果园履带运输机设计说明书.docx

1、果园履带运输机设计说明书 摘 要我国果园多采用单户小面积栽植方式，普通农业机械的果园通过性低，果园管理作业几乎都要靠人工来完成，工作效率非常低，直接影响着果树的生长、果实产量、果品质量及果农经济效益。近几年随着我国果树栽培模式的变革，一些新建果园采用矮砧密植型栽培模式，并对传统的乔砧密植型果园进行间伐提干改型，为果园机械化作业提供了发展条件。本课题针对果园作业机械现状及其需求，通过对国内外多功能果园作业机械发展现状调查分析，结合园艺技术，研究设计了专门用于辅助果树修剪、植保、果实采摘、运输等具有一机多用型的果园作业平台。所做主要工作包括：根据果树栽培模式及园艺要求，确定多功能果园作业平台的总体

2、设计参数，根据机具的作业环境，采用履带式行走机构，在分析履带式行走机构和剪叉式升降台的工作原理的基础上，通过运动学和动力学知识确定总功耗等基本参数。 关键词：果园；作业平台；底盘AbstractBecause of our orchards are mostly planted a small area of single-family way,common agricultural machinery hard to cross orchard,orchard management practices have to rely on manual methods,work efficienc

3、y is very low,directly affects the impact on fruit growth, yield,fruit quality and economic efficiency of farmers. As Chinas change of apple cultivation model in recent years, some new type of conventional orchards Joe anvil type high density thinningto mention dry variant, provides for the developm

4、ent of mechanized orchard conditions. operations,through the development ofdomestic and international multi-orchard operating machinery survey analysis,combinedwith horticultural technology,research and design specifically for supporting fruit treespruning,plant protection, fruit picking,transportat

5、ion and other multi-purpose orchardoperating platform. Main work done by this paper include: According to fruit growing and gardening requirements model parameters,according to the mechanical operating environment, using a crawler running gear,in the analysis of crawler-type running gear and scissor

6、 lift work platform based on the principle, kinematics and dynamics determined by the total power consumption of the basic parameters. Key words: orchard; platform; batholith 引 言为了减少劳动强度，提高农民劳动热情，增加果园产量，降低果实收获运输成本，实现现代农业的机械化，一种果园运输机械将成为一种迫切的需求。我国南方果树种植大部分在山地地区，由于地形的制约，传统的道路运输（如拖拉机）不能很好的满足运输要求，并且带有一定

7、的危险性。目前市场上没有可采用的果园运输机械国内外学者对如何克服各种不利因素，开发出适应山区果园条件的运输机械，进行了大量的研究与探讨，如铺设单轨道与双轨道山地的果园运输机。这种山地运输机械具有运输量大、效率高的基本特点；但轨道只能铺设在主要干道上，在果树丛中是无法铺设轨道的，运输时也只能将所运物料装卸在临近轨道的路边。如何创新性地开发一种适应于华北山区果园条件，适于中老年人操作的，能在果园树丛间自由穿行，并能对果品、肥料、杂草、枝杈等进行运输作业的省力化车型，是本课题研究的主要落脚点。为此本文设计山区果园运输机械的行走机构设计。第1章 履带装置行走系统概述履带式行走装置的功用是支承机体及机械

8、的全部质量，将发动机传到驱动轮上的扭矩转变成机械行驶和进行作业所需的牵引力，传递、承受各种力、力矩，缓和路面不平引起的冲击、振动。履带式行走装置有结构完全相同的两部分，分别装在机械的两侧，主要由支重轮、托链轮、引导轮、缓冲装置及履带等组成。图 a 图a 为履带行走装置的结构图，其中5支重轮总成；6密封履带总成；7行走梁机构；8导向轮总成；9张紧装置护罩；10车辆型液压油缸；11油缸支架；12托链轮总成；13轴系统总成；14驱动轮支座；15牵引支架；16张紧装置。1.1 履带式行走装置的特点橡胶履带是一种橡胶与金属或纤维材料复合而成的环形橡胶带，主要适用于农业机械、工程机械和运输车辆等的行走部分

9、。橡胶履带行走机构不破坏路面，具有接地比压小、通过性好、越野能力强、结构简单及无需维护等特点。橡胶履带为无接缝整体式设计，行走阻力比普通金属履带小15% 左右，并且有吸振作用，可以减轻机器的震动，延长机器使用寿命。履带中部厚、两侧渐薄的结构设计使其转向更为灵活。使用橡胶履带能改善农业机械与建筑机械等机械的行驶性能，扩大其使用范围。1.2果园机械发展历史 果园农机与农艺孤立， 未能有机融合 国内外实践表明，农机农艺融合，相互适应，相互促进，是建设现代果业的内在要求和必然选择。目前，我国农机与农艺专家之间缺乏交流， 果树种植和栽培管理模式与机械装备不能相互配套问题特别突出。 果园标准化主要是从农艺

10、角度开展， 缺乏对机械装备和设施的考虑， 没有预留机械装备和设施的安装及使用空间；同时果园机械装备的研发缺乏针对性，严重影响果树机械化生产的推广应用， 大规模机械化作业实现十分困难。橡胶履带(rubber track)是为了适应近代各种机械技术发展，模拟金属履带而研发的跨机械、橡胶专业的新型行走部件。橡胶履带的发展历史是橡胶制品不断配合和满足各种机械发展的历史。在上世纪 60 年代日本一家农业机械制造公司(ISEKI)的工程师提出设想，委托橡胶企业(BRIDGE STONE)开发了第一条替代金属履带的橡胶履带，并应用在水稻收割机械上。由于橡胶履带比重轻，机器的接地比压较小，收割机可以在泥水的稻

11、田中工作，从而使水稻机械化收割得以推广。经几十年的发展，日本发展成为橡胶履带的主要生产国家，以 BRIDGE STONE(BS)、FUKUYAMA(FRC)为代表的橡胶履带制造厂，在产品品质、规格品种、市场知名度及份额上都占有排头的地位在世界上发达国家使用橡胶履带作为行走部件较为普遍，使用橡胶履带多的国家和地区依次是日本、北美、欧洲。 我国橡胶履带开发研制工作始于 20 世纪 80 年代末期，是利用日本 BS 和 FRC 技术发展起来的。BS 在中国等国家均有工厂生产橡胶履带。FRC 与中国杭州橡胶（集团）公司永固橡胶厂建立技术合作关系，永固厂现己发展成大型橡胶履带生产基地，向全世界供应橡胶履

12、带。我国先后在杭州、镇江、沈阳、开封及上海等地成功开发了多种橡胶履带，用于农业机械、工程机械和输送车辆等，并形成了批量生产能力。目前，估计全国新机械橡胶履带特别是农用橡胶履带的用量为10万条/年，销后服务市场10万条/年，从总数上看，我国己成为世界上橡胶履带生产使用大国，但由于产品品质及知名度的关系，还多属于低端产品，在国际上廉价销售。由于采用了橡胶履带行走系统噪声低、振动小、乘坐舒适。目前，我国橡胶履带的品质与国外的产品差距甚小，而且还具有一定的价格优势。但我国在橡胶履带使用范围较窄，工程机械仍多采用金属履带。国内工程机械主机厂装配橡胶履带的产品也多数销售到海外市场。 表 1.1 橡胶履带的

13、应用应用领域应用产品工程机械挖掘机、装载机、钻机、压实机、起重机农用机械大型拖拉机、多功能机械运输机械运输车辆、装甲运兵车雪地机械除雪机、雪地摩托特种机械全路面坦克 起重机械 推土机 橡胶履带的使用极大地扩展了履带式和轮式行走运输机械的应用范围，克服了各种不利地形条件对机械作业的制约，其在拖拉机、各种农业和工程及运输机械中的应用必将进一步扩大。其发展趋势是在改进结构、采用新材料和新技术基础上提高寿命，并向轻量化、大型化、高强化、多品种、多功能与可调换化方向发展，进一步满足在各种恶劣气候与地形条件下使用和大吨位工程机械运输车辆使用的要求。随着科学技术的发展和完善，橡胶履带将由易损件演变为功能件，

14、其使用寿命的极大提高是完全可以实现的。第三章 运输机行走装置的总体方案设计3.1橡胶履带结构设计特点橡胶履带设计的前提是对相关机械车辆类型、车轮结构、功率、速度、用途和工作条件进行了解，设计范围包括驱动方式、承载与牵引强度的计算、结构材料品种型号的选择，断面结构的布置、花纹形态和高度及胶料配方性能等方面的工作。芯金用于传递驱动轮的动力或者保持橡胶履带的刚度，为防止脱轮一般设有防脱离突起。材质使用锻钢(相当于 SSOC),铸钢(相当于 FCD45)。芯金的设计应保证使用中抗弯、耐磨、抗剪切、抗扭转和横向支撑的能力，不会出现裂纹和断齿。芯金在受弯曲力时，保持弹性变形的最大应力不小于机重的 0.5

15、倍。强力层用以保持橡胶履带的张力，一般使用钢丝帘线，也使用聚芳基酞胺纤维等。为提高刚度有时加入 12 层斜裁帘线。强力层设计要能保证履带的拉伸强度，保持履带节距的稳定。对材料强度的计算应考虑到超载和使用中外力与环境造成的机械和化学的腐蚀破坏作用。履带的纵向拉力设计应大于机重的 5 倍以上，按公式(2-1)计算：F = fC(2-1) 式中：F 履带的纵向拉力，N；f 单根钢丝线(绳)破断力，N；C 履带的纵向单根钢丝线(绳)的总根数。 在牵引材料的结构层次布置上，要考虑到不同纤维材料间的合理组合。在保证拉伸强度与节距稳定的同时，提高履带的纵向柔顺性、耐用性和减小产品质量。 钢丝帘线(绳)与橡胶

16、的粘合强度指标应符合表 2.3 的规定。钢丝帘线（绳）直径/mm粘合强度/kN.m-1钢丝帘线（绳）直径/mm粘合强度/kN.m-11.0 104.15.0701.12.0 205.16.0802.13.0 406.17.0903.14.0 60 缓冲层用以包覆芯金和补强带，接地面一侧带有凸缘。所用橡胶具有耐割裂性、振动性、啮合性和耐久性等性能。而这些性能在很大程度上取决于履带与机身的匹配、用途、行驶路面等。缓冲层的选材与布置不仅要能对强力层牵引件起到增强和保护作用。履带的外层胶花纹块的选型与高度设计应以适应地形条件和提高牵引力为前提，当然也需顾及成本。花纹的构型应避免应力集中，改善抗裂口增长

17、性及减少碎石挤压入花纹内造成橡胶的早期损坏。 目前多数橡胶履带制造企业采取实物测绘、解剖分析的方式进行橡胶履带的结构设计。橡胶履带的理论力学、材料力学及有限元分析与应用尚在起步阶段。花纹侧胶用来防止带体受机械损伤穿洞和穿孔和早期磨损，向路面传递车辆的牵引力和制动力，增加与路面的附着力，以及吸收与传递履带在运动时的振荡。其行驶部分是由不同形状的花纹块、花纹沟所构成的表面。橡胶履带表面的花纹形状则是根据其用途精心设计，有平行、单梯、双梯、三角、蝶型、雪花、锯齿、导轨等各种类型。花纹侧胶应具备良好的耐磨、耐穿刺、抗撕裂、抗崩花掉块、耐屈挠龟裂、抗裂口增长性、耐空气中氧、臭氧、日光老化，以及耐拉伸永久

18、变形性能和动态疲劳性能等。橡胶履带应在-25+55范围内使用。底胶在花纹侧胶下层是基部胶，用来缓冲振荡和冲击。底胶在多次变形下，因摩擦作用而放出大量的热。因此，底胶应具备生热低、有良好的导热性、具有高弹性、与缓冲层胶粘合性能佳等特点。钢丝帘线胶应有与钢丝良好的粘合强度、具有较高的弹性与柔软性、良好的导热性、良好的气密性，在多次变形下生热性应当极小，应有高度的疲劳强度、有高度的耐热性能、耐多次剪切变形性能。 布层胶应具有耐热、弹性高、耐老化、耐多次变形性能、抗撕裂、永久变形小等特点。与帘布、钢丝帘线胶有良好的附着力，有良好的压延工艺性能。齿胶应具有与芯金良好的粘合强度、与轮侧胶有良好的粘合性、较

19、高的强度与刚性，未硫化状态的流动性要低，硫化状态流动性要好。轮侧胶应具有较高的弹性、抗撕裂性、耐空气中氧、臭氧、日光老化，耐屈挠龟裂、抗烈日增长性，较好的回弹性、耐压缩永久变形性和动态疲劳性能等。最 大 适 应 重 量 = 本 机 重 量 + 可 能 装 载 的 最 大 重 量 ( 包 括 人 、 物 质 零 件 、燃料等)当用于运输车辆时，因超载总是难免的，所以在选用橡胶履带时可将超载量也计算在内。所需的规格要求也可根据上述格式由供需双方协商而定。根据具体的使用情况，履带生产厂可向需方提出机械链轮配置图(详见图 2-7)所示的传动方式作为推荐方案。关于与橡胶履带配套的机械链轮，可按实际行驶情

20、况对直径和齿形进行调整。机械链轮节径如图 2-8。 图 2-8 机械链轮节径示意图 链轮节径；链轮根径； P 橡胶履带的节距； n 链轮齿数；C 从橡胶履带的内周面到芯部中心的距离。 图 2-9 橡胶履带使用张力示意图 橡胶履带的张力的大小是衡量橡胶履带在使用过程中极重要的一个性能指标，如果张力太小，在行过程中易导致脱轮(即橡胶履带脱落现象)，成为故障的原因。橡胶履带张力的确定，应按配套机械使用说明书的规定进行校正。在一般情况下可参考图 2-9 所示的方法进行调正。图 2-10 橡胶履带花纹结构3.1.1履带车辆的接地比压通常所说的履带车辆接地比压均指平均接地比压一般地说，q 值愈小，履带车辆

21、在松软地面及泥泞地面的沉陷也愈小，从而使行驶阻力降低，同时也不易破坏岩土的抗剪强度而保证车辆附着力的充分发挥。而实际上，由于支重轮的间距与数目不同，各支重轮所承受机重不同，以及履带支承面下方岩土的不均匀性等因素的影响，履带接地段各点的接地压力是不同的，同时，由于整机重心相对两条履带对称中心线的偏移，也使两条履带的接地压力不同，甚至在接地压力分布上也不同。 图2-11橡胶履带模型3.1.2行走机构主要尺寸参数的确定名义接地压力即平均接地比压或平均单位压力, 为整车重量除以履带接地面积，此指标为履带车辆设计总体参数选择的依据。履带接地长度L、轨距B和履带宽度b应合理匹配，使平均接地比压、附着性能和

22、转弯性能符合要求。履带式车辆的自重和工作载荷通过履带传递到地面上，履带的接地比压决定了机械的通过性，履带的条数和总接地面积由机器重量和地面所能承受的接地比压所决定。按行走装置的工作环境允许的平均接地比压值p50kPa。根据履带数和平均接地比压确定总接地面积：AG/P 总接地面积 A=2Lb 其中： L行走装置的接地长度，单位为 m；G机体的重量，单位为 kN；b履带的宽度，单位为 m。根据果园作业平台的实际工况，取 G=10kN，由公式可得：2Lb(10/50=0.2) 履带行走装置的接地长度和履带轨距的比值对履带行走机构的转向性能和转向所需的功率影响很大，如果比值超过 1.7，履带行走装置很

23、难转向，如果比值小于 1，行走机构的直线行走能力较差，必须频繁的转向一般L/B=1.2-1.4 取L/B=1.3 根据新型果园多采用低矮密植型种植模式，考虑果树的行距，且要求作业平台具有良好的通过性和转向性能，取履带轨距为 0.7m。 所以 L = 0.7 1.3 =0.91m 又由经验公式： b/L=0.180.22 取 b/L=0.2 b = L 0.2 =0.182ma)履带板结构的选择履带板的型式很多，标准化后规定采用重量轻、强度高、结构简单和价格较低的轧制履带板。履带板有单筋、双筋和三筋数种。本机采用三筋式普通履带板，这种履带板筋稍短易于转向，且由于筋多使履带板的强度和刚度提高，承重

24、能力大,主要用于小型工程机械。三筋板上有四个连接孔，中间有两个清泥孔。当链轨绕过驱动轮时可借助轮齿自动清除链轨节上的淤泥。相邻两履带板制成有搭接部分，防止履带板之间夹进石块而产生高的应力。b)履带节距履带节距，随自重的增大而线性增大根据节距 t0与机器重量 G 的关系： t0= (15- 17.5) G = (15- 17.5) 100mm c)履带的强度计算（1）履带的计算工况整机在斜坡上工作时，一侧履带所能传递的最大驱动力，取决于土壤的附着条件，即： (5-4)取自工程机械底盘构造与设计P314式中：附着系数，取； 考虑在斜坡上工作时，整机重量在一侧履带上分配系数，取。所以：（2）强度验算

25、 由于履带的主要破坏形式是磨损，因此只需要校核履带销的剪切强度： （5-5）取自工程机械底盘构造与设计P315式中：履带销直径；所以履带销采用50Mn，履带销套采用20 Mn，履带板的材料采用40Mn2Si。 50Mn的剪切强度：275Mpa所以，履带销的强度满足要求。（3）校核轨链节的抗拉强度对于钢制履带，履带板应验算其拉伸应力，危险截面是销孔的最窄处： (5-6)取自工程机械底盘构造与设计P314式中：履带销套半径，； 履带销半径，； 一块履带板一端的各销孔宽度之和， 。 需用拉伸应力，所以所以，履带的抗拉强度满足要求。d)橡胶履带的选择对于设计所需的橡胶履带及其参数可根据相关履带生产厂家

26、来确定，这里选型杭州德卡橡胶有限公司的履带,其履带宽度为230mm，与所设计的刚履带同宽，履带参数如表如表3所示。类型如下：表 3 履带参数项 目参 数履带类型可更换型履带宽度b（m）0.23节 距t0（m）0.096花纹类型V2/C钢丝绳高度（m）0.018内轨宽度（m）0.022外轨宽度（m）0.076最大机体质量（kg）2300导轨类型B3.1.3履带条数 履带条数主要根据履带行走装置所服务的设备质量来确定。设备质量与履带条数关系一般如表4 所示。 表 4 设备质量与履带条数关系设备质量 /t1 0001 5006 00012 000履带数量 / 条23612履带与底座的连接方式双履带行

27、走装置中履带架与底座的连接，可以是刚性连接，也可以是摆动铰接。（1） 两条履带均与底座刚性连接，如图 2-12（a）所示。刚性连接的履带装置，其各个零件的载荷分布是不静定的，设计时应考虑到最不利情况，即载荷仅通过两点传递；该连接方式具有很高的防倾翻能力，允许上部结构的重心位置有较大的偏移，主要用于小型机器，最大承重量一般不超过 5 000 kN。（2） 一条履带与底座刚性连接，另一条铰接。该连接方式的优点在于载荷可以静定地分配到各履带的零件上，部分零件设计时比较简单，但其防倾翻能力相对较差，如图 2（b）所示。（3） 两条履带均与底座铰接，如图 2-12（c）所示。该连接方式允许履带架相对于底

28、座摆动，底座在履带架上的安装条件是不稳定的，需要第三个支承点，该点由安装在两履带间的横向平衡梁支承。底座与履带架铰接点的位置，必须位于履带的中点上。这种连接方式是大型双履带行走装置的主要应用形式，最大承重量一般不超过 10 000 kN。 图 2-12 履带与底座的连接方式（a） 两端刚性连接 （b） 一端刚性连接，一端铰接 (c) 两端铰接3.1.4双履带转向方式双履带行走装置通过调整两条履带的驱动力来克服转向阻力矩，其转弯方式可分为 3 种：1）两条履带以不同速度同时向前运行，按一定的转弯半径向低速侧转弯；2） 一条履带正常驱动，另一条履带制动，向制动侧转弯，称为单边转弯；3） 两条履带以

29、相反的方向同时驱动，整机绕履带装置的形心回转，称为原地转弯。第一种转弯方式，转弯半径较大，并需配置无级变频调速装置，成本较高。大多数情况下，双履带行走装置采用单边或原地转弯方式。当地面条件较差时，也可采用折线式转弯，即多次急转弯与直线运行相结合。由于每次转弯角度小，对地面破坏较轻，可减轻履带的下陷程度，避免转弯附加阻力的急剧增加。3.1.5结构布置及参数(1)履带支承长度L，轨距B 和履带板宽度b 应合理匹配，使接地比压，附着性能和转弯性能均符合要求；(2)履带节距t0 和驱动轮齿数z 应在满足强度、刚度的情况下尽可能取较小值以降低履带高度；(3)驱动轮齿数一般为奇数，z=1923。为使H0

30、不致过大，又兼顾履带运动的平稳性，当t0 取小值时则z 取大值，当t0 取大值时z 取小值。 图 2-13 履带式行走机构示意图（4）计算后再圆整。式中：履带全长， （2-4）根据橡胶履带驱动轮的节距计算公式:D= t0/sin(180/n)其中：D驱动轮直径； t0履带节距； n驱动轮齿数。选择 n=9，经计算 D=0.28m。导向轮直径比驱动轮直径略小，一般D/ Dk=0.80.9取 Dk=0.25考虑减小摩擦，选择托带轮个数为每边 1 个。根据上述计算分析，最终确定行走机构形式为，2 条橡胶履带，多支点，支撑轮与履带架为刚性连接。参数如表 5。表 5参数项确定值单边履带接地长度（m）0.96履带轨距（m）0.7驱动轮齿数（个）25驱动轮分度圆直径（m）0.178导向轮外圆直径（m）0.145支重轮外圆直径（m）0.188单边支重轮数量（个）4支重轮间距（m）0.24单边托带轮数量（个）1托带轮外圆直径（m）0.13.1.6张紧力的调整履带的张紧方式一般有固定张紧和弹簧张紧。在履带的预张紧力的计算上，一般都采用经验公式计算，以机器重量乘以一个经验数就作为履带的预张紧力，往往不能适应不同的履带行走机械，张力太大, 功率损失大，并使履带产生非常大的张力，导致履带伸长，节距发生变化，会加快各部零件的磨损。张力偏小, 履带又变得