山地小型播种机履带底盘的设计

河北农业大学机电工程学院 霍倩 赵树朋 宋佳旭 马志凯 王磊

前言

我国丘陵山区地形复杂，耕地面积狭小，根据作业环境的分析，底盘的尺寸不宜过大，转弯半径要小，工作灵活；播种机的工作模式和待机模式切换简捷方便；排种器、播种装置结构简单，便于日常维护和修理。本文设计了一种用于山地的小型播种机的履带底盘。山地小型播种机主要由电动履带底盘与播种装置两部分组成，履带播种机使用蓄电池供应电源来实现底盘行驶与播种装置工作；将控制元件，电机减速机，电池包等部件安装在底盘车架上；底盘的驱动电机选择减速直流电机，两支独立减速电机控制两端的驱动轮运动，实现底盘的行驶与转向；左右履带分别有三组独立的悬挂装置来支撑整车的行驶运输工作。

1 履带结构的方案设计

履带的结构是决定履带底盘通过性与稳定性的重要因素，本设计选用梯型履带结构，履带底盘的通过性能常以底盘越障、跨沟、爬坡等能力来评价。以下是对梯形结构的履带进行翻越障碍和跨越壕沟两种工况的力学分析，根据理论力学的要求，进行如下假设：

（1）重心在机构的几何中心。

（2）不考虑履带的变形；忽略地面摩擦，履带轮系间的摩擦；将越障和跨沟运动看作垂直运动和俯仰运动，轮系之间无相对位置偏移。

根据假设要求设置参数，设履带接地长度为L1，行走装置的中心高度为H，梯型履带驱动轮和张紧轮圆心水平间距为L2，张紧轮的圆心高度为h2，张紧轮半径为R1，支重轮半径为R2，驱动轮半径为R3。

1.1 最大跨越壕沟宽度分析

履带底盘跨越壕沟的能力主要根据可跨越壕沟的宽度判断，宽度越大，能力越强。低速跨越壕沟的过程如下：底盘开始进入壕沟，当其履带中心作用线到达壕沟前沿后，底盘前身会向壕沟内倾斜，若倾斜过程中，底盘最前方可以落到壕沟后沿，即可完成壕沟跨越运动[1]。图1 为履带行走机构运动的几何关系，据此可以计算出履带行走机构的最大跨越壕沟宽度。

图1 梯型履带行走机构跨沟运动几何模型

梯型履带的最大跨越壕沟宽度为X2:

1.2 最大翻越障碍高度分析

履带底盘翻越障碍的能力主要根据障碍的高度来评价，障碍越高，越障能力越强。低速翻越障碍的过程如下：车辆前端开始接触障碍并逐渐向上攀爬，直至支重轮爬到障碍端，底盘倾斜；当倾斜后底盘重心垂直作用线与障碍端重合即为临界条件，此时如果底盘前端有向下回落的趋势，即可完成障碍翻越运动[2]。如图2所示，θ 表示履带越障临界倾斜角，Y 表示履带最大越障高度。

图2 梯型履带越障示意图

梯型履带越障翻越角为：

梯型履带越障最大高度为：

因此，可以得出山地小型播种机梯型履带结构的底盘通过性的特点。

2 车架的设计与研究

车架是履带底盘承受外部冲击与自身重力的载体，分析其静置状态的受力与变形情况，进而得出车架最大变形量，应力分布等力学性能，保证履带底盘的行驶性能。

2.1 车架的建模

车架的框架使用40*4 的方管焊接，方管焊接性能好，强度高，坚固耐用，使用方管作为车架的主框架，其空心结构有利于减轻整车质量；横梁也使用40*4 的方管，避免由于两端跨度较大时车架变形；轮组安装板使用10mm 厚度的Q235 钢板进行打孔，焊接到车架的框架上；使用打孔厚板连接轮组，便于轮组的安装与拆卸。电机减速机、控制器、电池、电动推杆安装板使用3mm 厚度的Q235 钢板。支撑电气元件的方管使用30*2.6 的方管，钢板根据部件螺栓孔位置来打孔，并焊接到车架框架上。

因为车架框架均使用空心方管焊接，所以框架的网格单元选择三维变形体单元适应性更高[3]，其中，网格划分格数为84019 个，总节点数为165533 个。对于车架框架施加的主要载荷有减速电机、电机控制器、电池组、播种装置等，播种装置依靠两个电动推杆控制，电动推杆的底座安装在车架上，车架施加载荷的位置分布如图3 所示。其中减速电机模块电机为300N，载荷数量2，减速电机减速器模块为300N，载荷数量2，电机控制器为20N，载荷数量2，电池组为500N，载荷数量1，电动推杆与播种装置为500N，载荷数量2。

图3 框架的分布载荷示意图

2.2 静力学结果分析

对车架进行静力学分析[4]，得到最大受力变形云图和应力分布云图如图4 和图5 所示。

图4 车架受力位移云图

图5 车架应力图

分析图4 和图5 得出的结果，车架最大的变形位置在电池电机安装板的位置，这是因为支撑安装板使用的方管型材规格较小，板材较薄。底盘最大变形量为0.1169mm，最大应力为25.72MPa。整体车架框架的形变量和应力变化不是很明显，车架框架满足设计要求[5]。

2.3 车架的优化改进

车架的优化改进需要选择适当的构造、轻质材料、连接技术、尽可能准确的设计以及可实现的制造工艺[6]。改进方式如下：车架主体框架与横梁采用30*2.6方管焊接，支撑电气元件的横梁使用20*2 的方管焊接，电器元件安装板厚度保持不变，在变形量大的电气元件安装板下焊接35*3 规格角钢加强筋，焊接加强筋的优点可以加强安装板的承载能力，减少安装板后续的变形。

对优化后车架进行静力学分析，得到最大受力变形云图和应力分布云图如图6 和图7 所示。

图6 优化后车架受力位移云图

图7 优化后车架应力云图

有限元分析结果显示，安装电气元件的钢板最大应力为43.67MPa，最大变形量为0.1824mm，尽管最大变形量与最大应力值有所增加，但减少了材料使用，减轻了整车质量，达到轻量化设计的目的。

3 结论

本文主要对山地小型播种机履带底盘进行了分析，通过对履带底盘行走装置越障跨沟力学性能的分析，确定选择梯型履带行走结构；在确定履带底盘结构的基础上，通过对履带底盘的车架框架结构的静力学分析，仿真得到车架框架的受力位移变形云图和应力云图，并对车架进行轻量化设计。