農用履帶行走裝置研制

熊永森 斯劍勇 謝小兵 丁肇 王金雙 張靈華

摘要：針對農用履帶拖拉機行走裝置在濕軟土壤易下陷、行走阻力較大等的問題，結合現有農用履帶行走裝置結構，以實際工作環境為對象，采用底盤高度二個極限位置阻力與接地比壓計算分析及實驗驗證的手段，對履帶式行走裝置關鍵機構改進，得出底盤離地高度及履帶傾斜角度等姿態與液壓拉桿伸出位移之間的關系模型，分析不同接地比壓條件下的履帶前進阻力。由田間試驗與混凝土場地試驗可知，田間作業底盤高且履帶接地長度為1 450mm，接地比壓低，減少機子下陷量；混凝土場地或硬路面移動行駛底盤低，履帶接地長度最短900mm，履帶接地面積小，轉彎阻力減少64.1%。能夠更好地滿足及適應農用履帶拖拉機的實際工作需要。

關鍵詞：農用履帶；行走裝置；接地比壓；離地高度；行走阻力

中圖分類號：S232

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12008705

Development of agricultural crawler walking device

Xiong Yongsen1， 2， Si Jianyong3， Xie Xiaobing4， Ding Zhao1， 2， Wang Jinshuang1， 2， Zhang Linghua2

（1. Key Laboratory of Crop Harvesting Equipment Technology of Zhejiang Province， Jinhua， 321017， China；

2. Jinhua Polytechnic， Jinhua， 321017， China; 3. JinhuaWuchengJiufengVocational School， Jinhua， 321075， China；

4. Zhejiang Wanliyang Co.， Ltd.， Jinhua， 321025， China）

Abstract：

Aiming at the problems such as easy subsidence and large walking resistance of agricultural crawler tractor walking device in wet and soft soil， combining with the existing structure of agricultural crawler walking device and taking the actual working environment as the object， the key mechanism of crawler walking device is improved by means of calculation， analysis and experimental verification of two limit position resistance and ground specific pressure of chassis height. The relationship model between the stance of chassis and track tilt Angle and the extension displacement of hydraulic tie rod is obtained， and the forward resistance of track under different ground pressure conditions is analyzed. Field test and concrete field test show that the field operation chassis is high and the track grounding length is 1450mm， the grounding ratio is low， and the machine subsidence is reduced. The concrete field or hard road surface has a low driving chassis， the shortest track grounding length is 900mm， the track grounding area is small， and the turning resistance is reduced by 64.1%. It can better meet and adapt to the actual work needs of agricultural crawler tractors.

Keywords：

agricultural crawler; walking device; ground specific pressure; height from the ground; running resistance

0 引言

履帶式行走裝置具有接地面積大、接地比壓小、附著性能好、爬坡能力強、轉彎半徑小及跨溝越埂能力強等優點［12］，多數用于復雜地形行走及作業。其廣泛用于工程機械和農業機械等野外及丘陵地形作業，履帶與地面接觸面積是固定的，即不同土壤不同路面履帶與地面的接觸面積是一樣的，田間作業及路面行走適應性不足，針對該問題，提出設計一種適合不同土壤不同路面狀況作業與行駛可變接地比壓的履帶行走機構，減輕下陷、提高越坎爬坡時加大接近角，降低接地壓力以提高抗沉陷能力，防水田作業“泥塘化”傾向，降低作業阻力，減少油耗，促進農業生產。國內外目前針對履帶式車輛底盤方面的研究主要集中在升降及調平裝置的開發。荊博［3］提出一種聯合收獲機的多點升降履帶底盤裝置，可通過控制液壓缸伸出的不同位移改變底盤與行走系之間的高度來調節底盤的橫向及縱向姿態，有效提高了履帶式聯合收獲機對于深泥腳水田的適應性。金誠謙等［4］設計了一種履帶式聯合收獲機的全向調平底盤，該底盤由升降機構和電液控制系統組成，可實現聯合收獲機底盤傾斜時的自動與手動調平。劉恒培等［5］通過增加液壓差高機構對履帶拖拉機的行走系統進行了改進，并建立了整機質心位置隨差高機構變化的數學模型，通過實例分析出微型拖拉機的橫向穩定性增加，縱向穩定性降低。

本文在現有農用履帶拖拉機的基礎上，設計一種可變接地比壓及底盤高度的履帶行走裝置，并應用于履帶拖拉機進行了田間試驗，為減少南方水田作業“泥塘化”傾向及提高履帶拖拉機濕爛田間的作業性能提供參考。

1 整機結構與工作原理

變接地比壓履帶機構由一套履帶機構和液壓機構組成，如圖1所示。

雙向液壓缸伸出，后上擺臂、下擺臂捎著后下擺臂軸順時針轉動，后上擺臂帶動提升拉桿，使前上擺臂、下擺臂順時針轉動，是機架上機架升高并后移，后壓擺臂也隨著下擺臂順時針擺動，帶動后張緊輪，后支重輪、拖輪轉動下壓，使履帶上翹角度減小，直至壓平狀態。同時后下轉動臂也隨著下擺臂順時針擺動，使前壓推拉桿帶動前上轉動臂一段與前壓推拉桿連接。在硬路面時可操縱雙向油缸收縮，使機架降低，并使前壓擺臂、后壓擺臂同時轉動上揚，相應的履帶接地長度和面積減少，履帶行走阻力功耗降低，同時機架的降低使整機重心降低，從而增加整機的穩定性。在坑洼深泥腳軟地面時可操縱雙向油缸伸長，使機架升高，并使前壓擺臂、后壓擺臂同時轉動下壓，相應的履帶接地長度和面積增大，履帶接地比壓降低，防止整機沉陷，同時機架升高造成整機底盤升高，提高了收割機田間通過性。

2 履帶底盤離地高度

結合液壓機構伸出與收縮，確定機架下落狀態與上升狀態二個極限位置如圖2、圖3所示。

該機構是繞后下擺臂軸心點O點旋轉的機構，可以測得L1和L2的長度以及角度α，因此根據式（1）可得L3=429.5mm。

式中：

L1——后上擺臂，長度為220mm；

L2——后下擺臂，長度為240mm；

L3——雙向油缸與后上擺臂的連接軸與后下擺臂軸的連線長度；

α——后上擺臂與后下擺臂夾角的角度。

設液壓機構伸出量為X，可按式（2）計算L3繞O點旋轉的角度γ。

則機架上升距離

設原機架離地高度為h2（535.7mm），則調整后機架總高度H=h1+h2=535.67+X2/859。

在機架調整到最低狀態時，重心處于最低位置，可以使作業機在較高的工作速度時行駛更穩定，重心對于行駛起促進作用；而在田間作業或崎嶇的山路行走，提高重心位置（提高底盤高度），提高通過性及越野性。

3 變接地比壓底盤行駛阻力

機器行走時需要不斷克服阻力做功，在接地比壓不相同時，土壤的阻力跟油耗等都會發生一定的變化［69］。機器行走時需要克服土壤對履帶運行阻力Wi；不穩定運動時的慣性阻力Wg；坡道阻力Wp；風阻力Wf；轉彎阻力Wu；行走內阻力Wn等。假設機器行走穩定運動狀態，也無坡道，行走內阻力忽略，則需克服總的行走阻力Wz可簡化為

Wz=Wi+Wf+Wu（4）

以下根據浙江4LZ-1.0全喂入聯合收割機數據進行計算。

土壤對履帶運行阻力Wi是由于支承輪沿履帶滾動，履帶使土壤受擠壓和變形而引起的，則在平路上行走時

Wi=ωiG=840 kN（5）

式中：

G——收割機整體質量，取1 200kg；

ωi——運行比阻力系數。

Wf=qfF=0.977kN（6）

式中：

qf——工作狀態的風壓，取264N/m2；

F——收割機的迎風面積，取3.7m2。

為了簡化計算，假設沿履帶下分支整個長度方向上的壓力是均勻分布的，在轉彎過程中，作用在回轉點前和回轉點后的摩擦阻力大小相等，方向相反，在這種情況下，回轉點即履帶支撐面的中心。假設摩擦阻力和垂直載荷成正比，則履帶下支承面單位長度的摩擦阻力為μqpb，因此，在一條履帶上的回轉點一側的摩擦阻力

式中：

μ——轉彎時，單邊履帶完全制動情況垂直載荷和摩擦阻力的比例系數；

qp——作用在履帶支撐面上單位長度的垂直載荷；

b——履帶的寬度；

L——履帶的接地長度；

S——履帶支撐面的回轉點相對于支撐面中心位移的距離。

而回轉點另一側的摩擦阻力

回轉阻力矩

在轉彎過程中，兩條履帶克服摩擦阻力所需的功為Mmα，運行距離為rα，把摩擦阻力矩換算為相當的直線運行阻力

式中：

r——為履帶轉彎半徑。

當機架下落時，履帶與地面接觸的長度L為900mm；當機架上升時，履帶與地面接觸的長度L′=1450mm，分別代入得下落時Wu=3.9kN，上升時Wu=6.4kN。從以上計算分析可知，轉彎時，通過履帶接地長度由1450mm減少到900mm，同時底盤的高度下降，重心下降，轉彎阻力減少了64.1%，大幅度減少了轉彎阻力。

4 可變接地比壓計算

4.1 油缸液壓伸出量與支重輪位置關系

如圖3所示，在O點建立直角坐標系，在兩支重輪與履帶連接處設點p1和p2在液壓桿與后上擺臂連接處設點p2。已知點p1的坐標為（-135，-210），設p2坐標為（x1，y1），液壓伸出量X與x1y1變化之間的關系如式（11）所示。

4.2 可變接地比壓計算

履帶接地比壓是指單位接觸地面面積履帶所承受的垂直載荷，是履帶式農用機械的一個非常重要的技術指標，直接決定了農機的作業能力、通過性和工作的穩定性［1014］。

對于具有兩條履帶的農業機械來說，當工作重力與垂直外載荷所構成的合力在水平地面上的投影同履帶接地區段的幾何中心相重合時，履帶接地比壓便呈均勻分布狀態，表達式如式（12）所示。

式中：

n——履帶的數量。

因此，機架下降時，履帶的平均接地比壓為23.8kPa；機架上升時，履帶的平均接地比壓為14.8kPa。

如圖3所示，在O點建立直角坐標系，在兩支重輪與履帶連接處設點p1和p2在液壓桿與后上擺臂連接處設點p2。已知點p1的坐標為（-135，-210），設p2坐標為（x1，y1），則

x12+y12=2502（13）

隨著x1與y1的變化，p1和p2之間的距離也隨之改變。由于下陷，履帶的接地面積也隨之改變，假設p1p2段的履帶接地長度為L4，由相似三角形的性質得

則履帶的接地長度

式中：

L5——機架在抬升過程中履帶的長度；

Lm——機架抬升到極限位置履帶的長度。

把式（15）中L5值代入式（16），則履帶的可變接地比壓

綜上，從本變接地比壓履帶機構看，履帶接地比壓是隨著支重輪與履帶連接處坐標位置變化而變化，支重輪與履帶連接處坐標位置又與液壓伸出量X關系呈現式（11）函數關系。因此，通過操作液壓缸液壓伸出量X，就可簡單實現履帶的接地比壓可變。

4 試驗驗證

試驗于2022年4月20日，在永康農戶農田與浙江某公司混凝土場地上進行，選用試驗樣機為SF902型履帶拖拉機；試驗對象為甬優9號水稻，機收后留茬高度為15～25cm，莖稈含水率70.5%～75.1%。

常規履帶與變接地比壓拖拉機接地比壓在稻田與混凝土場地接地比壓見表1，在不考慮履帶與地面變形情況下，常規履帶拖拉機因與接地面積不變，接地比壓不變；而變接地比壓履帶拖拉機因履帶接地面積發生變化，可根據工作要求進行調節接地比壓。田間與水泥土場地作業及移機得出其田間作業底盤高而接地比壓小，水泥土場地行駛底盤低履帶接地面積小，水田作業通過性防陷能力好，區塊移機速度快而行駛穩定。

目前，對于履帶底盤地面行走阻力的研究中，有學者分析了地面行走阻力與履帶底盤驅動裝置結構、土壤特性和前進速度有關，推算出履帶底盤每個支重輪下履帶地面行走阻力的大小進而得到整個履帶底盤的地面行駛阻力，得出履帶底盤地面行走阻力隨著支重輪負荷和土壤下陷量增加而增加［1517］。

在水泥路上行駛時，機架整體下降，履帶接地面積減少，兩端負重輪與地面不接觸，每個負重輪載荷減小，履帶車輛地面行駛阻力變小。田間作業時，履帶的接地比壓變小時，履帶與地面的接觸面積變大，土壤阻力變大；履帶的接地比壓增大時，與地面的接觸面積變小，土壤阻力減少［1820］。履帶在水泥路與在田地間行駛時，受到的阻力作用效果相反，水泥路面履帶接觸面積越小滾動阻力越小，而在田地土壤中履帶接觸面積越小滾動阻力越大；利用這特點，可有效利用比壓減少阻力。

5 結論

1） 基于現有履帶拖拉機底盤結構，設計了由一套履帶機構和液壓機構等組成的可變接地比壓及底盤高度履帶行走裝置，機構可實現履帶接地長度增大，履帶接地比壓降低，同時機架升高整機底盤升高，有利于田間作業。

2） 進行了液壓伸出量與機架離地高度、接地比壓與土壤的行駛阻力關系、履帶底盤田間試驗等方面分析得出：在機架調整到最低狀態時，重心處于最低位置且履帶接地面積小，履帶接地長度900mm，有利于水泥路或硬路基在較高的穩定速度轉移作業行駛；而在易下陷的土壤作業或行駛時，該行走裝置履帶接地面積大（比壓小）履帶接地長度1450mm，重心高（底盤高），提高了田間作業能力、通過性及防陷能力。

參 考 文 獻

［1］ 謝新亞， 楊宛章， 朱豪杰， 等. 甘草分離與輸送裝置的設計及試驗研究［J］. 中國農機化學報， 2014， 35（6）： 183-186.

Xie Xinya， Yang Wanzhang， Zhu Haojie， et al. Design and experimental research on licorice separating and transporting device ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2014， 35（6）： 183-186.

［2］ 李松， 朱建柳， 金曉怡， 等. 可變形履帶式機器人行走機構設計及運動仿真［J］. 輕工機械， 2018， 36（1）： 29-34.

Li Song， Zhu Jianliu， Jin Xiaoyi， et al. Design and kinematic simulation of travel mechanism for reconfigurable tracked robot ［J］. Light Industry Machinery， 2018， 36（1）： 29-34.

［3］ 荊博. 履帶式聯合收獲機多點升降底盤技術研究［D］. 鎮江： 江蘇大學， 2019.

Jing Bo. Research on the technology of multi-point lifting and lowering chassis about the tracked combine harvester ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2019.

［4］ 金誠謙， 楊騰祥， 劉崗微， 等. 履帶式聯合收獲機全向調平底盤設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2020， 51（11）： 393-402.

Jin Chengqian， Yang Tengxiang， Liu Gangwei， et al. Design and test of posture controlled chassis for caterpillar combine ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（11）： 393-402.

［5］ 劉恒培， 楊福增， 劉世， 等. 差高機構對微型履帶山地拖拉機穩定性的影響［J］. 拖拉機與農用運輸車， 2013， 40（1）： 18-21.

Liu Hengpei， Yang Fuzeng， Liu Shi， et al. Effect of mechanism of height difference on stability of miniature crawler hillside tractor ［J］. Tractor & Farm Transporter， 2013， 40（1）： 18-21.

［6］ 朱志良， 龔烈航， 陳寧， 等. 非線性剪切模型下履帶車輛接地比壓分布對附著力的影響［J］. 礦山機械， 2005（11）： 32-35.

Zhu Zhiliang， Gong Liehang， Chen Ning， et al. Influence of contact pressure distribution of amphibious tracklayer to adhesive force under nonlinear cutting model ［J］. Mining & Processing Equipment， 2005（11）： 32-35.

［7］ 郭曉林， 杜傳沛. 基于模型試驗的履帶車直線行駛阻力研究［J］. 農業裝備與車輛工程， 2016， 54（8）： 47-49.

Guo Xiaolin， Du Chuanpei. Research on the linear running resistance of tracked vehicle based on model test ［J］. Agricultural Equipment ＆ Vehicle Engineering， 2016， 54（8）： 47-49.

［8］ 李騰達， 王繼仁， 張春華， 等. 橫擺截割工況掘進機履帶接地比壓分布規律［J］. 煤炭學報， 2020， 45（8）： 3006-3014.

Li Tengda， Wang Jiren， Zhang Chunhua， et al. Grounding specific pressure distribution law of track of road-header under yaw cutting conditions ［J］. Journal of China Coal Society， 2020， 45（8）： 3006-3014.

［9］ 劉彤， 許純新. 橡膠履帶車輛接地壓力分布［J］. 工程機械， 1995， 26（2）： 11-18.

［10］ 趙子涵， 穆希輝， 郭浩亮， 等. 橡膠履帶輪靜態接地壓力測試與建模［J］. 農業工程學報， 2018， 34（3）： 72-79.

Zhao Zihan， Mu Xihui， Guo Haoliang， et al. Test and modeling on static ground pressure of rubber track conversion system ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（3）： 72-79.

［11］ 遲媛， 蔣恩臣. 履帶車輛差速式轉向機構性能試驗［J］. 農業機械學報， 2008， 39（7）： 14-17.

Chi Yuan， Jiang Enchen. Performance tests on differential steering mechanism of tracked vehicle ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2008， 39（7）： 14-17.

［12］ 孫章虎. 掘進機履帶行走驅動輪的設計［J］. 煤礦機械， 2012， 33（7）： 43-44.

Sun Zhanghu. Design of driving wheel in crawler roadheader ［J］. Coal Mine Machinery， 2012， 33（7）： 43-44.

［13］ 趙文生. 履帶式行走機構設計分析［J］. 湖北農機化， 2010（4）： 56-58.

［14］ 劉海燕. 履帶行走機構的計算與選型設計［J］. 采礦技術， 2013， 13（4）： 90-93.

［15］ 丁肇， 李曜明， 唐忠. 輪式和履帶式車輛行走對農田土壤的壓實作用分析［J］. 農業工程學報， 2020， 36（5）： 10-18.

Ding Zhao， Li Yaoming， Tang Zhong. Compaction effects of wheeled vehicles and tracked on farmland soil ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（5）： 10-18.

［16］ 遲媛， 張榮蓉， 任潔， 等. 履帶車輛差速轉向時載荷比受土壤下陷的影響［J］. 農業工程學報， 2016， 32（17）： 62-68.

Chi Yuan， Zhang Rongrong， RenJie， et al. Steering power ratio affected by soil sinkage with differential steering in tracked vehicle ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（17）： 62-68.

［17］ 吳子岳， 王董測， 高亞東. 雙節式履帶機器人系統組成及運動性能分析［J］. 機械傳動， 2017， 41（8）： 118-122.

Wu Ziyue， Wang Dongce， Gao Yadong. Research of the system composition analysis of double-track tracked robot and motion performance ［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2017， 41（8）： 118-122.

［18］ 曹付義， 周志立， 賈鴻社. 履帶拖拉機液壓機械雙功率流差速轉向機構設計［J］. 農業機械學報， 2006， 37（9）： 5-8.

Cao Fuyi， Zhou Zhili， Jia Hongshe. Design of hydromechanical double power differential steering mechanism for tracked tractor ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2006， 37（9）： 5-8.

［19］ 方志強， 高連華， 王紅巖. 履帶車輛轉向功率與直駛功率對比分析［J］. 裝甲兵工程學院學報， 2005， 19（2）： 3-6.

Fang Zhiqiang， Gao Lianhua， Wang Hongyan. Comparision and analysis of the steering power and straight line motion power for tracked vehicles ［J］. Journal of Armored Force Engineering Institute， 2005， 19（2）： 3-6.

［20］ 宋海軍， 高連華， 李軍， 等. 履帶車輛轉向功率分析［J］. 車輛與動力技術， 2007， 105（1）： 45-48.

Song Haijun， Gao Lianhua， Li Jun， et al. The turn power study of tracked vehicle ［J］. Vehicle & Power Technology， 2007， 105（1）： 45-48.