基于山地丘陵地區農機行走機構設計研究*

王 輝 ， 傅 杰， 王 俊， 劉莉滋 ， 王海寶

(1.重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404130；2.智能制造先導技術重慶市高校工程研究中心，重慶 404130)

作為農業大國，我國的總耕地面積大。 據統計，山地丘陵、高原地區占全國耕地面積的70%左右，平原、盆地約占30%， 我國山地丘陵的戶籍人口占全國總人口的5成以上，其糧食產量占全國的3 成以上[1]。 南方大多省份的農業開發水平遠不如北方平原地區， 山地丘陵地區農業機械化水平發展相對較差[2]。

目前， 國內市場大多數平原地區的農機不適應在山地丘陵地區作業，而我國山地丘陵地區較多，坡度較大，特別需要能完成高起伏作業的中小型農業生產運輸機械來進一步開發山地丘陵地區的農業生產發展力。 在此基礎上， 研發一款適合山地丘陵地區的行走機構來提高山地丘陵地區的農業機械化水平、安全性，是很有必要的。本文針對三峽庫區山地丘陵地勢特點， 研究一種具有良好通過性的行走機構， 解決山地丘陵地區農業機械通過性差的問題。

1 山地丘陵地區農機現狀

1.1 國內外研究現狀

國外適用于山地丘陵的農機由軍事領域演變而來，其最大的特點在于可以在丘陵山地間自如的完成機械作業，發展到現在，國外朝著大型化、自動化的方向發展[3-4]。

最早進行山地丘陵農機行走機構的是西方的發達國家， 在20 世紀末他們就能做到在27°的坡度上進行正常的作業，現在已發展到比較成熟的階段[5]。 與我國情況相近的日本，現其農機大多采用履帶式，具有更小的轉彎半徑的同時增加農機的通過性，且越來越趨向于一體化[6]。

我國山地丘陵農機的研究起步較晚，且我國的農業機械化水平較低，能夠適應山區機械作業，越障能力好的農機較少[7]。 直到“十一五”之后，國家加大了農業機械化方面的研發投入，加快了農業機械的發展。

1.2 現有農機行走機構優缺點

現有用于山地丘陵的行走機構一般為履帶式行走機構，對比輪式的行走機構，履帶式行走機構有著與地面接觸面積大、轉彎半徑小等特點。 而履帶式行走機構一般分為普通型和搖臂式行走機構。

1.2.1 普通型行走機構

普通型行走機構爬坡越障示意圖如圖1 所示。 圖1(a)表示農機前沿與障礙物接觸，開始越障；圖1(b)表示農機越障時，農機重心未超過障礙履帶與障礙物接觸；圖1(c)表示農機越障時，農機重心超過障礙物；圖1(d)表示農機完全越過障礙物邊緣，越障完成。

圖1 普通型履帶農機行走機構工作示意圖

普通型履帶行走機構的優點在于其易于操作，結構簡單，但缺點也很明顯，它的越障能力不是太好，跨越障礙的高度往往取決于開口的角度和農機自身的重心位置。

1.2.2 搖臂式行走機構

搖臂式行走機構爬坡越障示意圖如圖2 所示。 圖2(a)表示農機前擺臂碰到障礙物，開始越障；圖2(b)表示農機重心沒有超過障礙物時， 通過前擺臂與后擺臂的配合越障過程；圖2(c)表示農機重心超過障礙物時的越障過程；圖2(d)表示農機完全爬上障礙物，越障完成。

圖2 搖臂式行走機構工作示意圖

搖臂式履帶行走機構的優點在于它有著良好的越障能力，缺點在于其結構相對較為復雜，前后擺臂的控制較為困難[3]。 所以，本文旨在設計一種在越障能力與控制上都有一定優勢的行走機構。

2 兩段式獨立履帶行走機構的設計研究

2.1 兩段式獨立履帶行走機構結構設計

針對山地丘陵耕地的地貌特征， 設計的兩段式獨立履帶行走機構的三維圖如圖3 所示，圖4 為其二維圖。 該行走機構包括底盤框架結構、導向輪、履帶、前支架、前主動輪、支撐輪、前履帶浮動支撐架、從動輪、后履帶浮動支撐架、后支架、后主動輪、連接桿、減震器等結構。 此農機爬坡越障行走機構車架上固定有4 個減速電動機，分別驅動兩個前主動輪和兩個后主動輪， 通過對減速電機的控制，能完成轉向的工作，且有較小的轉彎半徑。 四履帶之間爬坡越障時中間的從動輪會隨履帶運動上下浮動。 該設計的優點在于4 個電機可以提供更強的驅動力， 相較汽油機和柴油機更加環保，也更容易控制。 這種機構具體的工作過程為：當在平地行走時，前履帶和后履帶在同一平面，前主動輪和后主動輪同時驅動；當爬坡時，前履帶遇到障礙向上傾斜， 讓前履帶與后履帶中間部分向下突起，使履帶更大程度的接觸地面，達到爬坡的效果；當下坡時前履帶向下傾斜，讓前履帶與后履帶中間部分向上凸出來更大程度的讓履帶和地面接觸，達到下坡的效果。 通過減速電機驅動，有更好的驅動效果。 兩側的履帶能根據地形自動的進行適當調整，可以滿足更復雜地形作業的要求并充分發揮兩側履帶的驅動力，使履帶車的通用性及適應性得到提高。

圖3 兩段式獨立履帶行走機構的三維圖

圖4 兩段式獨立履帶行走機構的主視圖和俯視圖

2.2 兩段式獨立履帶行走機構研究分析

兩段式獨立履帶行走機構主要改進了一般搖臂式行走機構的缺點，增強了前后履帶的配合度，在遇到障礙物時能自動的適應地形，進行仿形，且采用4 個獨立電機以達到比較精準的控制。 相較于普通型行走機構結構也不算太過復雜。 兩段式獨立履帶行走機構爬坡越障示意圖如圖5 所示。 圖5(a)表示農機前履帶碰到障礙物，開始越障；圖5(b)表示農機重心沒超過障礙邊緣時前履帶與障礙物接觸時的越障情況；圖5(c)表示農機重心超過障礙物邊緣，在前、后履帶共同作用下越障；圖5(d)表示農機完全爬上障礙物，越障完成。

圖5 兩段式履帶行走機構的工作示意圖

可以看見兩段式履帶行走機構能在一定程度上對地形進行仿形，減少了對控制的要求，也有著強于普通越障機構的越障能力。

3 結論

綜上所述，本文在分析現有行走機構的優缺點后，設計了一種兩段式獨立履帶行走機構， 這種機構主要是對現有的搖臂式行走機構進行了結構上的改進， 在保證其越障能力的基礎上使其可以在遇到障礙物時有一定的自我調節能力，降低了對控制的需求。該行走機構操作容易，結構簡單，在有較好的越障能力的同時有著較大的與地面接觸面積和較小的轉彎半徑。