山地果园履带运输机底盘行走机构的设计与仿真

　　作者：吴伟斌

　　摘要：我国果品产业发展前景广阔，但目前存在的衣村劳动力减少、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

　　引言

　　作为世界第_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E_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^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

　　收稿日期：2015-11-12

　　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)

　　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。

　　文章编号：1003-188X(2016)12-0112-05

　　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、陡峨斜面等自然环境下，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。

　　o112o

　　?1994-2016ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net

　　2016年12月

　　农机化研究

　　第12期

　　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a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=0.6m/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

　　Table1Parametersofmotor

　　名称符号单位数值

　　额定电压UnV24

　　空载转速N〇r/min3000

　　空载电流1〇A0.9

　　额定转速nnr/min2500

　　额定转矩TnNom0.3

　　输出功率PW77

　　额定电流InA4.6

　　堵转转矩TeNom1.8

　　堵转电流IeA20

　　表2齿轮参数

　　Table2Parametersofgear

　　齿轮参数1:1传动齿轮

　　符号单位

　　名称齿轮1齿轮2

　　齿数Z2020

　　模数mmm33

　　分度圆直径dmm6060

　　齿宽bmm2428

　　齿根圆直径dfmm52.555

　　齿顶圆直径damm6666

　　传动比i1

　　中心距amm60

　　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

　　Fig.2Designchartofrunninggear

 

　　Fig.3Three-dimensionalmodelingofrunninggear

　　履带通过内外齿结合传动。内齿与主动轮嗤合,

　　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

　　Fig.4Three-dimensionalmodelingoftrack

　　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

　　Fig.5Three-dimensionalmodelingofterrain

　　o113o

　　?1994-2016ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net

　　2016年12月

　　农机化研究

　　第12期

　　Fi

　　20.0

　　10.0

　　-10.0

　　-20.0

　　-30.0

　　-40.0

　　-50.0

　　-60.0

　　-70.0

　　-80.0

　　Fig

　　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.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。

 

　　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。

　　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。

 

　　g.9

 

　　Fig.7

 

　　Fig.8Chartofabscissadisplacementforthecentroid

 

 

 

　　图6前摆臂驱动时的跨越图

　　U.6Chartofcrossingontheoccasionofdriveforfrontswingarm

　　后曲柄摆臂的驱动函数设置为：step(time,0,0,

　　+step(time,2.9,0,3.4,-1.57)+step(time,4.

 

　　图7后摆臂驱动时的跨越图

　　Chartofcrossingontheoccasionofdriveforrearswingarm

　　2.03.04.05.06.07.08.09.0

　　时间人s

　　图9质心纵坐标位移图

　　Chartofordinatedisplacementforthecentroid

　　曲线

　　卜

 

 

 

 

 

 

 

　　.02.03.04.05.06.07.08.09.0

　　时间/s

　　图10驱动力矩图

　　Fig.10Chartofordinatedisplacementforthecentroid

　　数据分析表如表3及表4所示。其中，X、Y为仿

　　真位置,X。、Y。为理论位置。

　　表3质心橫坐标误差分析

　　Table3Erroranalysisoftheabscissa

　　时间X轴质心Xu轴质心相对误差绝对误差

　　t/s/mm/mm/%/%

　　050050000

　　110501000505.0

　　215701500704.6

　　320902000904.5

　　4261025001104.4

　　o114o

　　日oN/跋CTS

　　日p/鹋榧謖潋

　　圓/狳赵

　　画/蠢

　　EP/赵妪截墩

　　?1994-2016ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net

　　2016年12月农机化研究第12期

　　续表3

　　时间X轴质心Xu轴质心相对误差绝对误差

　　t/s/mm/mm/%/%

　　5314030001404.6

　　636603750-902.4

　　738203750701.9

　　8435042501002.4

　　表4质心纵坐标误差分析

　　Table4Erroranalysisoftheordinate

　　时间Y轴质心YJ轴质心相对误差绝对误差

　　t/s/mm/mm/%/%

　　028028000

　　128028000

　　228028000

　　328028000

　　428028000

　　528028000

　　6380370102.7

　　745746030.1

　　8474460143.0

　　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_步的研究与设计。

　　2)采用_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。

　　参考文献：

　　1吴伟斌，赵奔,朱余清，等.丘陵山地果园运输机的研究进展J.华中衣业大学学报,2013,32(4):135-142.

　　2]朱余清，洪添胜,吴伟斌，等.山地果园自走式履带运输车抗侧翻设计与仿真J.衣业机械学报,2012,43(4):19-

　　24.

　　3]李新广，杨绍荣.山地果园机械的现状与展望J].湖北衣机化,2012(3):20-21.

　　4]YounI,TchamnaR,LeeSH.Previewsuspensioncontrolfor

　　afulltrackedvehicleJ].InternationalJournalofAutomotive

　　Technology,2014,15(3):399-410.

　　5]刘大为,谢方平，李旭，等.果园采摘平台行走机构的研究现

　　状及发展趋势J.衣机化研究,2013,35(2):249-252.

　　6]CarmineSenatore,MarkusWulfmeier,IvanVlahinic,etal.

　　Designandimplementationofaparticleimagevelocimetry

　　methodforanalysisofrunninggear一soilinteractionJ].

　　JournalofTerramechanics,2013,50(5):367-372.

　　7]濮良贵，纪明刚.机械设计M].北京：高等教育出版社，

　　2006.

　　8]KyprianouAE,LiuRL.Supercriticalsuper-Brownianmo-

　　tionwithageneralbranchingmechanismandtravellingwaves

　　J].AnnalesdeLlnstitutHenriPoincare,2012,48(3):

　　661-687.

　　9]IsabelleVincent.Acombinedreactiveandreinforcement

　　learningcontrollerforanautonomoustrackedvehicleJ].

　　RoboticsandAutonomousSystems,2012,60(4):756-

　　760.

　　[10]王东亮，孙逢春,程守玉，等.一种新型变形轮行走机构

　　研究J].北京理工大学学报,2012,32(1):33-36.

　　11]RuthBaker,MatthewSimpson.Modelsofcollectivecell

　　motionforcellpopulationswithdifferentaspectratio：Dif-

　　fusion,proliferationandtravellingwavesJ].Statistical

　　MechanicsanditsApplications,2012,391(14):3729-

　　3750.

　　[12]陈长征.可变形履带行走机构跨越台阶的动力学分析

　　J].沈阳工业大学学报,2015,37(2):110-125.

　　[13]张宏.滑动式履带行走系统动力学建模方法与试验J].

　　振动测试与诊断,2015(1):70-75.

　　14]宿月文.履带机械地面力学建模及牵引性能仿真与试验

　　o115o

　　?1994-2016ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net

　　2016年12月农机化研究第12期

　　J.西安交通大学学报,2009,43(9):134-138.其反馈控制J.清华大学学报：自然科学版,2006,46

　　[15]李岩,杨向东，陈恳.履带式移动行走机构动力学建模及（8):1377-1380.

　　DesignandSimulationofRunningGearinHillyOrchardTrackedVehicle

　　WuWeibin1'2'3,FengYunlin3,XuPengbo3,ZhangJiangli3,

　　HongTiansheng1'2,3,YouZhanhui3,ZhuGaowei3

　　(1.KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation,Guangzhou

　　510642,ChinaI2.DivisionofCitrusMachinery,ChinaAgricultureResearchSystem,Guangzhou510642,China;3.

　　CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

　　Abstract：Theprospectfordevelopmentoffruitindustryisflourishinginchina,butitisrestrictedbysomefactorssuch

　　asthedecreaseoflabor,theagedtendencyofpopulationandtheorchardsthatmainlylocatedinsouthmountainousre-

　　gioninthemeantime.Therefore,mechanizationhasbecomeanurgentdemandforeconomicdevelopmentinhillyor-

　　chard.Inordertoimprovethepassingabilityandstabilityoftrackedvehicleinhillyorchard,thispaperdesignedarun-

　　ninggearinhillyorchardtrackedvehiclewithcharacteristicsofflexibilityandportabilityandaimedatmakingthisrun-

　　ninggearwiththeabilitytoclimbverticalobstaclesof10cm,crosstrenchesof20cmandclimbslopesof30°.Thestruc-

　　turewasdesignedandthemodelingsoftwarePro/Ewasappliedforthethree-dimensionalmodeling.Avirtualprototype

　　modelandatypicalhigh-trenchterrainwascreated.ModelofrunninggearwasmadethesimulationthroughADAMS/

　　VIEW.Theresultsshowedthat,intheprocessofobstacle-crossing,theabsoluteerrorforthecentroidofabscissadis-

　　placementwas5%andtheabsoluteerrorforthecentroidofordinatedisplacementwas3%.

　　Keywords:hillorchard；trackedvehicle;runninggear；obstacle-crossing；motionsimulation

　　(上接第111页）

　　8]徐立章，李耀明.轴流式脱粒-清选装置试验台的设计

　　J].衣业机械学报,2007,38(12):85-88.学卷,2007(3):104-106.

　　10]何怀福.丘陵山区发展衣业机械化的实践与思考J].四

　　9]刘守祥，孙士平，叶爱琼.喂入量对谷物联合收获机作业

　　质量的影响及控制分析J].长江大学学报：自科版o衣川衣机,2007(3):9-10.

　　AbstractID：1003-188X(2016)12-0107-EA

　　DevelopmentoftheSpeedControlSystemofSmall

　　RiceandWheatCombineHarvester

　　ZhangYun,BaoXiangdong,LiuXiyong,XuMin

　　(GuizhouInstituteofMountainAgriculturalMachinery,Guizhou550007,China)

　　Abstract：thespeedcontrolsystemisthemaincontrolunitofthemechanicalequipmentoperation,butalsothecore

　　componentofthericeandwheatcombine,designintelligentspeedcontrolsystemisthekeytoenhancetheperformance

　　oftheequipment.Inthispaper,thesinglechipmicrocomputerAT89C51asthecontroller,themechanicalspeedcontrol

　　systemdesign,researchanddevelopmentofanewtypeofspeedcontrolmodule,soastorealizethericeandwheatcom-

　　bineautomaticcontrol.

　　Keywords:riceandwheatcombine；speedcontrol;PLC；hillcountry

　　o116o

　　?1994-2016ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net