陳　斌，劉　奇，鄒　鑫，孫超然，肖名濤

基于多模塊換裝的農(nóng)用履帶動(dòng)力平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳斌，劉奇，鄒鑫，孫超然，肖名濤

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

易于在履帶動(dòng)力平臺(tái)上上拆卸或組裝的多模塊農(nóng)機(jī)具是針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械季節(jié)性強(qiáng)，年有效作業(yè)時(shí)間短，不同類型的作業(yè)機(jī)械時(shí)間重合度低等特性而研發(fā)的。在設(shè)計(jì)這型易于在履帶動(dòng)力平臺(tái)上上拆卸或組裝的多模塊農(nóng)機(jī)具過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)論證了通過(guò)中間車架實(shí)現(xiàn)多模塊快速換裝的便捷性、探索了基于單動(dòng)力快速接入與高效傳遞的可行性、闡明了基于輔助機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊互換的可能性，最后通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)，論述了不同模塊間的互聯(lián)過(guò)程。該型動(dòng)力平臺(tái)通過(guò)多模塊互換技術(shù)，在單一履帶動(dòng)力平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可形成履帶式旋耕機(jī)、履帶式收割機(jī)和履帶式運(yùn)輸車等多種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)大宗農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備在基于動(dòng)力平臺(tái)上的條件下一機(jī)多用，對(duì)減少農(nóng)業(yè)機(jī)械的閑置浪費(fèi)，提高農(nóng)用資源的利用率意義重大。

多模塊；履帶；動(dòng)力平臺(tái)；互換

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，一種農(nóng)業(yè)機(jī)械很難完成耕整地、種植、田間管理、收獲、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，這就導(dǎo)致了即使是單一農(nóng)作物的全程機(jī)械化生產(chǎn)，也需要使用到各種不同的機(jī)械。以南方水田主要種植的水稻作物為例，在水稻大田全程機(jī)械化生產(chǎn)方面，主要有水田機(jī)械化耕整地、機(jī)插秧或機(jī)直播、機(jī)械化田間管理、機(jī)械化收獲和運(yùn)輸五個(gè)環(huán)節(jié)。這五個(gè)環(huán)節(jié)分別需要使用到五種不同的機(jī)械，即拖拉機(jī)、插秧機(jī)或直播機(jī)、植保機(jī)、收割機(jī)和運(yùn)輸車，這五種機(jī)械的功能和結(jié)構(gòu)差異巨大，但是從它們的動(dòng)力平臺(tái)來(lái)說(shuō)，又具有很多相似的特征[1～2]。南方水田常用的拖拉機(jī)、收割機(jī)和運(yùn)輸車的底盤通常為履帶式動(dòng)力底盤，插秧機(jī)或直播機(jī)、直播機(jī)為水田輕型底盤[3～5]。插秧機(jī)或直播機(jī)、植保機(jī)的底盤基本上可以通用；耕整地、收獲和運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，其動(dòng)力底盤的通用性很差，主要表現(xiàn)在在耕整地環(huán)節(jié)使用的旋耕機(jī)、鏵式犁常采用履帶拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)或履帶式旋耕機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，收割機(jī)和運(yùn)輸車采用專用的履帶底盤驅(qū)動(dòng)[6]。

由于單臺(tái)農(nóng)機(jī)設(shè)備的功能單一，一年之中實(shí)際作業(yè)時(shí)間極短，大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致購(gòu)機(jī)資金占用大、維修保養(yǎng)成本高。特別對(duì)于南方丘陵地區(qū)，由于其地形高低起伏，田塊分散，單個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械所服務(wù)的農(nóng)田面積相較于北方更小，每年的實(shí)際作業(yè)時(shí)間更短，閑置時(shí)間更長(zhǎng)[7]。這種情況不但造成了生產(chǎn)資料的嚴(yán)重浪費(fèi)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)具的保養(yǎng)維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。很多農(nóng)業(yè)機(jī)械由于作業(yè)后的養(yǎng)護(hù)不及時(shí)、不完善，造成第二年的功耗增加，作業(yè)性能下降，甚至作業(yè)中途突然出現(xiàn)停機(jī)等現(xiàn)象，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，打擊了農(nóng)民對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性。為了改變履帶式農(nóng)機(jī)裝備在實(shí)際使用過(guò)程中存在的此類問(wèn)題，本課題組設(shè)計(jì)并論證了一種基于多模塊換裝的農(nóng)用履帶動(dòng)力平臺(tái)。

1　模塊化設(shè)計(jì)方法

在農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力平臺(tái)中，拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛可掛載不同的工作機(jī)具，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，是一種很好的模塊化平臺(tái)。但是，通過(guò)三點(diǎn)懸掛互換的拖拉機(jī)模塊，一般功能單一、整備質(zhì)量小，對(duì)復(fù)雜的工作機(jī)具換裝適應(yīng)性差，尤其是不適合收割機(jī)模塊的換裝，因此若要將收割機(jī)模塊化，就需要尋求更優(yōu)化的換裝形式。

1.1　總體介紹與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)把履帶式旋耕機(jī)、履帶式收割機(jī)和履帶式運(yùn)輸車分別分解為履帶式旋耕機(jī)=履帶式動(dòng)力底盤模塊+旋耕機(jī)模塊；履帶式收割機(jī)=履帶式動(dòng)力底盤模塊+收割機(jī)模塊；履帶式運(yùn)輸車=履帶式動(dòng)力底盤模塊+車廂模塊。通過(guò)專用的模塊化設(shè)計(jì)，將履帶式旋耕機(jī)、履帶式收割機(jī)和履帶式運(yùn)輸車優(yōu)化為：履帶式動(dòng)力底盤模塊+旋耕機(jī)模塊、收割機(jī)模塊、車廂模塊的形式。一個(gè)通用履帶式動(dòng)力底盤模塊可以與多個(gè)工作機(jī)構(gòu)模塊換裝，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

1.2　履帶通用動(dòng)力平臺(tái)設(shè)計(jì)

履帶通用動(dòng)力平臺(tái)主要由駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力輸出軸、車架、履帶行駛裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中駕駛室主要包含動(dòng)力平臺(tái)的操作機(jī)構(gòu)如油門、剎車、制動(dòng)踏板，變速桿等。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力一部分通過(guò)皮帶傳動(dòng)至傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)履帶行駛裝置運(yùn)動(dòng)，另一部分通過(guò)皮帶傳遞至各個(gè)工作模塊，用于驅(qū)動(dòng)工作裝置運(yùn)動(dòng)。駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、履帶行駛裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)都裝配在車架上，車架上通過(guò)專用機(jī)構(gòu)連接不同的模塊。

1　駕駛室；2　發(fā)動(dòng)機(jī)；3　發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸；4　車架；5　履帶行駛裝置；6　傳動(dòng)系統(tǒng)。

1.3　換裝模塊設(shè)計(jì)

換裝模塊主要有旋耕機(jī)模塊、收割機(jī)模塊和車廂模塊，如圖2所示。這些模塊相對(duì)于現(xiàn)有機(jī)具的主要差別有以下2個(gè)。①操作機(jī)構(gòu)差別：這些模塊的操作機(jī)構(gòu)都集成在模塊上，模塊組裝后，操作機(jī)構(gòu)位于通用動(dòng)力平臺(tái)的操作機(jī)構(gòu)附近。②動(dòng)力傳動(dòng)差別：這些模塊的動(dòng)力通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力輸入后，在分別控制模塊、液壓系統(tǒng)及其他裝置運(yùn)動(dòng)。

因此，換裝模塊具有在單一動(dòng)力輸入下獨(dú)立工作的特征，如圖2a的收割機(jī)模塊所示，動(dòng)力輸入致收割機(jī)模塊后，一方面通過(guò)機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)割臺(tái)的切割刀、螺旋滾筒、撥禾輪及傳送帶、脫粒清選裝置工作；另一方面通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)構(gòu)，使其還可以操作割臺(tái)升降機(jī)構(gòu)和撥禾輪升降機(jī)構(gòu)等。

1　割臺(tái)；2　傳送帶；3　收割機(jī)操作臺(tái)；4　收割機(jī)動(dòng)力輸入軸；5　卸糧裝置；6　脫粒清選裝置；7　割臺(tái)升降機(jī)構(gòu)；8　撥禾輪升降機(jī)構(gòu)；9　旋耕機(jī)操作臺(tái)；10　液壓升降機(jī)構(gòu)；11　旋耕機(jī)動(dòng)力輸入裝置；12　旋耕機(jī)；13　車廂操作臺(tái)；14　車廂。

2　換裝過(guò)程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理

多模塊農(nóng)用履帶動(dòng)力平臺(tái)和現(xiàn)有農(nóng)用動(dòng)力平臺(tái)的主要區(qū)別為換裝的過(guò)程。現(xiàn)有動(dòng)力平臺(tái)通過(guò)三點(diǎn)懸掛來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模塊的掛接，而多模塊農(nóng)用履帶動(dòng)力平臺(tái)采用不同模塊的裝載換裝。多模塊農(nóng)用履帶動(dòng)力平臺(tái)能通過(guò)裝載不同模塊實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

2.1　基于中間車架的換裝裝置設(shè)計(jì)

以旋耕機(jī)模塊為例，為了便于換裝，課題組設(shè)計(jì)了基于中間車架的換裝裝置，如圖3所示。中間車架安裝在旋耕機(jī)模塊上，設(shè)置有用于換裝的換裝輔助架支座和橫向、縱向鎖止槽。中間車架連同其模塊一起可安裝在動(dòng)力平臺(tái)上，橫縱向鎖止槽與底盤車架上的橫縱向鎖止槽能配合形成一套橫縱向鎖止機(jī)構(gòu)，在鎖止器的作用下，實(shí)現(xiàn)全向鎖止。

1　旋耕機(jī)模塊；2　中間車架；3　換裝輔助架；4　底盤車架；5　動(dòng)力平臺(tái)；6　鎖止器；7　橫向鎖止槽；8　縱向鎖止槽。

2.2　基于單動(dòng)力輸入的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了承載不同的模塊，動(dòng)力平臺(tái)就需要設(shè)計(jì)為通用平臺(tái)。不同的模塊的功能差異很大，為了實(shí)現(xiàn)便捷的換裝，就需要將動(dòng)力傳動(dòng)裝置的結(jié)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的盡量簡(jiǎn)單。如圖4所示，以旋耕機(jī)模塊為例，其動(dòng)力輸入的結(jié)構(gòu)與原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)皮帶傳遞至傳動(dòng)箱上的離合器主動(dòng)輪，離合器主動(dòng)輪的一端繼續(xù)通過(guò)皮帶傳遞至液壓系統(tǒng)的液壓泵，其另一端通過(guò)離合器從動(dòng)輪輸出而驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)。因此，旋耕機(jī)模塊的液壓系統(tǒng)的動(dòng)力不受傳動(dòng)箱中的離合器控制，液壓升降機(jī)構(gòu)的操控不受旋耕機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。如果傳動(dòng)箱上設(shè)置有檔位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，還可以設(shè)置旋耕機(jī)模塊檔位操作手柄。

1　離合器操作手柄；2　液壓升降調(diào)節(jié)手柄；3　液壓泵；4　液壓升降缸；5　動(dòng)力輸入裝置；6　傳動(dòng)箱；7　旋耕機(jī)；8　中間車架；9　液壓元件。

2.3　基于輔助機(jī)構(gòu)的換裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)不同模塊換裝，最便捷的方式是采用起重機(jī)械吊裝更換模塊，但是采用起重機(jī)械換裝成本高，時(shí)效性差。針對(duì)多模塊換裝困難的問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了便攜式換裝輔助裝置，如圖5所示。其換裝過(guò)程為：多組換裝輔助裝置安裝于中間車架的安裝座上，先通過(guò)舉升中間車架，使中間車架與底盤車架上的橫縱向鎖止槽分開(kāi)，然后推開(kāi)需要換裝的模塊，即可實(shí)現(xiàn)模塊的拆卸，其組裝過(guò)程與之剛好順序相反。

1　收割機(jī)模塊；2　換裝輔助裝置；3　升降機(jī)構(gòu)；4　平移機(jī)構(gòu)。

換裝輔助裝置應(yīng)至少具有在Z軸上上升和下降和在X、Y軸上移動(dòng)的功能，即可以實(shí)現(xiàn)升降和平移。通過(guò)升降功能可以實(shí)現(xiàn)換裝模塊與通用平臺(tái)的分離和結(jié)合；通過(guò)平移功能可以實(shí)現(xiàn)換裝模塊在水平面上移動(dòng)。為了防止在平移的過(guò)程中換裝輔助裝置傾翻，換裝輔助裝置必須與中間車架可靠連接。換裝后的履帶式運(yùn)輸車、履帶式收割機(jī)和履帶式旋耕機(jī)如圖6所示。

1　通用動(dòng)力平臺(tái)；2　履帶式運(yùn)輸車；3　中間車架；4　履帶式收割機(jī)；5　履帶式旋耕機(jī)。

3　虛擬樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證前文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否正確，方案是否可行，課題組運(yùn)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)三維樣機(jī)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝與運(yùn)動(dòng)狀況校驗(yàn)。

3.1　SolidWorks虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

采用SolidWorks軟件，設(shè)計(jì)了通用動(dòng)力平臺(tái)、運(yùn)輸車模塊、旋耕機(jī)模塊和收割機(jī)模塊的三維圖形，通過(guò)三維建模設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)不同模塊安裝后是否與通用動(dòng)力平臺(tái)產(chǎn)生接觸干涉，操作機(jī)構(gòu)是否布置合理等，其最終效果圖如圖7所示。

圖7　虛擬樣機(jī)效果圖

3.2　Solidworks虛擬樣機(jī)模塊化互換設(shè)計(jì)

采用SolidWorks軟件，定義了不同模塊在通用動(dòng)力平臺(tái)上的換裝過(guò)程，驗(yàn)證了通過(guò)換裝輔助裝置實(shí)現(xiàn)換裝的可能性，換裝(履帶收割機(jī)裝配)的步驟與實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8　基于SolidWorks的虛擬樣機(jī)模塊互換過(guò)程驗(yàn)證

4　結(jié)語(yǔ)

采用合理的設(shè)計(jì)方案和換裝方案可以實(shí)現(xiàn)履帶旋耕機(jī)、履帶收割機(jī)和履帶運(yùn)輸車的履帶動(dòng)力平臺(tái)換裝，使履帶動(dòng)力平臺(tái)具有換裝大宗農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的能力。通過(guò)簡(jiǎn)易的換裝輔助裝備實(shí)現(xiàn)履帶動(dòng)力平臺(tái)間多模塊的換裝，有利于提高履帶動(dòng)力平臺(tái)的一機(jī)多用性能，減少履帶農(nóng)機(jī)裝備的閑置浪費(fèi)，利國(guó)利民。

[1] 羅錫文,王在滿,曾山,等.水稻機(jī)械化直播技術(shù)研究進(jìn)展[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2019,40(5):1-13.

[2] 白學(xué)峰,魯植雄,常江雪,等.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展模式研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(10):256-262.

[3] 謝斌,武仲斌,毛恩榮.農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2018,49(8):1-17.

[4] 白學(xué)峰,楊浩勇,常江雪.履帶拖拉機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析與發(fā)展建議思考[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2017,44(6):1-4，6.

[5] 史金鐘.輪式拖拉機(jī)與履帶拖拉機(jī)差異淺議[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2018,45(1):1-5.

[6] 李建啟.國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2018,45(2):1-4,7.

[7] 王志超,史金鐘,楊柯.可轉(zhuǎn)換輪履帶拖拉機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2017,44(2):4-11.

Design of agricultural track power platform based on multi-module disassembly and assembly

CHEN Bin, LIU Qi, ZOU Xin, SUN Chaoran, XIAO Mingtao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

The multi-module agricultural machinery and tools which can be easily disassembled or assembled on the tracked power platform are developed for the characteristics of strong seasonality of agricultural machinery, short annual effective operation time and low time coincidence of different types of operating machinery. This paper studies the multi-module agricultural machinery which can be easily disassembled or assembled on the tracked power platform, demonstrates the convenience of the quick change of multi-module through the intermediate frame, and explores the feasibility of the fast access and efficient transfer based on single power, the possibility of module interchange based on the auxiliary mechanism is expounded. Finally, the interconnection process of different modules is discussed by virtual prototype technology. Based on a single crawler power platform, a variety of products such as crawler rototillers, crawler harvester and crawler transporters can be formed through multi-module interchange technology, it is of great significance to reduce the idle waste of agricultural machinery and improve the utilization ratio of agricultural resources to realize the multi-use of large-scale agricultural machinery equipment under the condition of power platform.

multi-module; crawler; power platform; interchangeable

S223.9

A

2096–8736(2021)03–0001–04

長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃(KH1907038)，湖南省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(2020JJ5239)。

陳斌(1996—)，男，湖南衡陽(yáng)人，博士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論。

肖名濤(1981—)，男，湖南桑植人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立