability of large wheeled harvesters in the cotton planting areas of the Yangtze and Yellow River Basins in China, this study systematically analyzes the research progress of large cotton harvesters at home and abroad, revealing the primary constraints on mechanized cotton harvesting in these regions. By investigating the advantages of tracked chassis in agricultural applications, we categorize and summarize the characteristics and applicable scenarios of four tracked chassis types: standard, triangular, wheel?track composite, and inverted trapezoidal configurations. Furthermore, we elaborate on key domestic research directions for agricultural tracked chassis and emphasize the critical role of crop?specific agronomic requirements in chassis selection. Aligned with the standardized agronomic practice of 76 cm equidistant row planting for cotton, this paper proposes a rear?wheel?drive lightweight tracked chassis tailored for cotton harvesters in the Yangtze and Yellow River Basins. The optimized chassis design enhances climbing capacity and operational stability, effectively adapting to heterogeneous field conditions.In order to promote the continuous improvement of mechanized harvesting equipment in the cotton areas of the Yangtze River and Yellow River basins in China and push the sustainable development of the cotton industry, the development trends of the integration of agricultural machinery and agronomy, the combination of basic research and advanced technology, and digital application of electromechanical and hydraulic are proposed.

    Keywords: track chassis; cotton; light harvester; intelligentize; diagitization

    0 引言

    棉花作為一種經(jīng)濟(jì)作物,在農(nóng)作物種植中具有重要的地位,對我國的國計民生和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極的作用[1]。棉花的種植與生產(chǎn)涉及農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、機(jī)械等多個行業(yè),是棉農(nóng)的主要收入來源,是紡織工業(yè)的主要原料,是出口的重要商品,也是不可缺少的生活必需品,為我國帶來大量的就業(yè)機(jī)會與經(jīng)濟(jì)效益,對經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的推動作用。棉花也是我國的戰(zhàn)略物資,在我國有著重要的戰(zhàn)略地位。

    我國棉花產(chǎn)地主要分布包括長江流域、黃河流域和新疆棉區(qū)等三大棉花主產(chǎn)區(qū)。我國新疆棉區(qū)種植面積大、地形多數(shù)為平原,且種植面積較為集中,在國內(nèi)率先實現(xiàn)大型機(jī)械采摘機(jī)采棉技術(shù),技術(shù)相對比較成熟,棉花機(jī)采率超過90%,而長江流域、黃河流域棉區(qū)機(jī)采率不足10%。

    本文將根據(jù)國內(nèi)外棉花收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀,分析長江、黃河流域棉花機(jī)械化收獲困難的原因和難點,闡述不同履帶式底盤在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景,研究履帶式底盤的優(yōu)勢與選型,設(shè)計適用于該區(qū)域的后驅(qū)式輕型履帶底盤,提高棉花收獲裝備的適應(yīng)性和收獲效率,提升該區(qū)域的機(jī)械化收獲裝備水平。

    1 棉花收獲機(jī)概述及現(xiàn)狀

    1.1 棉花收獲技術(shù)及裝備

    機(jī)采棉技術(shù)是指利用先進(jìn)的機(jī)械化設(shè)備和技術(shù),對棉花進(jìn)行高效采摘和處理。這種技術(shù)包括使用各種類型的采摘設(shè)備,采棉機(jī)根據(jù)采摘原理的不同大致分為兩大類:選收式采棉機(jī)和統(tǒng)收式采棉機(jī)[2]。選收式采棉機(jī)通過振動或刮動分離棉花,而統(tǒng)收式采棉機(jī)通過一體化的采收頭將整株棉植連同棉花一起收割,并在機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行后續(xù)的分離和處理。

    機(jī)采棉技術(shù)被一些發(fā)達(dá)國家看作是一項成熟的常規(guī)性生產(chǎn)技術(shù),由于實現(xiàn)全程機(jī)械化,人均管理面積可達(dá)66.67 hm2以上[3]。根據(jù)我國三大棉區(qū)的生產(chǎn)特點及棉花的種植模式,研制以刷輥式采棉機(jī)和指刷式采棉機(jī)等為代表的統(tǒng)收式采棉機(jī)型,田間試驗表明采凈率可達(dá)95%,由于其功率消耗小,生產(chǎn)、使用與維護(hù)成本低,具有更好的推廣應(yīng)用前景[4]。

    目前,國外棉花收獲機(jī)技術(shù)相對成熟,具備先進(jìn)的設(shè)計理念和高效的作業(yè)性能。在研發(fā)和生產(chǎn)方面,國外廠商注重引入先進(jìn)的智能控制技術(shù),提高機(jī)械自動化程度,使得棉花收獲過程更為精準(zhǔn)和高效。同時,采用先進(jìn)的采摘臺設(shè)計,提高收獲效率,減少對植株的損傷。此外,國外棉花收獲機(jī)積極應(yīng)用激光傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù),提高了機(jī)器在不同農(nóng)田條件下的適應(yīng)性和作業(yè)精度。目前,我國新疆地區(qū)大型棉花種植區(qū)的棉花收獲裝備已經(jīng)相對成熟,最高可實現(xiàn)一次多行收獲以及采摘、清選、打包等一系列工作,提高了我國新疆棉區(qū)的機(jī)械化的生產(chǎn)效率。目前,在黃河、長江流域棉花種植區(qū)的機(jī)械化收獲仍處于起步發(fā)展階段。

    1.2 棉花收獲機(jī)現(xiàn)狀與對策

    我國長江流域和黃河流域棉花種植區(qū)種植面積較小、相對分散,且地形較為復(fù)雜、地面坡度大、形狀不規(guī)則以及長江、黃河流域棉花種植區(qū)的氣候條件相對濕潤。目前,適用于新疆棉區(qū)的大型采棉機(jī)不適用長江流域和黃河流域地區(qū),長江、黃河流域地區(qū)棉花種植面積較為零碎,道路原因轉(zhuǎn)場作業(yè)困難,大型的收獲機(jī)械很難進(jìn)入作業(yè)地點。

    履帶式棉花收獲機(jī)的優(yōu)點具有較強(qiáng)的通過性,履帶底盤可以更好地適應(yīng)復(fù)雜地形和土壤條件,具有較高的承載能力和牽引力。相比于輪式棉花收獲機(jī),履帶式棉花收獲機(jī)機(jī)型相對輕巧,不適合采收打包一體化作業(yè)。

    輪式棉花收獲機(jī)動力強(qiáng),軸距長,能實現(xiàn)采摘、打包一體化作業(yè),可以設(shè)計6行以上的棉花采收,具有較高的生產(chǎn)效率。相比于履帶式棉花收獲機(jī),輪式棉花收獲機(jī)無法適應(yīng)長江流域、黃河流域棉區(qū)高濕土壤等復(fù)雜作業(yè)條件。

    近年來,我國人口老齡化逐年加重,人工成本逐年上升,勞動力短缺問題日益突出,嚴(yán)重制約我國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展,推進(jìn)棉花機(jī)械化采摘已成為實現(xiàn)棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[4],研發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)性能好的履帶式棉花收獲裝備必將為社會帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。因此,研發(fā)一款適用于種植面積較為分散、工作條件復(fù)雜的履帶式棉花收獲機(jī)尤為重要。

    2 農(nóng)用履帶式底盤國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

    2.1 履帶底盤在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢

    底盤可大致分為輪式底盤和履帶式底盤。相比于輪式底盤,履帶底盤采用履帶作為行走部件,通過履帶的滾動運(yùn)動,車輛可以在濕地、沙地、山地、攀爬坡道、穿越沼澤地帶等各種復(fù)雜地形上持續(xù)提供強(qiáng)大的牽引力,能在不平坦的農(nóng)田地形上行走,具有更好的通過性,可以適應(yīng)泥濘、濕滑、不平整的地面,適用于需要較大牽引力的作業(yè),例如耕地、收割等,提供更高的作業(yè)效率。

    履帶式底盤的觸地面積較大,能夠分散機(jī)器的整體重量,減少對地面某一處的壓力,由于觸地面積大,載荷分布均勻,可以減小單位面積對地面的壓力,有利于保護(hù)植被或地表結(jié)構(gòu)。履帶底盤的重心比較低,能夠更加穩(wěn)定地行駛在上坡、泥濘路面、不平整的地形中,減少傾翻風(fēng)險。同時,對土壤的壓實程度較小,減小對植物根系的損害程度[5]。橡膠履帶底盤在路上行駛時不會造成地面損壞,因此,在近距離轉(zhuǎn)場過程中不需要專門的運(yùn)輸工具,簡化履帶底盤的運(yùn)輸方式[6]。總之,履帶底盤在農(nóng)業(yè)作業(yè)中能夠適應(yīng)各種地形條件,提高作業(yè)效率和機(jī)械的穩(wěn)定性,對保護(hù)農(nóng)田環(huán)境也有一定的積極作用。

    2.2 履帶底盤在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的分類

    底盤是指機(jī)械設(shè)備或車輛的支撐結(jié)構(gòu),可分為輪式底盤、履帶底盤、仿生腿式底盤,通常用于支撐和承載整個設(shè)備的重量,并提供行走、轉(zhuǎn)向、懸掛等功能。履帶底盤分為普通型履帶底盤、三角履帶底盤、輪履式復(fù)合底盤以及倒梯型履帶底盤,如表1所示。履帶式底盤作為車輛的一種重要移動形式,具有對土壤的單位面積壓力小、對土壤的附著性能好,以及不易打滑等優(yōu)點,在非道路場合,尤其是田間或山地等工況下,具有較好的通過性,牽引效率也較高[7],關(guān)系著整機(jī)的工作效率以及作業(yè)時的行駛安全。一臺合格的農(nóng)機(jī)不僅要具備高標(biāo)準(zhǔn)的工作質(zhì)量和生產(chǎn)效率,同時要有穩(wěn)定且可靠的行駛性能。履帶底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜,影響底盤驅(qū)動力和行走性能的因素很多,需要結(jié)合多方面因素對底盤的行駛性能進(jìn)行研究[8, 9]。

    2.3 履帶式底盤國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    2.3.1 履帶式底盤的國外研究現(xiàn)狀

    在21世紀(jì)初期,發(fā)達(dá)國家的履帶式底盤就已經(jīng)達(dá)到最大上坡角度約為27°。普通輪式底盤的農(nóng)用機(jī)械大多數(shù)農(nóng)用機(jī)械會用到履帶式底盤,履帶底盤技術(shù)在民用機(jī)械的使用上更加廣泛,比如履帶式拖拉機(jī)、履帶式挖掘機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)等[10]。在丘陵山地地區(qū)具有更好的通過性,提高作業(yè)時的效率以及安全性得到充分保障。日本由于受地理環(huán)境的影響,山地丘陵面積占全國的71%,日本的山地丘陵履帶式田園底盤,因其重心較低、輪距寬、性能穩(wěn)定,在坡地作業(yè)中性能優(yōu)異。

    目前,隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的加快,履帶式底盤為適應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的適配性,逐漸從大型向小型轉(zhuǎn)變。Keller等[11]提出一種履帶底盤對土壤垂直應(yīng)力分布的預(yù)測模型,通過建立模型,并在模型上輸入?yún)?shù)以及軌道上的負(fù)載,通過Visual Basic進(jìn)行模擬,計算履帶接觸土壤的應(yīng)力分布與土壤接觸處垂直應(yīng)力的現(xiàn)實估計,從而改進(jìn)履帶底盤對下方接觸土壤壓實風(fēng)險的預(yù)測。Me?yk等[12]提出了一種高速履帶的底盤懸掛系統(tǒng)分析,能夠在崎嶇道路進(jìn)行高速行走,通過建立高速履帶的懸掛系統(tǒng)模型,采用不同的履帶張緊數(shù)值,并通過數(shù)值計算與仿真分析得出不同數(shù)值對履帶行駛性能的影響。Choodowski等[13, 14]提出了兩種預(yù)測橡膠履帶底盤內(nèi)部運(yùn)動阻力的方法并展開研究,首先提出對車輪運(yùn)動阻力的研究,通過模型的建立,考慮車輪的外部載荷以及壓力在履帶上分布不均勻與履帶導(dǎo)軌對履帶兩側(cè)導(dǎo)耳的摩擦能量損耗,通過試驗驗證和對車輪以及履帶底盤的布局,可以將履帶底盤運(yùn)動阻力降低;其次提出一種履帶抗彎性能的研究,通過對模型的計算可知,增加履帶傳遞的初始張力和驅(qū)動力并不會影響履帶的抗彎性能,反而增加了驅(qū)動輪對履帶的摩擦和履帶底盤的行駛效率。此外,車輛在行駛中由于機(jī)械各部件持續(xù)運(yùn)動以及履帶與地面的摩擦,會引起車輛的共振問題,造成很大的能量損失,Choodowski等[15]對試驗樣品進(jìn)行模態(tài)的計算,通過高階模態(tài)與低階模態(tài)的對比分析給出一種確定模型基本參數(shù)的方法,包括彎曲剛度和振蕩阻尼減量并驗證方法的可行性。

    2.3.2 履帶式底盤的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

    國內(nèi)相關(guān)高校、科研院所以及企業(yè)針對不同類型的農(nóng)用底盤進(jìn)行研究,將底盤技術(shù)應(yīng)用在不同形式和功率范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中。國內(nèi)對履帶底盤研究起步相對較晚,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,大型履帶底盤發(fā)展相對完善。在輕型農(nóng)用履帶底盤研究方面主要以南方農(nóng)機(jī)中小型企業(yè)和高校為主,但在棉花收獲裝備缺失。

    目前,國內(nèi)對履帶底盤研究主要集中在理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析上,而且主要集中在稻、麥等主要農(nóng)作物大型履帶底盤,未涉及適用于棉花生產(chǎn)的輕型履帶底盤研究。對于履帶底盤的研究主要分為3點:驅(qū)動方式、轉(zhuǎn)彎性能和通過性。

    1) 驅(qū)動方式代表一個車的動力來源和傳動方式。在一個車輛中,驅(qū)動系統(tǒng)負(fù)責(zé)將動力轉(zhuǎn)化為車輛的運(yùn)動,使車輛能夠行駛,驅(qū)動是車輛運(yùn)行的核心組成部分,直接影響車輛的性能和操控。針對驅(qū)動方式有電動、液壓和液電聯(lián)合驅(qū)動等3種形式,吳騰飛[16]研制了一款針對西南地區(qū)丘陵山地的履帶式拖拉機(jī),采用全液壓無級變速驅(qū)動的方式,利用單片機(jī)等技術(shù)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控,后期對轉(zhuǎn)向性能、轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行實測,能夠有效提高丘陵山地道路的通過性以及行駛過程中的穩(wěn)定性。液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有高功率密度、平穩(wěn)性好等優(yōu)點,但也存在能效低、油液泄漏、噪音振動等缺點;電動驅(qū)動具有環(huán)保、節(jié)能、靜音和高效性等優(yōu)點,但也存在續(xù)航里程有限、充電時間長、制造成本高和充電設(shè)施不足等缺點,針對以上2種驅(qū)動方式存在的問題,韓明興等[17]提出一種液電混動履帶底盤,采用兩套獨(dú)立的驅(qū)動方式,采用伺服電機(jī)速度及力閉環(huán)控制,能夠適應(yīng)底盤外負(fù)載變化,顯著改善閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)輸出特性,通過對液電的仿真分析,分析不同工況下的行駛性能,并通過實際試驗得出,液電混合驅(qū)動情況下能夠減少能耗。

    2) 轉(zhuǎn)彎性能代表履帶式車輛在轉(zhuǎn)彎時的靈活性和穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)彎性能好的履帶式車輛能夠在狹窄的空間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,并且可以保持車輛的穩(wěn)定性和控制性,確保駕駛員能夠準(zhǔn)確地控制車輛的方向和速度。良好的轉(zhuǎn)彎性能對履帶式車輛在田間地頭、建筑工地或其他狹窄環(huán)境中的操作至關(guān)重要,能夠提高車輛的操控性和適應(yīng)性。針對履帶式車輛的轉(zhuǎn)彎性能問題,賈鑫等[18]基于動力學(xué)模型的數(shù)值分析與基于RecurDyn模型的仿真分析針對履帶式車輛在不同坡度角、轉(zhuǎn)向角度和土壤環(huán)境下影響履帶車輛的轉(zhuǎn)向性能,結(jié)果表明,土壤環(huán)境影響履帶車輛轉(zhuǎn)彎的主要因素。

    3) 履帶式底盤的通過性代表車輛在復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境下的通過能力。通過性取決于車輛底盤的設(shè)計和懸掛系統(tǒng),以及履帶的特性,具有良好通過性的履帶式底盤可以在泥濘、崎嶇、沙漠等惡劣路況下保持穩(wěn)定的行駛能力,能夠克服障礙物和陡坡,確保車輛順利通過。通過性強(qiáng)的履帶式底盤在軍事、野外探險、建筑工地等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,能夠提供更可靠的越野性能和通過能力。郭凱文[19]通過對沃得1GL-2000F履帶自走式輕型農(nóng)用履帶底盤展開研究,通過對履帶底盤進(jìn)行動力學(xué)于力學(xué)的理論分析得出影響履帶底盤行駛時出現(xiàn)的工況,基于多體動力學(xué)軟件Recurdyn進(jìn)行建模,并對履帶車輛平地通過性、越障性、越溝性、爬坡性進(jìn)行仿真分析,同時考慮履帶車輛行走時地面對車輛的影響因素,來驗證車輛的通過性。

    綜上所述,大型履帶拖拉機(jī)與山地履帶拖拉機(jī)研究比較集中且研究體系成熟,為適應(yīng)更多的作業(yè)環(huán)境,履帶式底盤的設(shè)計必須轉(zhuǎn)向輕量化、小型化的設(shè)計與研究,通過上述對底盤不同部件、不同性能的研究,包括驅(qū)動方式、轉(zhuǎn)彎性能和通過性等,針對不同地區(qū)的作業(yè)條件做出合理化的改進(jìn),以滿足區(qū)域性生產(chǎn)需求。

    2.4 履帶底盤在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的選型與分析

    表2為當(dāng)前履帶式收獲裝備的規(guī)格,根據(jù)當(dāng)前履帶式收獲裝備結(jié)合棉花種植農(nóng)藝,不同農(nóng)作物的種植密度和行距不同,根據(jù)作物的生長特點選擇適合的履帶底盤,以保證在不同行距下的機(jī)動性和穩(wěn)定性。部分農(nóng)田地形復(fù)雜,且有一定的坡度,需要選擇具有良好爬坡能力和穩(wěn)定性的履帶底盤,以確保在不同地形下的作業(yè)效率和安全性??紤]田間的通過性與穩(wěn)定性問題,選配合適規(guī)格的履帶底盤,進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的適應(yīng)性與棉花機(jī)械化收獲的效率。

    2.5 履帶式底盤前驅(qū)式與后驅(qū)式對比分析

    履帶底盤是一種用于裝載和運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械底盤,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)中,履帶底盤常用于拖拉農(nóng)機(jī)具,如拖拉機(jī)、收割機(jī)等。前驅(qū)式履帶底盤與后驅(qū)式履帶底盤的區(qū)別為驅(qū)動輪在履帶的前后位置的不同。前驅(qū)式履帶底盤是由驅(qū)動輪推著履帶前進(jìn),有更高的牽引力,能夠克服阻力,尤其在崎嶇不平或者松軟的地面上,保持牽引性能,重心偏后的整機(jī)裝備通常使用前驅(qū)式。

    后驅(qū)式履帶底盤的動力源在履帶的后方,由驅(qū)動輪拉著履帶前進(jìn),后驅(qū)式可以提供更高的抓地力,穩(wěn)定性更好,后驅(qū)式履帶底盤由于有更大的重量集中在驅(qū)動輪上,因此,在特定的工作條件下,例如爬坡或者搬運(yùn)重物時,后驅(qū)式履帶底盤具有更好的穩(wěn)定性。后驅(qū)式履帶底盤可能會提供更快的速度,適用于需要快速移動的工作場合,通常能解決采摘臺偏重的機(jī)組或重心過前的收獲裝備。

    2.6 履帶式采棉機(jī)底盤的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    作為支撐整機(jī)和驅(qū)動整機(jī)的部件,履帶式底盤能夠讓機(jī)器在各種復(fù)雜的環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)。履帶式底盤大致分為液壓驅(qū)動部分、支撐部分、行走部分、底盤機(jī)架。履帶式底盤是以履帶作為行走裝置底盤,主要由傳動系、制動系、轉(zhuǎn)向系、履帶和回轉(zhuǎn)輪(驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪和張緊輪)等組成[20]。

    履帶式輕型采棉機(jī)底盤的工作原理:通過發(fā)動機(jī)將機(jī)械能傳遞到HST,HST從油箱吸油到液壓泵中,首先由高液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能傳遞到液壓馬達(dá)中,其次由液壓馬達(dá)的機(jī)械能傳遞到驅(qū)動橋兩側(cè)的驅(qū)動輪,最后由驅(qū)動橋兩端的驅(qū)動輪帶動履帶前進(jìn)行走。

    結(jié)合上述底盤的分類以及綜合考慮機(jī)器在行駛過程中的穩(wěn)定性、通過性等問題,棉花收獲機(jī)采摘臺的重量遠(yuǎn)超常規(guī)谷物收獲機(jī)采摘臺的重量,而后置有大型棉箱,整機(jī)造型偏長,設(shè)計過程中需要對機(jī)器的重心進(jìn)行計算,結(jié)合上述針對不同農(nóng)作物所使用的履帶底盤,提出后驅(qū)式履帶棉花收獲底盤,如圖1所示。

    履帶式底盤通過橡膠履帶取代傳統(tǒng)車車輪,提供優(yōu)越的承載能力和越野性能。履帶式底盤作為驅(qū)動整臺機(jī)器的重要部分,影響整機(jī)進(jìn)行作業(yè)的工作效率和性能。

    3 展望

    3.1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合

    通過改進(jìn)和創(chuàng)新農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備,結(jié)合農(nóng)藝需求,可以更好地發(fā)揮現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢。為解決長江流域棉區(qū)機(jī)械化收獲關(guān)鍵技術(shù),按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化76 cm等行距模式,設(shè)計幅寬為采摘3行。履帶軌距為2 000 mm,履帶寬為350 mm,作業(yè)時實施“跨3行收3行”模式,如圖2所示,不僅能減少履帶的磨損,而且大跨距有利于提高機(jī)具的穩(wěn)定性、通過性。探索適合我國長江流域棉花機(jī)械化收獲的生產(chǎn)技術(shù)路線,涉及棉花品種、種植模式、水肥及化學(xué)調(diào)控、打頂、脫葉催熟、機(jī)械化采摘以及籽棉預(yù)處理等諸多環(huán)節(jié)配套使用指導(dǎo)意見[21]。當(dāng)前履帶式底盤的設(shè)計逐漸輕便,功能逐漸完善,設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊。

    3.2 基礎(chǔ)研究與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合

    近年來,履帶式底盤的優(yōu)化設(shè)計主要依靠仿真分析進(jìn)行研究,大幅度降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期。目前,隨著液壓技術(shù)的發(fā)展,適用于我國長江黃河流域以及丘陵山地的履帶底盤逐漸發(fā)展為以液壓傳動為主,液壓驅(qū)動的底盤結(jié)構(gòu)緊湊和方便自動控制,相比于機(jī)械傳動和電氣傳動,采用液壓傳動有更加顯著的優(yōu)勢[22]。另外履帶式底盤能夠在不同地形和作業(yè)條件下保持良好的穩(wěn)定性,可以適應(yīng)各種土壤和地形,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠支持。農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展趨勢是自動控制、智能信息化。

    3.3 機(jī)電液數(shù)字化應(yīng)用

    為促進(jìn)履帶式收獲機(jī)在丘陵地區(qū)大范圍推廣,需要對收獲機(jī)的底盤爬坡和穩(wěn)定性技術(shù)深入研究,通過將機(jī)電液數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械中,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、高效化和可持續(xù)發(fā)展,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇,在一定程度上解決長江流域和黃河流域地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械在行駛、作業(yè)過程中存在的操作難度大、作業(yè)質(zhì)量差等問題,提高我國長江流域和黃河流域地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量和安全性。

    4 結(jié)語

    長江流域和黃河流域棉花種植區(qū)存在田間道路狹窄、道路坡度大、棉花種植分散等問題,使其在進(jìn)行棉花收獲作業(yè)時仍以人工和半機(jī)械化為主,在客觀條件下導(dǎo)致長江流域、黃河流域棉花收獲機(jī)械化發(fā)展較為緩慢。目前,輪式棉花收獲機(jī)在新疆棉區(qū)得到廣泛應(yīng)用與推廣,能實現(xiàn)采摘、收獲、打包一體化作業(yè),具有高效、自動化程度高等特點。隨著科技的不斷進(jìn)步和農(nóng)業(yè)發(fā)展需求,履帶式棉花收獲機(jī)將會繼續(xù)發(fā)展和完善,為長江流域和黃河流域的棉花機(jī)械化收獲做出更大的貢獻(xiàn)。

    隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的加快,傳統(tǒng)的手工收獲棉花逐漸被機(jī)械化取代。長江流域和黃河流域棉區(qū)的機(jī)收作業(yè)條件相比新疆更為苛刻。由于地況復(fù)雜,高濕多雨的不同氣候條件,研發(fā)一款履帶式棉花收獲機(jī)是必然趨勢,同時對履帶式棉花收獲機(jī)的底盤通過性能提出更高的要求。通過對各種農(nóng)作物機(jī)械化裝備的農(nóng)藝要求的對比分析,對履帶式底盤進(jìn)行選型及優(yōu)化,綜合履帶底盤的可靠性與通過性考慮,提出適合采棉機(jī)的后驅(qū)式履帶底盤。此外,未來輕型棉花收獲機(jī)履帶底盤的發(fā)展將更加注重智能化、環(huán)保性和高效性,有助于提高農(nóng)機(jī)在不同農(nóng)田環(huán)境下的適應(yīng)性和生產(chǎn)效率,推動農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的不斷創(chuàng)新。

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