履带式自走包膜机底盘的研究

吴昊

摘 要：针对目前我国青贮饲料产业使用的青贮饲料包膜设备，设计一种适合小地块作业，且结构紧凑的通用型履带自走底盘。主要通过三维软件SolidWorks对自走底盘的整体结构进行设计，并且对关键部分进行设计及三维建模。实现青贮饲料包膜工作的高效率化、高自动化、高灵活性等。

关键词：履带自走底盘；包膜机；SolidWorks

中图分类号：S2202 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.08.008

0 引言

近年来随着我国农业政策的改革，确定了以调节粮食结构，种养结合，大力发展畜牧业的方针政策，而畜牧业是衡量一个国家农业发展水平的重要标志。畜牧业不仅对促进种植业有着重要作用，还能促进农业内部的产业结构合理化以及对农业废料的正常循环有着天然优势。所以在国家的大力推动下，饲料业也在飞速发展，而青贮饲料是作为一种主要用于喂养反刍动物的优质饲料，它主要是由含水量大的植物和其他饲料，经过严格的密封，通过厌氧乳酸菌进行发酵而形成的。有着比新鲜饲料耐储藏，且营养成分强于干饲料等优点。所以，目前在农业上得到了广泛的应用。

对于青贮饲料的制作，目前主要形式可分为两种方式。第一种，窖贮。用红砖垒墙并抹上水泥制作U型围墙，并且地面需要水泥强化，然后将青贮原料堆放压实后，再用较厚的黑色塑料膜封严，一般用旧轮胎进行平铺压盖，四周挖出排水沟排水。这种方式简单易学，但需要大量场地，并且一旦覆盖塑料膜破损，会使青贮饲料全都腐烂造成损失，并且每次开窖取料也会造成损失。另外一种是包膜贮藏。主要是通过机械设备把青贮饲料进行打捆，一般是打成1 m×1 m左右的圆捆，再对圆捆进行包裹塑料膜的处理。这样的圆柱形青贮包具有节省空间、贮藏地点灵活、营养丰富、利于贮存、操作简便等优点。目前，青贮饲料包膜机以拖拉机为动力来源的悬挂式为主，这种设备对于小型地块、小产量等经济型农场并不适用，因此，设计一种适合小地块作业，且结构紧凑的通用型履带自走底盘，一方面可以满足青贮饲料包膜的需求，另一方面也可以自行行走，不用再连接拖拉机进行驱动，这样大大提高了经济性。

1 履带式自走包膜机底盘的总体设计

1.1 总体结构

履带式自走包膜机底盘的总体结构如图1所示，该底盘主要可以分为行走驱动系统、动力传动系统、操作系统，以及车架辅件系统四部分组成。其中，行走驱动系统主要包括履带、驱动轮、张紧轮、承重轮等部分组成，主要作用是连接承载包膜部分，为包膜部件提供稳定的工作平台，并且负责主要行驶运动的功能。动力传动系统主要由发动机、机械桥、HST（静液压传动装置）等部分组成，负责把发动机的动力输送到每个部分，是整个设备的动力源泉。而操作系统，则是由钥匙门、换挡杆、方向杆、行驶手柄等部分组成，主要作用是操控自走底盘，使设备能够顺利的进行前进、转弯、换速等操作，保证设备可以灵活适用各种工况。最后的车架辅件系统则是由车架、前挡风、液压油箱等部件组成，主要是为行驶作业和包膜作业提供辅助功能，确保设备在作业状态或行驶状态时的稳定。

1.2 工作原理

履带式自走包膜机底盘在工作时，动力部分主要是从柴油机获得动力，并在此处分成两部分分别输出，一部分直连一个液压齿轮泵，主要通过液压系统为连接的包膜机构工作部分提供动力；另一部分则通过皮带与HST连接，同时HST与机械变速桥箱直连，HST可实现整机在一定范围内无级变速及负载换挡，最后通过变速桥箱分别传递给履带左右两个驱动轮，使得驱动履带运动，从而底盘得以完成正常的行驶工作。

操控部分主要可分为控制行驶、控制转弯、改变车速三个方面，其中控制行驶是通过行驶手柄来控制HST，这样会使设备可以通过无级变速来完成前进、停止、后退的行驶动作。控制转弯是通过操作左右方向杆，来实现控制机械桥上左右驱动轮的转动和停止，通过控制两个驱动轮的转速，使得两个履带出现速度差，从而实现左右转向，这种方式可以使得转向平稳且易于操作。改变车速则是通过转换换挡杆挡位的方式，实现设备在包膜时低速调位与行驶时需要高速的工作模式，换挡杆主要是连接到机械桥上，通过机械桥中的差速装置改变转速。

1.3 技术参数

平均接地压：13～16 kPa；

发动机：10.29～13.23 kW（14～18 ps）；

底盘承重：2～3 t；

行走速度：0～5 km/h。

2 履带式自走包膜机底盘的主要部件设计

2.1 动力传动系统的设计

2.1.1 传动系统的设计

动力传动系统的核心结构为静液压—机械驱动，它是一种将静液压技术与机械式驱动桥相结合的履带动力底盘驱动方式。传动系统的工作原理如图2，发动机设在机架上，发动机的传动轴与大皮带轮联接，小皮带轮通过皮带与大皮带轮联接，小皮带轮通过传动花键轴连接到静液压变速器（HST）及变速桥与驱动相联接，驱动轮带动机架行走。

由于一般作业工况为室外农田作业，环境复杂且外界负荷容易波动，因此自走底盘需要实时的改变合适的转速和扭矩，以保证良好的动力性和工作性。传统机械变速结构复杂，操作困难，所以本機则采用了静液压传动方式如图3所示，该传动方式有传动连续、动力平稳、调速范围大、操纵简单等优点。

2.1.2 发动机选型设计

发动机工作时，动力输出轴把动力传递给与其连接的皮带离合器，再通过HST传递给机械桥，通过左右驱动轮与履带齿槽相啮合带动履带运动。履带相对于农田土壤有一定的运动趋势，这时会受到农田土壤给履带的反作用力，当该作用力可以克服行驶阻力时，履带就会联动整机在地面上正常行驶。行驶阻力通常由两部分组成：外部行进阻力和内部摩擦阻力。

（1）外部行进阻力F1，即土壤受到履带挤压而产生的变形阻力。因外部行进阻力F1与履带底盘总重G1和外部变形阻力系数f1有关，根据工况查表可知，f1为0.1。

（2）内部摩擦阻力F2，大体可分为驱动轮和履带的啮合摩擦力，以及承重轮、张紧导向轮和过渡轮与履带之间的滚动摩擦力等。根据经验公式，可知内摩擦系数f2一般可取 0.05～0.07。因为本机采用少支点，轻载荷的设计结构，故内部摩擦力相对较少，取f2=0.06。

通过计算可选发动机的功率为13 kW，为了兼顾效率、性价比、使用寿命、工作环境等因素，一般农用机械发动机均为柴油发动机。

2.2 操作系统的设计

操作系统是由左右转向机构、副变速机构、行驶离合制动机构、行驶无级变速、油门机构等组成。

制动和转向是履带式自走包膜机平稳安全行使的保证，该机采用左右拉杆控制机械桥上的左右驱动轮制动扳手。转向时将左右转向杆分别向后拉，带动左右横轴旋转，从而使连杆运动，带动左右驱动轮制动扳手的运动，使得一方驱动轮停止工作，另一个处于工作状态从而带动履带式自走包膜机实行转向动作。当然如果同时拉动双杆向后运动，使两侧驱动轮停止转动，履带式自走包膜机停止行走或转向。

左右转向机构由左转向拉杆、右转向拉杆、左侧横轴、右侧横轴、左侧连杆、右侧连杆、左驱动轮制动扳手、右驱动轮制动扳手等部件组成，如图4所示。

2.3 行走驱动系统的设计

行走驱动系统是运动行驶的执行部分，履带底盘是履带式自走包膜机的行走部件，它对整个履带式自走包膜机起着支撑作用。履带采用橡胶材质，这样可以使包膜机牵引力更大，接地比压更小，较适合重负荷作业。同时橡胶履带对田间土壤的压实和土层的损坏程度较轻，应用广泛，尤其特别适合在小地块中的低、湿地作业，综合利用程度较高。 橡胶履带的布局结构采用战车型，前后具有离地角，重视行驶性的类型，对爬坡过埂有着特别的优势，这对于农田土地不平整有着很强的适应能力。

履带行走驱动机构主要由驱动装置、行走装置、张紧装置及支承架等组成。其中驱动装置主要包括机械桥箱和驱动轮；行走装置采用四轮一带结构，包括：驱动轮、承重轮、张紧导向轮、过渡轮、履带以及相关配件等；为了使履带接地压力分布更加均匀，采用两个支重轮与导轨配套成组设计；为了调节履带的张紧度，还需设置张紧装置，履带行走装置结构见图5所示。

橡胶履带要保持适当的松紧度，如过松容易跳齿掉带，过紧影响使用寿命。合适的张紧度为用手下压20～30 kg力能使履带下垂15～20 mm为宜。

2.4 车架辅件系统的设计

本文设计的履带式自走包膜机底盘由于行驶速度较低（≤8 km/h ），考虑到底盘行驶过程中抗缓冲能力要求较低，所以采用整体式结构设计，车架与底盘组成一体式车身，如图6所示。履带式自走包膜机底盘左右两端的固定槽钢上安装所有的承重轮、张紧导向轮、导轨和张紧装置等。履带上方为预留包膜设备放置区域，机架后方放置各种功能装置，包括：发动机及其附属件、散热水箱、电瓶组、油箱、液压油箱、传动装置、座位和包膜控制部分等等。机架是履带式自走包膜机的核心部件，其结构设计充分需要考虑到每个零部件的安装、定位和调节，参数的确定贯穿于整个履带机的设计过程。

3 结论

本文主要是从履带式自走包膜机底盘的四个系统入手，通过使用SolidWorks三维软件对整机进行了结构设计，以及重要部分的建模分析。一方面确定了履带式自走包膜机底盘的工作原理以及整体结构，另一方面也完成了对关键部件的结构布置及校核干涉等情况。对履带式自走包膜机底盘的研究，其主要的目的是给青贮饲料圆捆包膜机提供一个自走平台，解放大型动力农机的使用，使得装载、包膜、搬运三个功能合一，为小地块农田作业提供了先进的解决方案，以及进一步提高了青贮饲料圆捆包膜效率。

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