基于多模塊換裝的農用履帶動力平臺設計

陳　斌，劉　奇，鄒　鑫，孫超然，肖名濤

基于多模塊換裝的農用履帶動力平臺設計

陳斌，劉奇，鄒鑫，孫超然，肖名濤

(湖南農業大學機電工程學院，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機具是針對農業機械季節性強，年有效作業時間短，不同類型的作業機械時間重合度低等特性而研發的。在設計這型易于在履帶動力平臺上上拆卸或組裝的多模塊農機具過程中，設計團隊論證了通過中間車架實現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、闡明了基于輔助機構實現模塊互換的可能性，最后通過虛擬樣機技術，論述了不同模塊間的互聯過程。該型動力平臺通過多模塊互換技術，在單一履帶動力平臺的基礎上，可形成履帶式旋耕機、履帶式收割機和履帶式運輸車等多種產品，實現大宗農業機械裝備在基于動力平臺上的條件下一機多用，對減少農業機械的閑置浪費，提高農用資源的利用率意義重大。

多模塊；履帶；動力平臺；互換

由于農業生產過程的復雜性，一種農業機械很難完成耕整地、種植、田間管理、收獲、運輸等多個作業環節，這就導致了即使是單一農作物的全程機械化生產，也需要使用到各種不同的機械。以南方水田主要種植的水稻作物為例，在水稻大田全程機械化生產方面，主要有水田機械化耕整地、機插秧或機直播、機械化田間管理、機械化收獲和運輸五個環節。這五個環節分別需要使用到五種不同的機械，即拖拉機、插秧機或直播機、植保機、收割機和運輸車，這五種機械的功能和結構差異巨大，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、收割機和運輸車的底盤通常為履帶式動力底盤，插秧機或直播機、直播機為水田輕型底盤[3～5]。插秧機或直播機、植保機的底盤基本上可以通用；耕整地、收獲和運輸環節復雜，其動力底盤的通用性很差，主要表現在在耕整地環節使用的旋耕機、鏵式犁常采用履帶拖拉機驅動或履帶式旋耕機直接驅動，收割機和運輸車采用專用的履帶底盤驅動[6]。

由于單臺農機設備的功能單一，一年之中實際作業時間極短，大部分時間處于閑置狀態，導致購機資金占用大、維修保養成本高。特別對于南方丘陵地區，由于其地形高低起伏，田塊分散，單個農業機械所服務的農田面積相較于北方更小，每年的實際作業時間更短，閑置時間更長[7]。這種情況不但造成了生產資料的嚴重浪費，對農業機具的保養維護也提出了挑戰。很多農業機械由于作業后的養護不及時、不完善，造成第二年的功耗增加，作業性能下降，甚至作業中途突然出現停機等現象，直接影響農業生產效率，打擊了農民對農業生產的積極性。為了改變履帶式農機裝備在實際使用過程中存在的此類問題，本課題組設計并論證了一種基于多模塊換裝的農用履帶動力平臺。

1　模塊化設計方法

在農業機械動力平臺中，拖拉機通過三點懸掛可掛載不同的工作機具，實現了一機多用，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模塊，一般功能單一、整備質量小，對復雜的工作機具換裝適應性差，尤其是不適合收割機模塊的換裝，因此若要將收割機模塊化，就需要尋求更優化的換裝形式。

1.1　總體介紹與實現

通過把履帶式旋耕機、履帶式收割機和履帶式運輸車分別分解為履帶式旋耕機=履帶式動力底盤模塊+旋耕機模塊；履帶式收割機=履帶式動力底盤模塊+收割機模塊；履帶式運輸車=履帶式動力底盤模塊+車廂模塊。通過專用的模塊化設計，將履帶式旋耕機、履帶式收割機和履帶式運輸車優化為：履帶式動力底盤模塊+旋耕機模塊、收割機模塊、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構模塊換裝，從而實現一機多用。

1.2　履帶通用動力平臺設計

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

1　駕駛室；2　發動機；3　發動機動力輸出軸；4　車架；5　履帶行駛裝置；6　傳動系統。

1.3　換裝模塊設計

換裝模塊主要有旋耕機模塊、收割機模塊和車廂模塊，如圖2所示。這些模塊相對于現有機具的主要差別有以下2個。①操作機構差別：這些模塊的操作機構都集成在模塊上，模塊組裝后，操作機構位于通用動力平臺的操作機構附近。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、液壓系統及其他裝置運動。

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

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

2　換裝過程設計與實現原理

多模塊農用履帶動力平臺和現有農用動力平臺的主要區別為換裝的過程?，F有動力平臺通過三點懸掛來實現不同模塊的掛接，而多模塊農用履帶動力平臺采用不同模塊的裝載換裝。多模塊農用履帶動力平臺能通過裝載不同模塊實現一機多用。

2.1　基于中間車架的換裝裝置設計

以旋耕機模塊為例，為了便于換裝，課題組設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模塊上，設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構，在鎖止器的作用下，實現全向鎖止。

1　旋耕機模塊；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設計

為了承載不同的模塊，動力平臺就需要設計為通用平臺。不同的模塊的功能差異很大，為了實現便捷的換裝，就需要將動力傳動裝置的結合機構設計的盡量簡單。如圖4所示，以旋耕機模塊為例，其動力輸入的結構與原理為：發動機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通過皮帶傳遞至液壓系統的液壓泵，其另一端通過離合器從動輪輸出而驅動旋耕機。因此，旋耕機模塊的液壓系統的動力不受傳動箱中的離合器控制，液壓升降機構的操控不受旋耕機是否轉動的影響。如果傳動箱上設置有檔位調節機構，還可以設置旋耕機模塊檔位操作手柄。

1　離合器操作手柄；2　液壓升降調節手柄；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；8　中間車架；9　液壓元件。

2.3　基于輔助機構的換裝過程實現

為了實現不同模塊換裝，最便捷的方式是采用起重機械吊裝更換模塊，但是采用起重機械換裝成本高，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，即可實現模塊的拆卸，其組裝過程與之剛好順序相反。

1　收割機模塊；2　換裝輔助裝置；3　升降機構；4　平移機構。

換裝輔助裝置應至少具有在Z軸上上升和下降和在X、Y軸上移動的功能，即可以實現升降和平移。通過升降功能可以實現換裝模塊與通用平臺的分離和結合；通過平移功能可以實現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。換裝后的履帶式運輸車、履帶式收割機和履帶式旋耕機如圖6所示。

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

3　虛擬樣機試驗

為了驗證前文的結構設計是否正確，方案是否可行，課題組運用SolidWorks三維設計軟件，設計三維樣機，并進行結構安裝與運動狀況校驗。

3.1　SolidWorks虛擬樣機設計

采用SolidWorks軟件，設計了通用動力平臺、運輸車模塊、旋耕機模塊和收割機模塊的三維圖形，通過三維建模設計，檢驗不同模塊安裝后是否與通用動力平臺產生接觸干涉，操作機構是否布置合理等，其最終效果圖如圖7所示。

圖7　虛擬樣機效果圖

3.2　Solidworks虛擬樣機模塊化互換設計

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換裝的可能性，換裝(履帶收割機裝配)的步驟與實現過程如圖8所示。

圖8　基于SolidWorks的虛擬樣機模塊互換過程驗證

4　結語

采用合理的設計方案和換裝方案可以實現履帶旋耕機、履帶收割機和履帶運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業機械裝備的能力。通過簡易的換裝輔助裝備實現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多用性能，減少履帶農機裝備的閑置浪費，利國利民。

[1] 羅錫文,王在滿,曾山,等.水稻機械化直播技術研究進展[J].華南農業大學學報,2019,40(5):1-13.

[2] 白學峰,魯植雄,常江雪,等.中國農業機械化現狀與發展模式研究[J].農機化研究,2017,39(10):256-262.

[3] 謝斌,武仲斌,毛恩榮.農業拖拉機關鍵技術發展現狀與展望[J].農業機械學報,2018,49(8):1-17.

[4] 白學峰,楊浩勇,常江雪.履帶拖拉機發展現狀分析與發展建議思考[J].拖拉機與農用運輸車,2017,44(6):1-4，6.

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

[6] 李建啟.國內拖拉機關鍵技術發展現狀[J].拖拉機與農用運輸車,2018,45(2):1-4,7.

[7] 王志超,史金鐘,楊柯.可轉換輪履帶拖拉機現狀及發展[J].拖拉機與農用運輸車,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，主要研究方向為機械創新設計及理論。

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

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立