高強度農業機械履帶式底盤張緊機構的設計研究

蔣瑞斌

（湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410127）

1 引言

湖南是一個農業和農業機械制造大省，雖然多山多水、地理環境復雜，但農業機械化水平仍在不斷提高。在凹凸不平的道路、碎石地面以及泥濘的作業場地等普通運輸車輛無法或者不適合通行的條件下，為克服惡劣作業環境和多變路況的不利影響，農戶通常選用帶有履帶式底盤的農業機械，如履帶式收割機、履帶式拖拉機和履帶式運輸車等。采用履帶式底盤，具有著地面積大、壓強小、與地面粘著力強、牽引性佳、地面支持性與驅動性良好等優點。履帶式底盤農業機械對土壤的壓強小，僅為輪式拖拉機的十分之一左右，大大降低了因機械化作業對土壤造成的破壞程度。在農業機械化生產中，選用履帶式農業機械，可有效緩解輪式農業機械碾壓造成的土壤板結問題，保護了土壤耕作層，縮短了土壤的自我修復周期，有利于土地的可持續耕作。

履帶張緊裝置是履帶式底盤的重要組成部分，其性能好壞直接影響履帶式農業機械的行駛性能。在實際使用過程中，現有的履帶張緊裝置存在諸多問題。履帶式農業機械的工作環境一般較復雜惡劣，導致履帶張緊裝置容易發生堵塞；一旦履帶張緊裝置發生堵塞，則需要工作人員對其進行拆裝維修，而現有張緊裝置的拆裝又不夠方便。現有履帶張緊裝置的結構穩定性不高，導致張緊效果大大降低。現有的履帶通常被設計為剛性固定，在遇到沖擊或者過溝過坎時因無緩沖功能往往直接導致其使用壽命縮短，尤其是對橡膠履帶的影響更加明顯；一旦履帶被損壞只能將其更換，如果是壞在田間難以維修則受到的損失將會更大，因此，課題組圍繞安全可靠性、操作舒適性、環保節能等方面對履帶式底盤進行了研究。根據湖南省對農業機械發展的要求，針對現有農業機械底盤故障率高、拆裝維修困難等問題，本文創新設計了高強度農業機械履帶式底盤張緊機構，能適應復雜多變的路況，滿足農業機械安全可靠行走的要求，對提高農業機械底盤的安全性、穩定性以及維護保養的便捷性具有非常現實的意義。

2 國內外研究現狀

20世紀初履帶式底盤在坦克上被成功應用。隨著科技的發展，履帶式底盤出現了大量變型產品，分別被應用于農業機械、挖掘機、推土機、掘進機、智能機器人等設備。關于履帶式底盤的研究成果也越來越多。

在國外，1989年EVANS和GOVE公布了一種橡膠履帶與一種四輪驅動拖拉機在硬地面和已耕地上牽引性能的實驗結果。在相同的底盤結構情況下，橡膠履帶的牽引效率與動態牽引比更高。目前，日本、歐美等國家的科研人員在履帶式行走底盤方面進行了較為深入的研究。國內一些大、中型設備所需履帶式底盤主要依靠進口。

在國內，魯鳴、沈文龍完成了電動農業車輛履帶式底盤設計研究，指出履帶式車輛擁有對土壤的單位面積壓力小、對土壤的附著性能好等優點并被廣泛用于農業機械[1]。司癸卯等進行了輪履式復合底盤結構設計與有限元分析，運用SolidWorks建立了三維模型，運用Ansys Workbench對輪式底盤模塊車架進行了有限元分析，得到了應力、應變云圖，完成了強度、剛度校核。結果表明，輪履式復合底盤結構設計合理，滿足工程施工要求[2]。李斌等人進行了農用履帶式底盤技術及衍生產品的研究，說明在松軟的耕地上，履帶式農業機械的通過性、適應性比輪式農業機械更強。在惡劣天氣條件下的潮濕泥濘土地上作業時，履帶式農業機械的優勢明顯，其作用甚至是不可替代的[3]。閆清東等對履帶行走機構進行坡道轉向特性研究，推導出轉向所需的制動力和牽引力隨履帶車輛方位角變化的關系，分析了坡道轉向時內外側履帶所需制動力和牽引力的變化規律，指出了導致履帶車輛坡道轉向的不穩定因素[4]。龔計劃以小型挖掘機履帶行走機構為研究對象，通過采用經驗公式和對比同類產品的設計參數，確定了履帶行走機構的關鍵設計參數，并采用參數化方法對履帶行走機構主要零部件進行了設計[5]。目前市場上部分履帶式農業機械產品在電氣控制以及機械結構上采用了調平系統，大大提高了對極限工況的適應能力[6-8]。采用帶有自動調平功能的履帶式底盤，降低了農業機械在縱坡和橫坡作業時傾翻的風險，提高了附著力和通過性。

3 高強度履帶式底盤的結構設計

根據農業機械對其底盤的功能要求，結合其作業特點和作業環境，優化設計一種新型高強度履帶式底盤，能解決目前存在的諸多問題[9-12]。

如圖1所示，本文設計的高強度履帶式底盤主要包括：設置有張緊輪梁的車架、設置在車架上的張緊機構以及固定在車架兩側通過張緊機構張緊的履帶。

張緊機構主要包括：安裝于張緊輪梁上的導套、內穿于導套并可沿導套移動的張緊桿。張緊桿的一端連接一個張緊板，張緊板上穿設一個張緊螺栓，張緊螺栓與張緊板螺紋連接，張緊輪梁上開有通孔且通孔的一側設有固定螺母，張緊螺栓穿過所述通孔并與固定螺母螺紋連接；張緊桿的另一端連接有夾持塊，夾持塊被夾持在張緊輪的輪軸上；張緊桿上穿設有緩沖彈簧，緩沖彈簧的一端抵接于導套的端部，另一端抵接于張緊板上。

此外，夾持塊上開設有夾持通槽，張緊輪的輪軸穿設在夾持通槽內，在張緊輪的輪軸上、夾持塊的外側設有夾持螺母。在張緊輪梁上安裝有兩根平行導套，在兩根導套內各穿設有一個張緊桿，兩根張緊桿分別位于張緊板的兩端，張緊螺栓位于張緊板的中部，兩根張緊桿的另一端均連接有夾持塊，兩個夾持塊分別被夾持在所述張緊輪的兩側。

車架兩側的前后端均設置有張緊輪梁，張緊輪梁上均設置有張緊機構。在車架下端設置有X形支撐架，支撐架有四個固定端，四個固定端分別固定于張緊機構的張緊板上。

該履帶式底盤設置有緩沖結構，可將履帶承受的沖擊力轉移一部分給車架結構，降低了對履帶的損傷。該設計具有拆裝方便、結構穩固、不易發生堵塞的優點。

該履帶張緊裝置的夾持塊上開設有固定孔且孔內設有連接螺紋筒，張緊桿與連接螺紋筒螺紋連接。固定孔與連接螺紋筒之間設置有軸向間隙，在該軸向間隙內設置有緩沖墊片。張緊桿通過連接螺紋筒與夾持塊連接，連接方便且穩固。在固定孔與連接螺紋筒之間設置有軸向間隙并在該軸向間隙內設置有緩沖墊片，可使張緊桿與夾持塊之間連接具有一定的柔性，避免在張緊輪遇到撞擊時出現因剛性連接導致履帶松脫或斷裂等情況。

在夾持塊上開設有夾持通槽，將張緊輪的輪軸穿設在該夾持通槽內。在張緊輪的輪軸上、夾持塊的外側設有夾持螺母。將張緊輪的輪軸穿設在夾持通槽內并將其夾持。將夾持螺母套在輪軸上，從夾持塊的外側將夾持塊與張緊輪夾緊固定，避免張緊輪松動。該夾持通槽的開口方向可以是沿夾持塊水平、豎直或者傾斜的方向，但一般不應與固定孔的開口方向平行或呈銳角，以避免張緊輪在沖擊力作用下從夾持通槽中滑落。優選方案為：夾持通槽設于夾持塊上與固定孔相對的一側，并且夾持通槽的開口方向與固定孔的開口方向相反。如此，可確保張緊輪無論在多大的沖擊壓力下均不會從夾持通槽中滑落，進一步提高了該履帶張緊裝置的穩固性。

在張緊螺栓上靠近張緊板的內側設置有并緊螺母。張緊輪調整張緊后，向張緊板一側旋緊該并緊螺母，可將張緊螺栓與張緊板鎖緊，防止張緊螺栓松動，進一步提高結構的穩固性。在張緊輪梁上平行安裝有兩根導套。該兩根導套內各穿設有一根張緊桿，兩根張緊桿分別連接于張緊板的兩端。張緊螺栓連接于張緊板的中部，兩根張緊桿的另一端各連接有一塊夾持塊，兩個夾持塊分別夾持在張緊輪的兩側。如此，可使該履帶張緊裝置受力更加均衡，更進一步提高了該履帶張緊裝置的結構穩固性和張緊效果。張緊輪梁設置為兩根，兩個導套均固定穿設安裝在兩根張緊輪梁上，可使結構更加穩固。張緊螺栓與兩根張緊桿平行、處于同一平面內，可使受力更均衡。

高強度履帶式底盤的主要參數如表1所示，底盤總質量為1000 kg，底盤離地間隙在240～360 mm范圍內可調，動力為汽油機，功率為11 kW。

表1 底盤主要參數

4 應用和結論

課題組采用所設計的高強度履帶式底盤設計了一臺新的履帶式運輸車。如圖2所示，將該運輸車與市場現有的履帶式底盤運輸車進行了對比試驗，收集試驗數據并進行分析處理。試驗結果表明，所設計的高強度履帶式底盤能滿足使用要求。

與現有技術相比，本設計的主要特點為：設計了緩沖結構，可將履帶承受的沖擊力轉移一部分給車架結構，有效減輕了對履帶的損傷；在張緊輪梁上安裝導套，在導套內穿設可沿導套伸縮的張緊桿，將張緊桿的一端連接張緊板、另一端連接夾持塊，張緊板上連接張緊螺栓，張緊螺栓穿過張緊輪梁并與固定螺母螺紋連接；將張緊輪梁固定安裝在履帶式運輸車上，通過張緊螺栓調節張緊板與張緊輪梁之間的距離，可調節張緊輪的伸出距離并使履帶張緊，與張緊板、固定螺母連接的張緊螺栓可防止張緊桿回退；該履帶式底盤拆裝方便、結構穩固且不易發生堵塞，張緊效果好。

將所設計的高強度履帶式底盤應用于農業機械，能有效提高行駛安全性和結構穩定性，減少履帶磨損，降低故障率，且便于檢測與維修。本研究能為設計開發各種新型農業機械提供一個良好的底盤，具有良好的社會價值和經濟價值。