水稻收割機橡膠履帶行走系快速設計及仿真分析-開題報告.doc

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中國農業(yè)大學 碩士研究生論文開題報告 所在院系 工學院 專 業(yè) 車輛工程 學生姓名 入學時間 2010.09 導師姓名 課題名稱 水稻收割機橡膠履帶行走系 快速設計及仿真分析 中國農業(yè)大學研究生院制 填表時間2011 年05月04日 一、立論依據(jù)（以下各項均可加頁） （包括課題的研究意義，國內外研究現(xiàn)狀分析，附主要的參考文獻） 1、研究意義 履帶行走系是一種傳統(tǒng)的行走裝置，是人類繼發(fā)明車輪之后又跨出的一大步,擴展了車輛由“線”到“面”的活動范圍。在農業(yè)生產中,履帶行走裝置不僅用于拖拉機、農田基本建設車輛,還用于農業(yè)機械上[3]。中國是一個農業(yè)大國,拖拉機對農田作業(yè)發(fā)揮的作用是極其巨大的。特別是在農業(yè)機械收獲領域，履帶式拖拉機發(fā)揮著重要作用[4]。 實際農業(yè)生產中廣泛應用的行走裝置主要是輪子和履帶。而履帶拖拉機由于其牽引力大,接地比壓低,附著性能好等優(yōu)點占據(jù)著農業(yè)機械中重要的位置[1]。履帶拖拉機行走系對其各方面性能的發(fā)揮起著至關重要的作用。既加強了離開道路的越野能力, 同時也增大了負重能力。 履帶式車輛行走系統(tǒng)與輪式車輛具有明顯的不同。履帶車輛不像輪式車輛那樣用前后輪支承，而是靠兩條履帶與地面接觸[2]。履帶車輛的左、右兩側各有一個驅動輪來驅動該側履帶實現(xiàn)行駛。履帶式行走系與輪胎式行走系相比較有如下特點: 1.支承面積大、接地比壓小。 2.履帶板支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好。 3.結構復雜、重量大，運動慣性大，減震功能弱，使部件易受損壞[5]。 因此履帶車輛行駛速度不能太高，機動性差。履帶式行走裝置現(xiàn)在被廣泛應用在水稻聯(lián)合收割機上。這樣，履帶式水稻聯(lián)合收割機既可以在旱田中收割也可以在水田中收割，同時滿足了南方和北方的需要，可以被廣泛采用。 履帶式行走機構由履帶、驅動輪和臺車組成。臺車由臺車架、支重輪、托帶輪、引導輪（張緊輪）和履帶張緊一緩沖裝置組成。履帶式行走系的功用是支承車體, 并將由傳動系輸入的旋轉運動和轉矩變成車輛在地面上移動時的牽引力。履帶式行走機構是整機的支承件，用來支承整機的重量，承受機構在作業(yè)過程中產生作用力，并完成整機行進、后退、轉向和作業(yè)移動。 實踐證明，橡膠履帶式行走裝置是水稻濕田收獲機械的最佳行走機構。橡膠履帶行走系統(tǒng)是現(xiàn)代高新工業(yè)技術發(fā)展的產物。橡膠履帶行走系統(tǒng)的發(fā)展拓寬了履帶車輛的應用范圍，克服了金屬履帶行走系統(tǒng)固有缺點，使履帶車輛可以上路行駛，無需專用運載車輛。橡膠履帶式行走裝置比金屬履帶式，輪胎式行走裝置相比，在對路面破壞性，噪聲，接地壓力和行走速度等方面有很大的優(yōu)越性。實驗表明，橡膠履帶具有重量輕，行走阻力小，行駛平順，拆裝簡便等性能優(yōu)點，能較好的滿足泥腳15cm左右水田的收獲作業(yè)要求。目前已定型的水稻聯(lián)合收割機大部分采用了橡膠履帶行走裝置。橡膠履帶用橡膠的彈性變形代替了銷軸、銷套間的轉動摩擦，故內行走阻力減少，因此總行走阻力也相應減少[6]。 南方水稻產區(qū)土壤含水率高，田里有較多積水，承壓能力低，因此履帶式聯(lián)合收割機的行走裝置工作條件非常惡劣，負荷重，沖擊大，其支重輪、導向輪、驅動輪等長期帶有泥水，容易損壞，稻草很容易壓入各輪與履帶的間隙中，造成履帶的滑脫。因此，有必要對履帶行走系進行仿真分析，得到其優(yōu)化方案，從而為其設計和改進提供依據(jù)。 總之，對于土壤潮濕又粘重的地區(qū)，以及南方地區(qū)多起伏的丘陵地帶，履帶式拖拉機都具有較好的行駛穩(wěn)定性和復雜地形適應性。履帶行走系作為履帶車輛底盤的重要總成之一，其優(yōu)劣直接影響到履帶車輛的行駛平順性、穩(wěn)定性和附著性能[7[8]]。履帶式行走機構也是水稻聯(lián)合收割機設計的難題之一，因此有必要對履帶行走系進行設計和仿真分析，以實現(xiàn)優(yōu)化結構和提高性能的目的。 2、國內外研究現(xiàn)狀分析 履帶式行走系主要應用于軍用車輛，工程車輛和農業(yè)車輛等領域。在農業(yè)方面的應用主要集中在水稻收獲機上。因此，就履帶式行走系的研究現(xiàn)狀，對國內外文獻進行了分析。 1.國外研究現(xiàn)狀 當今世界實現(xiàn)了水稻收獲機械化的國家有美國、澳大利亞、日本、韓國、東南亞局部地區(qū)已全面實現(xiàn)了機械化，其中日本的水稻收獲機械在世界上一直處于領先水平，生產機型有久保田、洋馬以及三菱公司生產的半喂入水稻聯(lián)合收割機等，這些機型幾乎都采用履帶式行走系[9]。 由于金屬履帶工藝復雜、磨損嚴重、振動大、轉移時破壞路面等原因，現(xiàn)水稻聯(lián)合收割機已全部采用整體式橡膠履帶。橡膠履帶部分克服了普通金屬履帶拖拉機行駛速度低、噪聲大、金屬耗量大、對地面破壞嚴重等缺點，這種履帶最早用于脫水后的水田、沼澤地、雪地和灘涂地，現(xiàn)在已經(jīng)開始用于常規(guī)拖拉機。 國外對橡膠履帶拖拉機的開發(fā)研制起步較早，二十世紀四十年代以來，意大利、美國和前蘇聯(lián)等國家相繼進行了橡膠履帶的研制，歐美的研究始于20世紀50年代中期[10]。20世紀60年代日本一家農業(yè)機械制造商ISEKI公司提出設想并委托橡膠生產商普利司通公司開發(fā)了第1條替代金屬履帶的橡膠履帶, 最初是為了解決農用聯(lián)合收割機金屬履帶易被稻草、麥桿和泥土堵塞,橡膠輪胎易在水田中打滑以及金屬履帶會對瀝青和混凝土路面造成破壞的情況而設計的。并將其成功應用于水稻收割機械上。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,日本已經(jīng)成為橡膠履帶的主要生產國家之一[11]。 目前世界上使用橡膠履帶最多的國家和地區(qū)依次為日本、歐洲和北美。美國是北美的主要水稻生產國，主要分布在美國東南部的阿肯色、路易斯安娜、密西西比、得克薩斯和西部的加得福尼亞等州，水稻收獲都使用大型輪式聯(lián)合收割機，也有半履帶式和履帶式聯(lián)合收割機[12]。 國外對履帶式水稻收獲機械行走系的研究主要集中于理論層面，如對于履帶式行走系在水田中行駛阻力的研究，對土壤的剪切力的計算，以及對整車性能的分析，如行駛平順性，轉彎的穩(wěn)定性等。對于行走系本身及相關部件的設計和分析相對較少[13]。 2.國內研究現(xiàn)狀 我國從1954年開始實驗研究水田行走機構，到目前為止已研究出多種類型的行走機構。最早的履帶是金屬履帶，這種履帶在我國的應用范圍較廣，其主要缺點是使用很短時間鉸鏈就會產生過度磨損[14]。為了克服這一缺點，人們研制了橡膠金屬履帶，它通過橡膠將一塊塊金屬履帶板連接成一條履帶，在沙漠和沼澤中壽命較長，但重量較大，結構較復雜[15]。橡膠履帶是1969年開發(fā)的，用橡膠制造的一種環(huán)形軌道帶。該帶開始主要用于農業(yè)機械，爾后因其具有免費修理、耐久性、振動和噪音小等優(yōu)點而擴大應用，逐步用于搬運車輛、除雪機、鏟土機、不平整地面搬運車輛和推土機等多方面。 目前，我國在橡膠履帶應用方面發(fā)展緩慢，工程機械仍多采用金屬履帶[16]。我國生產的履帶拖拉機絕大部分是金屬履帶結構。國內采用橡膠履帶的機械大多都是進口的。我國于1975年研制出20馬力級橡膠履帶，配在上海---120聯(lián)合收割機上，此外，遼寧撫順曾研制出12馬力級橡膠履帶，配在遼4LB90聯(lián)合收割機上。一拖在1994年4月試制出第一臺東方紅802R橡膠履帶拖拉機。在隨后30多年的時間里，該公司著重在東方紅802及東方紅1002拖拉機上進行了橡膠履帶性能和壽命試驗，獲得了大量的試驗資料。2000 年中國一拖集團有限公司研制了 95.6kW 的東方紅-1302R 型橡膠履帶車輛，由于采用了橡膠履帶行走系統(tǒng)噪聲低、振動小、乘坐舒適。我國橡膠履帶的使[17]用還局限在很小的領域，僅僅在收獲機上得到使用，拖拉機上的使用還不廣泛。橡膠履帶幾經(jīng)改進，性能日趨完善[18]。 由于履帶車輛自身以及使用環(huán)境的復雜性，傳統(tǒng)的研究模式導致研制費用高、周期長。地面力學以及多體動力學的發(fā)展和完善，為履帶車輛的建模仿真提供了理論與技術支持[19]。但軟土地與履帶之間相互作用復雜，建模困難。以往研究履帶車輛都假設在剛性路面上行走，也主要集中在軍用機械和工程機械領域，如吉林大學的王水林對挖掘機履帶行走裝置在硬地面上進行了動力學分析，對滑轉滑移條件下履帶車輛在堅實路面上的轉向過程進行了仿真和分析[20]。吉林大學李海偉等針對礦用挖掘機履帶行走裝置動力學展開研究，建立了礦用挖掘機履帶行走裝置的虛擬樣機模型，在ADAMS/View 虛擬環(huán)境下對平道和坡道運行情況下的履帶行走裝置進行了仿真分析，基于 ANSYS 對驅動輪進行有限元強度分析，建立了具有不同齒數(shù)的驅動輪模型，分別進行了仿真試驗優(yōu)化，得到了滿足靜、動態(tài)特性要求的最佳齒數(shù)驅動輪參數(shù)[21]；太原理工大學梁健等對連續(xù)采煤機履帶行走裝置展開研究，建立了連續(xù)采煤機履帶行走裝置的虛擬樣機模型，在 ADAMS/View 虛擬環(huán)境下對前進、后退、爬坡、轉向等各種運行情況下的履帶行走裝置進行動力學仿真分析，最后基于 UG 軟件的 NX Nastran 模塊對驅動輪進行有限元強度及疲勞可靠性分析[22]。而對于履帶車輛與軟土接觸情況的研究則較少，相關文獻利用計算機仿真技術，就履帶預張緊力對車輛軟土通過性能的影響規(guī)律進行研究，以及分析履帶預張緊力對高速履帶車輛的平順性的影響，但都沒有涉及不同土壤特性條件下履帶板和支重輪的受力分析。 20多年來，國內部分院校、研究院所和企業(yè)對橡膠履帶車輛做了一定的研究，如：天津工程機械研究所對橡膠履帶兩棲車輛的研究，中國農業(yè)機械化研究院及南京農業(yè)機械化研究所對水稻收割機橡膠履帶的研究，吉林大學對差速轉向系統(tǒng)的研究，江蘇大學對橡膠履帶嚙合的研究，青島建筑工程學院對橡膠履帶接地齒接地壓力的試驗研究，中國一拖集團有限公司對橡膠履帶拖拉機的研究和杭州永固橡膠廠對橡膠履帶的研究等[23]。 趙文生對履帶式拖拉機行走機構的設計原則和運動受力進行分析，總結履帶行走機構在行走時的影響因素[24]；湖南省農業(yè)機械鑒定站的成詩瑜對水稻聯(lián)合收割機履帶行走裝置中的履帶在水平面內的接地長度、寬度和軌距以及履帶與割臺的配置關系等設計參數(shù)進行初步分析，為履帶行走裝置的設計提供依據(jù)[25]；廣西大學機械工程學院的蔡龍等利用PRO ／ E 分別建立水稻收割機履帶轉向行走機構各部分模型并裝配，導入 ADAMS中建立的水稻收割機履帶轉向行走機構模型，為水稻收割機物理樣機試驗及其轉向行走機構中各部件受力情況及性能的研究分析提供參考[26]；安陽工學院的朱艷芳等針對某型履帶車輛，運用機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件(ADAMS)建立其行走系統(tǒng)的虛擬樣機模型，解決車輛在高速行駛過程中的“脫輪”問題，為履帶車輛的設計提供參考依據(jù)[27]。還有一些關于履帶張緊緩沖裝置的特性分析，履帶支重輪的動力學及疲勞壽命分析，履帶銷疲勞壽命估算，履帶脫輪問題的動力學仿真分析等相關研究均相對較多。 目前的研究熱點包括履帶式車輛行走系的動力學建模和仿真、履帶式車輛操縱機構的優(yōu)化設計、轉向機構的分析與設計、先進液壓傳動系統(tǒng)在履帶式車輛上的應用、新型多功率流履帶式車輛開發(fā)等方面[28]。 目前，用于履帶車輛動力學仿真的軟件主要有ADAMS和Recur-Dyn兩種。ADAMS專門有分析履帶車輛的模塊ATV，新一代多體動力學分析軟件Recur-Dyn則提供了高速和低速履帶車輛的建模工具。近年來對履帶拖拉機的磨損問題研究較少，導致履帶拖拉機行走機構中支重輪的磨損現(xiàn)象日益突出[29]。而履帶拖拉機目前的一個主要缺點是其行走機構如支重輪、導向輪、驅動輪及履帶板(俗稱“三輪一板”)磨損較快。隨著履帶車輛速度的提高，橡膠履帶的脫輪問題也成為人們考慮的重點。目前關于脫輪問題的研究主要集中在設計防脫輪裝置，而對于行走系統(tǒng)結構參數(shù)和脫輪問題的動力學分析還有待研究。 履帶式行走機構在機械行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應用，影響其行走的因素不僅和機械的結構、參數(shù)有關，而且還和地面土壤的性質有著密切的關系[30]。進行設計和分析時要綜合地分析和研究，認真分析各項技術參數(shù)，才能保證履帶行走機構使用狀態(tài)良好，完全滿足使用要求[31[32]]。 3.國內外研究現(xiàn)狀總結 總之，目前國內外對履帶車輛的研究主要集中在軍用車輛和工程機械方面，特別是重型機械如坦克，起重機，挖掘機等。研究多以整機為研究對象，分析也主要側重整機的平順性，行駛穩(wěn)定性以及與路面相互作用機理等，大多局限在理論水平，而對于履帶行走系本身的設計及相關研究則相對較少[33]。在農用機械方面，對履帶式行走系的研究主要是集中在各個關鍵部件的性能仿真分析，對于行走系總成的設計及相關分析也相對較少[34]。因此，對履帶式行走系進行設計及相關分析是必要的。 主要參考文獻： [1]A.C.安東諾夫.履帶行駛裝置原理[M].國防工業(yè)出版社，1957 [2]陳秉聰.土壤-車輛系統(tǒng)力學[M].中國農業(yè)機械出版社，1981 [3]歐陽東，吳耘，張文鳳.半喂入聯(lián)合收獲機橡膠履帶行走裝置的探討[J].農業(yè)機械學報，1983.09 [4]李春英,趙瑞萍.兩種履帶行走機構的討論[J].煤礦機電，2008.04 [5]鞏青松，董阿忠，陳靖芯，秦永法等.履帶式車輛關鍵機構分析與設計[J].農業(yè)裝備與車輛工程,2008.04 [6]周漢林,黃雄輝,鄒詩洋,劉維孟.履帶式聯(lián)合收割機行走裝置的研究[J].研究學苑 [7]趙瑜,閆宏偉.履帶式行走機構設計分析和研究[J].數(shù)字技術與機械加工工藝裝備,2010.5 [8]武真.農機和工程車輛用橡膠履帶[J]. 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