山地小型播種機履帶底盤的設計

河北農業大學機電工程學院 霍倩 趙樹朋 宋佳旭 馬志凱 王磊

前言

我國丘陵山區地形復雜，耕地面積狹小，根據作業環境的分析，底盤的尺寸不宜過大，轉彎半徑要小，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、播種裝置結構簡單，便于日常維護和修理。本文設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電源來實現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動輪運動，實現底盤的行駛與轉向；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 履帶結構的方案設計

履帶的結構是決定履帶底盤通過性與穩定性的重要因素，本設計選用梯型履帶結構，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。以下是對梯形結構的履帶進行翻越障礙和跨越壕溝兩種工況的力學分析，根據理論力學的要求，進行如下假設：

（1）重心在機構的幾何中心。

（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。

根據假設要求設置參數，設履帶接地長度為L1，行走裝置的中心高度為H，梯型履帶驅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，當其履帶中心作用線到達壕溝前沿后，底盤前身會向壕溝內傾斜，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 為履帶行走機構運動的幾何關系，據此可以計算出履帶行走機構的最大跨越壕溝寬度。

圖1 梯型履帶行走機構跨溝運動幾何模型

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構的底盤通過性的特點。

2 車架的設計與研究

車架是履帶底盤承受外部沖擊與自身重力的載體，分析其靜置狀態的受力與變形情況，進而得出車架最大變形量，應力分布等力學性能，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，其空心結構有利于減輕整車質量；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，所以框架的網格單元選擇三維變形體單元適應性更高[3]，其中，網格劃分格數為84019 個，總節點數為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，載荷數量2，減速電機減速器模塊為300N，載荷數量2，電機控制器為20N，載荷數量2，電池組為500N，載荷數量1，電動推桿與播種裝置為500N，載荷數量2。

圖3 框架的分布載荷示意圖

2.2 靜力學結果分析

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

圖4 車架受力位移云圖

圖5 車架應力圖

分析圖4 和圖5 得出的結果，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格較小，板材較薄。底盤最大變形量為0.1169mm，最大應力為25.72MPa。整體車架框架的形變量和應力變化不是很明顯，車架框架滿足設計要求[5]。

2.3 車架的優化改進

車架的優化改進需要選擇適當的構造、輕質材料、連接技術、盡可能準確的設計以及可實現的制造工藝[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 規格角鋼加強筋，焊接加強筋的優點可以加強安裝板的承載能力，減少安裝板后續的變形。

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

圖6 優化后車架受力位移云圖

圖7 優化后車架應力云圖

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

3 結論

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性能的分析，確定選擇梯型履帶行走結構；在確定履帶底盤結構的基礎上，通過對履帶底盤的車架框架結構的靜力學分析，仿真得到車架框架的受力位移變形云圖和應力云圖，并對車架進行輕量化設計。