山地果园履带运输机底盘行走机构的设计与仿真

吴伟斌，冯运琳 ，许棚搏 ，张建莉 ，洪添胜，游展辉，朱高伟

(1.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州　510642；2.国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；3.华南农业大学 工程学院，广州　510642 )



山地果园履带运输机底盘行走机构的设计与仿真

吴伟斌1,2,3，冯运琳3，许棚搏3，张建莉3，洪添胜1,2,3，游展辉3，朱高伟3

(1.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642；2.国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；3.华南农业大学 工程学院，广州510642 )

摘要：我国果品产业发展前景广阔，但目前存在的农村劳动力减少、人口老龄化和南方果园多处于山地等问题制约了其发展，因此机械化已成为山地果园经济发展的迫切需求。为了提高运输机械在南方山地果园的通过性和稳定性，设计了一种灵活、轻便的山地果园履带式运输机底盘行走机构，使其具备爬越10cm垂直障碍、跨越20cm壕沟障碍和爬坡30°的能力。对行走机构进行结构设计，通过建模软件Pro/E进行三维建模，并创建虚拟样机模型和典型的高台壕沟地形。通过动力学软件ADAMS/VIEW对机构进行动力学仿真分析，结果显示：在越障过程中，质心横坐标位移绝对误差在±5%，质心纵坐标位移绝对误差在±3%。

关键词：山地果园； 履带运输机；行走机构； 越障； 运动仿真

0引言

作为世界第一大水果生产国与消费国，我国果树资源丰富，果品产业市场前景广阔。但目前存在的农村劳动力减少、人口老龄化和南方果园多处于山地等问题制约了其发展，因此山地果园机械化已成为山地果园经济发展的迫切需求[1-3]。

履带式行走机构主要由驱动轮、导向轮、拖带轮、履带板和履带架等构成，可将车轮卷绕在圆环状的循环轨道内，使之不与地面直接接触，通过履带缓和不平地面造成的振动[4-7]。

关于适应多地形的行走机构的研究[8-11]，国内外已基本实现了爬坡、越障、避障等功能；但对于体积和质量都相对较小的行走机构而言，其爬坡越障和穿越沟壑的能力还相对有限。

为了提高运输机械在南方山地果园的通过性及稳定性，本文设计一种灵活、轻便的山地果园履带运输机底盘行走机构，并进行仿真分析[12-15]。

1总体设计

1.1　性能参数

通过设计，使行走机构具有如下特点：在平坦路面，具有较高的运动速度和较低的能耗；在松软、沼泽、不平坦地形、陡峭斜面等自然环境下，保持较好的穿越能力；具备较灵活的转向性能；结构紧凑，质量轻，体积小。

主要参数为：自身质量为15kg；正常速度为0.4m/s，峰值速度为0.6m/s；可爬越垂直10cm的障碍；具备爬坡30°的能力；可跨越20cm的壕沟。

1.2　传动机构设计

传动机构主要由两个履带轮系组成，如图1所示。每个履带轮系包括1个驱动轮、1个支撑轮、1个诱导轮和3个承载轮。通过电机控制驱动轮，带动后轮驱动，同时通过差速器实现行走机构的转向。

图1　传动机构图

2机构设计及建模

2.1　驱动系统设计

2.1.1驱动系统的运动分析

将整个机构作为研究对象，在坡度为α的山地斜坡上匀速直线行驶，不考虑空气阻力，左右驱动完全对称。

根据要求的行驶最大速度V=0.6 m/s计算，可确定电机经过减速后的最大输出转速为229.30r/min，单个电机的功率为62.55W。

2.1.2电机及减速器的选取

行走机构在山地斜坡路况对驱动电机的瞬间负载较大，电机应有较强的瞬间过载能力。因此，优先选用83ZY125-2430永磁直流电机，参数如表1所示。根据表中数据及所需要的转速，选择减速器减速比为1：16。经修正的齿轮参数如表2所示。

表1　电机参数

表2　齿轮参数

2.2　结构设计

该机构主要由履带系统和动力系统组成，如图2所示。通过Pro/E建立三维模型，如图3所示。

图2　行走机构结构设计图

图3　行走机构三维图

履带通过内外齿结合传动。内齿与主动轮啮合，实现运动传递。内齿宽度较履带稍窄，装卡在两侧挡圈之间，同时使履带外齿完全接触地面。履带的整体宽度增加，脱离轨道的概率降低，结构如图4所示。

图4　履带模型图

3仿真分析

3.1　仿真地形的建立

对行走机构进行壕沟和高台跨越两种地形进行仿真分析，地形建模如图5所示。

图5　地形模型

3.2　运动仿真分析

在ADAMS中，对模型进行约束以及接触的设置，并添加驱动，采用step函数。

前曲柄摆臂的驱动函数设置为：step(time,0,0,0.5,1.57)+step(time,2.9,0,3.4,-3.14)+step(time,4.7,0,5.2,2.355)+step(time,7.6,0,8.1,-0.785)。

起始状态时，后摆臂为垂直位置。前摆臂的运动过程为：在0～0.5s，电机向前旋转90°，准备跨越；在0.5～2.9s，保持原有状态，前轮跨越；在2.9～3.4s，电机向后旋转，完成跨越；在3.4～4.7s，保持上次状态，进行壕沟跨越；在4.7～5.2s，前摆135°，与水平呈45°，准备高台跨越；在5.2～7.6s，保持上次状态，完成曲柄臂高台跨越；在7.6～8.1s，完成整个机构高台跨越、复位。前摆臂驱动的跨越情况如图6所示。

图6　前摆臂驱动时的跨越图

后曲柄摆臂的驱动函数设置为：step(time,0,0,2,0)+step(time,2.9,0,3.4,-1.57)+step(time,4.7,0,5.4,3.14)+step(time,7.6,0,8.1,-1.57)。

起始状态时，后摆臂为垂直位置。前摆臂的运动过程为：在0～2.9s，前轮无运动，保持起始状态；在2.9～3.4s，准备壕沟跨越；在3.4～4.7s，保持上次状态，完成壕沟跨越；在4.7～5.4s，准备高台越障；在5.4～7.6s，保持上次状态，完成高台越障；在7.6～8.1s，恢复初始状态。后摆臂驱动时的跨越情况如图7所示。

图7　后摆臂驱动时的跨越图

3.3　结果分析

质心水平及竖直方向的位移和驱动轮的力矩测量输出结果如图8～图10所示。

图8　质心横坐标位移图

图9　质心纵坐标位移图

图10　驱动力矩图

数据分析表如表3及表4所示。其中，X、Y为仿真位置，X0、Y0为理论位置。

表3　质心横坐标误差分析

续表3

表4　质心纵坐标误差分析

在2.2s，行走机构在到达壕沟对面时力矩增大。因为整个行走机构的行进速度未曾变化，所以与高台发生碰撞接触。在跨越壕沟之后，当接触到高台时，前后摆臂的力矩瞬间增大。随着跨越过程的推进，力矩恢复波动，此时后轮与高台接触，瞬间力矩增大，同时完成后部跨越。

分析质心的水平和竖直位移数据，在6.6～6.8s这一时间段，整个行走机构质心几乎静止。在重力的作用下，以与高台的接触点为基点，发生位置状态的摆动，完成跨越。在越障过程中，质心横坐标位移绝对误差为±5%，质心纵坐标位移绝对误差为±3%。

4结论与展望

1)对行走机构进行结构设计，并且通过Pro/E进行建模，建立了行走机构虚拟样机模型和高台壕沟地形。

2)通过多刚体运动仿真软件ADAMS，对行走机构进行壕沟和高台跨越两种地形进行仿真分析，结果显示：在整个壕沟与高台的越障过程中，质心横坐标运动绝对误差为±5%，质心纵坐标运动绝对误差为±3%。

在本文研究的基础上，还可进行如下改进：

1)该机构相应的电路设计、控制设计也需要做进一步的研究与设计。

2)采用一体化的结构设计，底盘的强度增加，但在各种实际地形下机构的通过性有待提高。因此，建议将底盘整体结构改为几个底盘部件连接组合的结构，增加自由度，以增加对地形的适应性。

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Design and Simulation of Running Gear in Hilly Orchard Tracked Vehicle

Wu Weibin1，2，3, Feng Yunlin3, Xu Pengbo3, Zhang Jiangli3,Hong Tiansheng1，2，3, You Zhanhui3, Zhu Gaowei3

( 1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China; 2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System, Guangzhou 510642, China; 3.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：The prospect for development of fruit industry is flourishing in china, but it is restricted by some factors such as the decrease of labor, the aged tendency of population and the orchards that mainly located in south mountainous region in the meantime. Therefore, mechanization has become an urgent demand for economic development in hilly orchard. In order to improve the passing ability and stability of tracked vehicle in hilly orchard, this paper designed a running gear in hilly orchard tracked vehicle with characteristics of flexibility and portability and aimed at making this running gear with the ability to climb vertical obstacles of 10cm, cross trenches of 20cm and climb slopes of 30°. The structure was designed and the modeling software Pro/E was applied for the three-dimensional modeling. A virtual prototype model and a typical high-trench terrain was created. Model of running gear was made the simulation through ADAMS / VIEW. The results showed that, in the process of obstacle-crossing, the absolute error for the centroid of abscissa displacement was 5% and the absolute error for the centroid of ordinate displacement was 3%.

Key words：hill orchard; tracked vehicle; running gear; obstacle-crossing; motion simulation

中图分类号：S219.032

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0112-05

作者简介：吴伟斌(1978-)，男，广东中山人，教授，硕士生导师，博士，中国农业工程学会高级会员(E041200601S)，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。通讯作者：洪添胜(1955-)，男，广东梅县人，教授，博士生导师，博士，中国农业工程学会高级会员(E041200036S)，(E-mail)tshong@scau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203016，201403036)；惠州市产学研结合项目(2013B050013015)

收稿日期：2015-11-12