高强度农业机械履带式底盘张紧机构的设计研究

蒋瑞斌

（湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410127）

1 引言

湖南是一个农业和农业机械制造大省，虽然多山多水、地理环境复杂，但农业机械化水平仍在不断提高。在凹凸不平的道路、碎石地面以及泥泞的作业场地等普通运输车辆无法或者不适合通行的条件下，为克服恶劣作业环境和多变路况的不利影响，农户通常选用带有履带式底盘的农业机械，如履带式收割机、履带式拖拉机和履带式运输车等。采用履带式底盘，具有着地面积大、压强小、与地面粘着力强、牵引性佳、地面支持性与驱动性良好等优点。履带式底盘农业机械对土壤的压强小，仅为轮式拖拉机的十分之一左右，大大降低了因机械化作业对土壤造成的破坏程度。在农业机械化生产中，选用履带式农业机械，可有效缓解轮式农业机械碾压造成的土壤板结问题，保护了土壤耕作层，缩短了土壤的自我修复周期，有利于土地的可持续耕作。

履带张紧装置是履带式底盘的重要组成部分，其性能好坏直接影响履带式农业机械的行驶性能。在实际使用过程中，现有的履带张紧装置存在诸多问题。履带式农业机械的工作环境一般较复杂恶劣，导致履带张紧装置容易发生堵塞；一旦履带张紧装置发生堵塞，则需要工作人员对其进行拆装维修，而现有张紧装置的拆装又不够方便。现有履带张紧装置的结构稳定性不高，导致张紧效果大大降低。现有的履带通常被设计为刚性固定，在遇到冲击或者过沟过坎时因无缓冲功能往往直接导致其使用寿命缩短，尤其是对橡胶履带的影响更加明显；一旦履带被损坏只能将其更换，如果是坏在田间难以维修则受到的损失将会更大，因此，课题组围绕安全可靠性、操作舒适性、环保节能等方面对履带式底盘进行了研究。根据湖南省对农业机械发展的要求，针对现有农业机械底盘故障率高、拆装维修困难等问题，本文创新设计了高强度农业机械履带式底盘张紧机构，能适应复杂多变的路况，满足农业机械安全可靠行走的要求，对提高农业机械底盘的安全性、稳定性以及维护保养的便捷性具有非常现实的意义。

2 国内外研究现状

20世纪初履带式底盘在坦克上被成功应用。随着科技的发展，履带式底盘出现了大量变型产品，分别被应用于农业机械、挖掘机、推土机、掘进机、智能机器人等设备。关于履带式底盘的研究成果也越来越多。

在国外，1989年EVANS和GOVE公布了一种橡胶履带与一种四轮驱动拖拉机在硬地面和已耕地上牵引性能的实验结果。在相同的底盘结构情况下，橡胶履带的牵引效率与动态牵引比更高。目前，日本、欧美等国家的科研人员在履带式行走底盘方面进行了较为深入的研究。国内一些大、中型设备所需履带式底盘主要依靠进口。

在国内，鲁鸣、沈文龙完成了电动农业车辆履带式底盘设计研究，指出履带式车辆拥有对土壤的单位面积压力小、对土壤的附着性能好等优点并被广泛用于农业机械[1]。司癸卯等进行了轮履式复合底盘结构设计与有限元分析，运用SolidWorks建立了三维模型，运用Ansys Workbench对轮式底盘模块车架进行了有限元分析，得到了应力、应变云图，完成了强度、刚度校核。结果表明，轮履式复合底盘结构设计合理，满足工程施工要求[2]。李斌等人进行了农用履带式底盘技术及衍生产品的研究，说明在松软的耕地上，履带式农业机械的通过性、适应性比轮式农业机械更强。在恶劣天气条件下的潮湿泥泞土地上作业时，履带式农业机械的优势明显，其作用甚至是不可替代的[3]。闫清东等对履带行走机构进行坡道转向特性研究，推导出转向所需的制动力和牵引力随履带车辆方位角变化的关系，分析了坡道转向时内外侧履带所需制动力和牵引力的变化规律，指出了导致履带车辆坡道转向的不稳定因素[4]。龚计划以小型挖掘机履带行走机构为研究对象，通过采用经验公式和对比同类产品的设计参数，确定了履带行走机构的关键设计参数，并采用参数化方法对履带行走机构主要零部件进行了设计[5]。目前市场上部分履带式农业机械产品在电气控制以及机械结构上采用了调平系统，大大提高了对极限工况的适应能力[6-8]。采用带有自动调平功能的履带式底盘，降低了农业机械在纵坡和横坡作业时倾翻的风险，提高了附着力和通过性。

3 高强度履带式底盘的结构设计

根据农业机械对其底盘的功能要求，结合其作业特点和作业环境，优化设计一种新型高强度履带式底盘，能解决目前存在的诸多问题[9-12]。

如图1所示，本文设计的高强度履带式底盘主要包括：设置有张紧轮梁的车架、设置在车架上的张紧机构以及固定在车架两侧通过张紧机构张紧的履带。

张紧机构主要包括：安装于张紧轮梁上的导套、内穿于导套并可沿导套移动的张紧杆。张紧杆的一端连接一个张紧板，张紧板上穿设一个张紧螺栓，张紧螺栓与张紧板螺纹连接，张紧轮梁上开有通孔且通孔的一侧设有固定螺母，张紧螺栓穿过所述通孔并与固定螺母螺纹连接；张紧杆的另一端连接有夹持块，夹持块被夹持在张紧轮的轮轴上；张紧杆上穿设有缓冲弹簧，缓冲弹簧的一端抵接于导套的端部，另一端抵接于张紧板上。

此外，夹持块上开设有夹持通槽，张紧轮的轮轴穿设在夹持通槽内，在张紧轮的轮轴上、夹持块的外侧设有夹持螺母。在张紧轮梁上安装有两根平行导套，在两根导套内各穿设有一个张紧杆，两根张紧杆分别位于张紧板的两端，张紧螺栓位于张紧板的中部，两根张紧杆的另一端均连接有夹持块，两个夹持块分别被夹持在所述张紧轮的两侧。

车架两侧的前后端均设置有张紧轮梁，张紧轮梁上均设置有张紧机构。在车架下端设置有X形支撑架，支撑架有四个固定端，四个固定端分别固定于张紧机构的张紧板上。

该履带式底盘设置有缓冲结构，可将履带承受的冲击力转移一部分给车架结构，降低了对履带的损伤。该设计具有拆装方便、结构稳固、不易发生堵塞的优点。

该履带张紧装置的夹持块上开设有固定孔且孔内设有连接螺纹筒，张紧杆与连接螺纹筒螺纹连接。固定孔与连接螺纹筒之间设置有轴向间隙，在该轴向间隙内设置有缓冲垫片。张紧杆通过连接螺纹筒与夹持块连接，连接方便且稳固。在固定孔与连接螺纹筒之间设置有轴向间隙并在该轴向间隙内设置有缓冲垫片，可使张紧杆与夹持块之间连接具有一定的柔性，避免在张紧轮遇到撞击时出现因刚性连接导致履带松脱或断裂等情况。

在夹持块上开设有夹持通槽，将张紧轮的轮轴穿设在该夹持通槽内。在张紧轮的轮轴上、夹持块的外侧设有夹持螺母。将张紧轮的轮轴穿设在夹持通槽内并将其夹持。将夹持螺母套在轮轴上，从夹持块的外侧将夹持块与张紧轮夹紧固定，避免张紧轮松动。该夹持通槽的开口方向可以是沿夹持块水平、竖直或者倾斜的方向，但一般不应与固定孔的开口方向平行或呈锐角，以避免张紧轮在冲击力作用下从夹持通槽中滑落。优选方案为：夹持通槽设于夹持块上与固定孔相对的一侧，并且夹持通槽的开口方向与固定孔的开口方向相反。如此，可确保张紧轮无论在多大的冲击压力下均不会从夹持通槽中滑落，进一步提高了该履带张紧装置的稳固性。

在张紧螺栓上靠近张紧板的内侧设置有并紧螺母。张紧轮调整张紧后，向张紧板一侧旋紧该并紧螺母，可将张紧螺栓与张紧板锁紧，防止张紧螺栓松动，进一步提高结构的稳固性。在张紧轮梁上平行安装有两根导套。该两根导套内各穿设有一根张紧杆，两根张紧杆分别连接于张紧板的两端。张紧螺栓连接于张紧板的中部，两根张紧杆的另一端各连接有一块夹持块，两个夹持块分别夹持在张紧轮的两侧。如此，可使该履带张紧装置受力更加均衡，更进一步提高了该履带张紧装置的结构稳固性和张紧效果。张紧轮梁设置为两根，两个导套均固定穿设安装在两根张紧轮梁上，可使结构更加稳固。张紧螺栓与两根张紧杆平行、处于同一平面内，可使受力更均衡。

高强度履带式底盘的主要参数如表1所示，底盘总质量为1000 kg，底盘离地间隙在240～360 mm范围内可调，动力为汽油机，功率为11 kW。

表1 底盘主要参数

4 应用和结论

课题组采用所设计的高强度履带式底盘设计了一台新的履带式运输车。如图2所示，将该运输车与市场现有的履带式底盘运输车进行了对比试验，收集试验数据并进行分析处理。试验结果表明，所设计的高强度履带式底盘能满足使用要求。

与现有技术相比，本设计的主要特点为：设计了缓冲结构，可将履带承受的冲击力转移一部分给车架结构，有效减轻了对履带的损伤；在张紧轮梁上安装导套，在导套内穿设可沿导套伸缩的张紧杆，将张紧杆的一端连接张紧板、另一端连接夹持块，张紧板上连接张紧螺栓，张紧螺栓穿过张紧轮梁并与固定螺母螺纹连接；将张紧轮梁固定安装在履带式运输车上，通过张紧螺栓调节张紧板与张紧轮梁之间的距离，可调节张紧轮的伸出距离并使履带张紧，与张紧板、固定螺母连接的张紧螺栓可防止张紧杆回退；该履带式底盘拆装方便、结构稳固且不易发生堵塞，张紧效果好。

将所设计的高强度履带式底盘应用于农业机械，能有效提高行驶安全性和结构稳定性，减少履带磨损，降低故障率，且便于检测与维修。本研究能为设计开发各种新型农业机械提供一个良好的底盘，具有良好的社会价值和经济价值。