履帶式自走包膜機底盤的研究

吳昊

摘 要：針對目前我國青貯飼料產業使用的青貯飼料包膜設備，設計一種適合小地塊作業，且結構緊湊的通用型履帶自走底盤。主要通過三維軟件SolidWorks對自走底盤的整體結構進行設計，并且對關鍵部分進行設計及三維建模。實現青貯飼料包膜工作的高效率化、高自動化、高靈活性等。

關鍵詞：履帶自走底盤；包膜機；SolidWorks

中圖分類號：S2202 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.008

0 引言

近年來隨著我國農業政策的改革，確定了以調節糧食結構，種養結合，大力發展畜牧業的方針政策，而畜牧業是衡量一個國家農業發展水平的重要標志。畜牧業不僅對促進種植業有著重要作用，還能促進農業內部的產業結構合理化以及對農業廢料的正常循環有著天然優勢。所以在國家的大力推動下，飼料業也在飛速發展，而青貯飼料是作為一種主要用于喂養反芻動物的優質飼料，它主要是由含水量大的植物和其他飼料，經過嚴格的密封，通過厭氧乳酸菌進行發酵而形成的。有著比新鮮飼料耐儲藏，且營養成分強于干飼料等優點。所以，目前在農業上得到了廣泛的應用。

對于青貯飼料的制作，目前主要形式可分為兩種方式。第一種，窖貯。用紅磚壘墻并抹上水泥制作U型圍墻，并且地面需要水泥強化，然后將青貯原料堆放壓實后，再用較厚的黑色塑料膜封嚴，一般用舊輪胎進行平鋪壓蓋，四周挖出排水溝排水。這種方式簡單易學，但需要大量場地，并且一旦覆蓋塑料膜破損，會使青貯飼料全都腐爛造成損失，并且每次開窖取料也會造成損失。另外一種是包膜貯藏。主要是通過機械設備把青貯飼料進行打捆，一般是打成1 m×1 m左右的圓捆，再對圓捆進行包裹塑料膜的處理。這樣的圓柱形青貯包具有節省空間、貯藏地點靈活、營養豐富、利于貯存、操作簡便等優點。目前，青貯飼料包膜機以拖拉機為動力來源的懸掛式為主，這種設備對于小型地塊、小產量等經濟型農場并不適用，因此，設計一種適合小地塊作業，且結構緊湊的通用型履帶自走底盤，一方面可以滿足青貯飼料包膜的需求，另一方面也可以自行行走，不用再連接拖拉機進行驅動，這樣大大提高了經濟性。

1 履帶式自走包膜機底盤的總體設計

1.1 總體結構

履帶式自走包膜機底盤的總體結構如圖1所示，該底盤主要可以分為行走驅動系統、動力傳動系統、操作系統，以及車架輔件系統四部分組成。其中，行走驅動系統主要包括履帶、驅動輪、張緊輪、承重輪等部分組成，主要作用是連接承載包膜部分，為包膜部件提供穩定的工作平臺，并且負責主要行駛運動的功能。動力傳動系統主要由發動機、機械橋、HST（靜液壓傳動裝置）等部分組成，負責把發動機的動力輸送到每個部分，是整個設備的動力源泉。而操作系統，則是由鑰匙門、換擋桿、方向桿、行駛手柄等部分組成，主要作用是操控自走底盤，使設備能夠順利的進行前進、轉彎、換速等操作，保證設備可以靈活適用各種工況。最后的車架輔件系統則是由車架、前擋風、液壓油箱等部件組成，主要是為行駛作業和包膜作業提供輔助功能，確保設備在作業狀態或行駛狀態時的穩定。

1.2 工作原理

履帶式自走包膜機底盤在工作時，動力部分主要是從柴油機獲得動力，并在此處分成兩部分分別輸出，一部分直連一個液壓齒輪泵，主要通過液壓系統為連接的包膜機構工作部分提供動力；另一部分則通過皮帶與HST連接，同時HST與機械變速橋箱直連，HST可實現整機在一定范圍內無級變速及負載換擋，最后通過變速橋箱分別傳遞給履帶左右兩個驅動輪，使得驅動履帶運動，從而底盤得以完成正常的行駛工作。

操控部分主要可分為控制行駛、控制轉彎、改變車速三個方面，其中控制行駛是通過行駛手柄來控制HST，這樣會使設備可以通過無級變速來完成前進、停止、后退的行駛動作。控制轉彎是通過操作左右方向桿，來實現控制機械橋上左右驅動輪的轉動和停止，通過控制兩個驅動輪的轉速，使得兩個履帶出現速度差，從而實現左右轉向，這種方式可以使得轉向平穩且易于操作。改變車速則是通過轉換換擋桿擋位的方式，實現設備在包膜時低速調位與行駛時需要高速的工作模式，換擋桿主要是連接到機械橋上，通過機械橋中的差速裝置改變轉速。

1.3 技術參數

平均接地壓：13～16 kPa；

發動機：10.29～13.23 kW（14～18 ps）；

底盤承重：2～3 t；

行走速度：0～5 km/h。

2 履帶式自走包膜機底盤的主要部件設計

2.1 動力傳動系統的設計

2.1.1 傳動系統的設計

動力傳動系統的核心結構為靜液壓—機械驅動，它是一種將靜液壓技術與機械式驅動橋相結合的履帶動力底盤驅動方式。傳動系統的工作原理如圖2，發動機設在機架上，發動機的傳動軸與大皮帶輪聯接，小皮帶輪通過皮帶與大皮帶輪聯接，小皮帶輪通過傳動花鍵軸連接到靜液壓變速器（HST）及變速橋與驅動相聯接，驅動輪帶動機架行走。

由于一般作業工況為室外農田作業，環境復雜且外界負荷容易波動，因此自走底盤需要實時的改變合適的轉速和扭矩，以保證良好的動力性和工作性。傳統機械變速結構復雜，操作困難，所以本機則采用了靜液壓傳動方式如圖3所示，該傳動方式有傳動連續、動力平穩、調速范圍大、操縱簡單等優點。

2.1.2 發動機選型設計

發動機工作時，動力輸出軸把動力傳遞給與其連接的皮帶離合器，再通過HST傳遞給機械橋，通過左右驅動輪與履帶齒槽相嚙合帶動履帶運動。履帶相對于農田土壤有一定的運動趨勢，這時會受到農田土壤給履帶的反作用力，當該作用力可以克服行駛阻力時，履帶就會聯動整機在地面上正常行駛。行駛阻力通常由兩部分組成：外部行進阻力和內部摩擦阻力。

（1）外部行進阻力F1，即土壤受到履帶擠壓而產生的變形阻力。因外部行進阻力F1與履帶底盤總重G1和外部變形阻力系數f1有關，根據工況查表可知，f1為0.1。

（2）內部摩擦阻力F2，大體可分為驅動輪和履帶的嚙合摩擦力，以及承重輪、張緊導向輪和過渡輪與履帶之間的滾動摩擦力等。根據經驗公式，可知內摩擦系數f2一般可取 0.05～0.07。因為本機采用少支點，輕載荷的設計結構，故內部摩擦力相對較少，取f2=0.06。

通過計算可選發動機的功率為13 kW，為了兼顧效率、性價比、使用壽命、工作環境等因素，一般農用機械發動機均為柴油發動機。

2.2 操作系統的設計

操作系統是由左右轉向機構、副變速機構、行駛離合制動機構、行駛無級變速、油門機構等組成。

制動和轉向是履帶式自走包膜機平穩安全行使的保證，該機采用左右拉桿控制機械橋上的左右驅動輪制動扳手。轉向時將左右轉向桿分別向后拉，帶動左右橫軸旋轉，從而使連桿運動，帶動左右驅動輪制動扳手的運動，使得一方驅動輪停止工作，另一個處于工作狀態從而帶動履帶式自走包膜機實行轉向動作。當然如果同時拉動雙桿向后運動，使兩側驅動輪停止轉動，履帶式自走包膜機停止行走或轉向。

左右轉向機構由左轉向拉桿、右轉向拉桿、左側橫軸、右側橫軸、左側連桿、右側連桿、左驅動輪制動扳手、右驅動輪制動扳手等部件組成，如圖4所示。

2.3 行走驅動系統的設計

行走驅動系統是運動行駛的執行部分，履帶底盤是履帶式自走包膜機的行走部件，它對整個履帶式自走包膜機起著支撐作用。履帶采用橡膠材質，這樣可以使包膜機牽引力更大，接地比壓更小，較適合重負荷作業。同時橡膠履帶對田間土壤的壓實和土層的損壞程度較輕，應用廣泛，尤其特別適合在小地塊中的低、濕地作業，綜合利用程度較高。 橡膠履帶的布局結構采用戰車型，前后具有離地角，重視行駛性的類型，對爬坡過埂有著特別的優勢，這對于農田土地不平整有著很強的適應能力。

履帶行走驅動機構主要由驅動裝置、行走裝置、張緊裝置及支承架等組成。其中驅動裝置主要包括機械橋箱和驅動輪；行走裝置采用四輪一帶結構，包括：驅動輪、承重輪、張緊導向輪、過渡輪、履帶以及相關配件等；為了使履帶接地壓力分布更加均勻，采用兩個支重輪與導軌配套成組設計；為了調節履帶的張緊度，還需設置張緊裝置，履帶行走裝置結構見圖5所示。

橡膠履帶要保持適當的松緊度，如過松容易跳齒掉帶，過緊影響使用壽命。合適的張緊度為用手下壓20～30 kg力能使履帶下垂15～20 mm為宜。

2.4 車架輔件系統的設計

本文設計的履帶式自走包膜機底盤由于行駛速度較低（≤8 km/h ），考慮到底盤行駛過程中抗緩沖能力要求較低，所以采用整體式結構設計，車架與底盤組成一體式車身，如圖6所示。履帶式自走包膜機底盤左右兩端的固定槽鋼上安裝所有的承重輪、張緊導向輪、導軌和張緊裝置等。履帶上方為預留包膜設備放置區域，機架后方放置各種功能裝置，包括：發動機及其附屬件、散熱水箱、電瓶組、油箱、液壓油箱、傳動裝置、座位和包膜控制部分等等。機架是履帶式自走包膜機的核心部件，其結構設計充分需要考慮到每個零部件的安裝、定位和調節，參數的確定貫穿于整個履帶機的設計過程。

3 結論

本文主要是從履帶式自走包膜機底盤的四個系統入手，通過使用SolidWorks三維軟件對整機進行了結構設計，以及重要部分的建模分析。一方面確定了履帶式自走包膜機底盤的工作原理以及整體結構，另一方面也完成了對關鍵部件的結構布置及校核干涉等情況。對履帶式自走包膜機底盤的研究，其主要的目的是給青貯飼料圓捆包膜機提供一個自走平臺，解放大型動力農機的使用，使得裝載、包膜、搬運三個功能合一，為小地塊農田作業提供了先進的解決方案，以及進一步提高了青貯飼料圓捆包膜效率。

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