履帶式聯合收獲機水田作業小半徑轉向阻力研究

韓彥勇， 鄭喜貴

(鄭州科技學院機械工程學院，河南鄭州 450064)

履帶式聯合收獲機水田作業小半徑轉向阻力研究

韓彥勇， 鄭喜貴

(鄭州科技學院機械工程學院，河南鄭州 450064)

減小轉向阻力矩，減少油耗，是設計履帶收獲機的一個指標，針對履帶收獲機小半徑轉向情況，提出了3種牽引力和1種側面轉向阻力矩的計算方法，并進行實車試驗證明了小半徑轉向時側面剪切土壤引起的阻力矩占總轉向阻力矩中的比重很大，進而得出減少側面剪切土壤引起的阻力矩就可以減少收獲機轉向阻力矩這一觀點的正確性，為今后履帶車輛設計提供了依據。

履帶車輛；轉向阻力矩；剪切土壤；聯合收獲機；履帶式收獲機

聯合收獲機轉向是否靈活直接影響到車輛的使用效率、燃油經濟性和駕駛員的勞動強度[1]。履帶式聯合收獲機是通過轉向力矩克服轉向阻力矩來實現轉向的，因此在設計履帶車輛時，就要考慮如何減小轉向阻力矩。履帶車輛在水田小半徑轉向時，由于履帶下陷，轉向阻力矩不能按常規方法進行計算，還應考慮側面履帶剪切土壤引起的阻力矩。本研究分析了履帶車輛小半徑轉向時的牽引力，轉向力矩的計算方法，并通過試驗證明了方法的正確性，為今后履帶車輛的設計提供了理論依據。

1 履帶車輛在水田作業時的牽引力

履帶車輛小半徑轉向，其左右側履帶的運動方向相反，兩側履帶都會出現滑轉現象，滾動摩擦阻力受力方向不同于大半徑轉向，并且由于車體下陷，它所受的側面推土力，履齒的剪切力都不能忽略。因此其驅動力和轉向阻力矩都不能單單只考慮履帶地面的摩擦力，而要深入研究履帶與地面之間的相互作用。

1.1 方法1

貝克提出了一種分析履帶與土壤相互作用的方法，把與土壤接觸的那部分履帶板模型簡化為一個剛性踏板，運用土壤壓力與沉陷的關系，就可以分析預測出履帶車輛在軟地面行駛時履帶沉陷量和所受的阻力[2]。

履帶的牽引力是由于履帶板與土壤的剪切形成的，Micklethwaite首先應用了庫倫公式。

τmax=C+Ptanφ。

式中：τmax為最大剪切強度(Pa)；C為土壤的內聚力(Pa)；P為正壓力(Pa)；φ為土壤的內摩擦角(°)。預測車輛可能發揮的最大驅動力。履帶與地面的接觸面積如圖1。

則總的驅動力Fmax等于單位剪切強度沿接觸表面的積分：

(1)

式中：Fmax為總驅動力(N)；b為履帶接地面積寬度(m)；L為履帶接地面積長度(m)；x為任意一點的履帶的接地面長度(m)。

式1表明履帶車輛在軟地面行駛時的最大驅動力可以看作兩部分：一部分是由土壤內聚力產生的，與履帶車輛中履帶板與地面的接地面積有關；另一部分是由土壤的內摩擦力產生的，與車輛的重量成比例。

因此，當某土壤的特性參數φ≈0時，土壤的驅動力為Fmax=2bLC，要增加履帶車輛行駛驅動力就只有增加履帶板與土壤的接觸面積，而與履帶車輛的重量無關。該土壤為塑性土壤，塑性土壤的內摩擦角接近于0。

當某土壤的特性參數C≈0時，驅動力為Fmax=Mgtanφ，在這樣的土壤中，車輛的驅動力只與車重有關，而與履帶板和土壤的接觸面積無關，要增加履帶車輛的驅動力就只有增加車輛的重量。該土壤為摩擦性土壤，如干沙，干沙的內聚力接近于0。但大多數土壤既不是純塑性的，也不是純摩擦性的，而是具有2種性質的粒狀物質的混合物，像水稻田土壤。

1.2 方法2

式1適用于在最佳滑動條件下產生的最大值。

根據Janosi和Hanamoto的經驗公式：

τ=(C+Ptanφ)(1-e-Sj /K)。

(2)

式中：K是土壤剪切模量；Sj是履帶某點剪切位移。

對式2微分

(3)

由式3可知K是過原點作曲線的切線，切線與τmax水平線交點至縱坐標的距離，如圖2。

由τ=(C+Ptanφ)(1-e-Sj /K)可知，當土壤參數、車重和土壤剪切模量一定時，在一定滑轉率時，履帶車輛的驅動力從履帶接地前段到履帶接地末端逐漸增大。則總的驅動力F為：

(4)

式中：i表示履帶某點的滑移速度(履帶實際速度與理論速度的差值)與理論速度的比值。

此驅動力沒有考慮履帶側面受的力，假若履帶上安裝高h的履齒(圖3)，則該履齒沿表面2hL的側向剪切就應該考慮。為了計算履齒高度為h的履帶的全部驅動力，必須將履帶兩側面面積2hL上的驅動力也計算進去[3]。貝克假定這2個垂直剪切面上的側壓力可以像Boussinesq在應力分布理論中假設的那樣求得，如圖4。

作用于履帶兩側面的土壤壓力的垂直分力NX的摩擦力為2LNXtanφ，而NX由下式求得：

則

(5)

式中：σx表示帶狀負荷P的水平應力；θ0表示履帶寬b與履齒高度h的垂直截面的幾何夾角；θ表示履帶寬任意一點與履齒高度h的垂直截面的幾何夾角。

作用于履帶板兩側的內聚力為2ChL，故一條履帶的側面剪切力為：

(6)

那么整個履帶車輛的驅動力為：

(7)

由此可以算出履帶車輛的驅動力矩。

1.3 方法3

假設：

(1)履帶車輛在幾何上關于其縱向、橫向平面對稱，其質心在水平面上的投影和車輛平面幾何中心重合。

(2)履帶車輛在水平地面上轉向時履帶接地壓力呈均勻分布。

(3)履帶車輛作低速轉向，不計離心力的影響及轉向角速度變化。

(4)車輛行駛阻力系數不因轉向而變化[4-5]。

履帶車輛在水平地面上作小半徑低速轉向運動時受力如圖5所示，兩履帶運動方向相反，兩履帶主動輪上所受的力方向相反，兩履帶所受的滾動阻力也相反。那么：

(8)

(9)

2 履帶車輛小半徑轉向時的轉向阻力矩

履帶在水田中轉向時，受到履帶與地面摩擦產生轉向阻力矩和由于履帶下陷而使履帶側面推土引起的轉向阻力矩，總轉向阻力矩是2個阻力矩之和。

2.1 履帶與地面摩擦產生轉向阻力矩[6]

不計履帶寬度影響，不考慮履帶接地段打滑時普遍采用的轉向阻力矩的表達式為：

(10)

2.2 側面剪切土壤引起的轉向阻力矩

土壤具有彈性、塑性和黏性，是一個復雜體，利用公式計算的結果與實際難免有誤差，而采用儀器直接測出推土力，進而導出側面轉向阻力矩，既方便又準確。

不計履齒之間的間隔，假設履帶側面為一矩形，轉向時每條履帶繞各自的履帶中心轉向，履帶要推動周圍的土壤如圖6所示，從而產生側面轉向阻力矩。

總轉向阻力矩：M=Mz+M側。

3 田間試驗

試驗車參數：總重G=2 500 kg；中心距B=1 350 mm；接地長度L=1 900 mm；帶寬b=350 mm；重心與機具形心距Cx=0 mm；Cy=0 mm。

進行2個試驗，分別是履帶收獲機輸出軸扭矩試驗和側面剪切土壤試驗。

3.1 側面剪切土壤試驗

用NJY-3型農機通用動態遙測儀與剪切土壤裝置連接進行試驗。

試驗時履帶下陷深度為40 mm，在履帶車輛試驗地點旁做了40 mm深的推土試驗，測得的數據為：484.000，488.000，495.000，509.000，519.000，529.000，534.000，543.000，551.000，586.000，609.000，630.000，638.000，679.000，695.000，689.000，691.000，709.000，714.000，688.000，668.000，610.000，596.000，591.000。初始值：484.000。

土壤破壞后，剪切板前面的土壤都會松動，因此繼續推剪切板，土壤阻力會迅速減小，剪切板變形小，儀器讀數就小，如果繼續推前面新土，剪切板受力又繼續增大，繼續破壞土壤。

轉化為推土力如圖7所示，最大值為677 N，那么單側履帶側面剪切土壤引起的轉向阻力矩為：

整車履帶側面剪切土壤引起的轉向阻力矩為 3 942N·m。

3.2 輸出軸扭矩試驗

用NJY-3型農機通用動態遙測儀與履帶收獲機輸出軸上的應變片連接，進行多次小半徑試驗，換算出轉向力矩，取平均值，就是履帶收獲機的轉向阻力矩[7-8]。如果不考慮側面阻力矩，只按普遍采用的轉向阻力矩的表達式計算阻力矩，誤差很大，因此，2個試驗也驗證了上述理論分析的正確性。將轉向阻力矩與側面阻力矩關系列入表1。

表1 小半徑下的轉向阻力矩

由表1可以看出，側面阻力矩占總轉向阻力矩的比重很大，當土壤條件和車輛結構參數一定時，履帶板與地面摩擦產生的阻力矩是不太能改變的，要想改變總轉向阻力矩，就要減少側面剪切土壤引起的阻力矩。

4 結論

履帶收獲機在水田小半徑(0≤R≤B/2)轉向時，由于履帶下陷，不能忽略側面推土力，提出了3種牽引力和1種計算側面阻力矩的方法。

進行實車試驗，測出了小半徑下的轉向阻力矩，并做了側面剪切土壤試驗(深度40 mm)，得出了側面的轉向阻力矩(3 942 N·m)。

提出了要減少小半徑轉向阻力矩，就要減少側面剪切土壤引起的阻力矩這一觀點。

[1]曹付義，周志立，賈鴻社. 履帶車輛轉向機構的研究現狀及發展趨勢[J]. 河南科技大學學報(自然科學版)，2003：24(3)：89-91.

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.062

2015-11-18

河南省科技廳科技攻關項目(編號：142102210509)。

韓彥勇(1984—)，男，河南尉氏人，碩士，講師，主要從事機械自動化研究。E-mail：88669936@qq.com。

鄭喜貴，講師，主要從事機械制造、數控技術研究。E-mail：894666216@qq.com。

S225.3

A

1002-1302(2017)02-0213-03

韓彥勇，鄭喜貴. 履帶式聯合收獲機水田作業小半徑轉向阻力研究[J]. 江蘇農業科學，2017，45(2)：213-216.