水稻收割机橡胶履带行走系快速设计及仿真分析-开题报告

1、中国农业大学硕士研究生论文开题报告 所在院系 工学院 专 业 车辆工程 学生姓名 入学时间 2010.09 导师姓名 课题名称 水稻收割机橡胶履带行走系快速设计及仿真分析中国农业大学研究生院制填表时间2011 年05月04日一、立论依据（以下各项均可加页）（包括课题的研究意义，国内外研究现状分析，附主要的参考文献）1、研究意义履带行走系是一种传统的行走装置，是人类继发明车轮之后又跨出的一大步,扩展了车辆由“线”到“面”的活动范围。在农业生产中,履带行走装置不仅用于拖拉机、农田基本建设车辆,还用于农业机械上3。中国是一个农业大国,拖拉机对农田作业发挥的作用是极其巨大的。特别是在农业机械收获领域，

2、履带式拖拉机发挥着重要作用4。实际农业生产中广泛应用的行走装置主要是轮子和履带。而履带拖拉机由于其牵引力大,接地比压低,附着性能好等优点占据着农业机械中重要的位置1。履带拖拉机行走系对其各方面性能的发挥起着至关重要的作用。既加强了离开道路的越野能力, 同时也增大了负重能力。履带式车辆行走系统与轮式车辆具有明显的不同。履带车辆不像轮式车辆那样用前后轮支承，而是靠两条履带与地面接触2。履带车辆的左、右两侧各有一个驱动轮来驱动该侧履带实现行驶。履带式行走系与轮胎式行走系相比较有如下特点: 1.支承面积大、接地比压小。2.履带板支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好。3.结构复杂、重量大，运动惯性大

3、，减震功能弱，使部件易受损坏5。因此履带车辆行驶速度不能太高，机动性差。履带式行走装置现在被广泛应用在水稻联合收割机上。这样，履带式水稻联合收割机既可以在旱田中收割也可以在水田中收割，同时满足了南方和北方的需要，可以被广泛采用。履带式行走机构由履带、驱动轮和台车组成。台车由台车架、支重轮、托带轮、引导轮（张紧轮）和履带张紧一缓冲装置组成。履带式行走系的功用是支承车体, 并将由传动系输入的旋转运动和转矩变成车辆在地面上移动时的牵引力。履带式行走机构是整机的支承件，用来支承整机的重量，承受机构在作业过程中产生作用力，并完成整机行进、后退、转向和作业移动。实践证明，橡胶履带式行走装置是水稻湿田收获机

4、械的最佳行走机构。橡胶履带行走系统是现代高新工业技术发展的产物。橡胶履带行走系统的发展拓宽了履带车辆的应用范围，克服了金属履带行走系统固有缺点，使履带车辆可以上路行驶，无需专用运载车辆。橡胶履带式行走装置比金属履带式，轮胎式行走装置相比，在对路面破坏性，噪声，接地压力和行走速度等方面有很大的优越性。实验表明，橡胶履带具有重量轻，行走阻力小，行驶平顺，拆装简便等性能优点，能较好的满足泥脚15cm左右水田的收获作业要求。目前已定型的水稻联合收割机大部分采用了橡胶履带行走装置。橡胶履带用橡胶的弹性变形代替了销轴、销套间的转动摩擦，故内行走阻力减少，因此总行走阻力也相应减少6。南方水稻产区土壤含水率高

5、，田里有较多积水，承压能力低，因此履带式联合收割机的行走装置工作条件非常恶劣，负荷重，冲击大，其支重轮、导向轮、驱动轮等长期带有泥水，容易损坏，稻草很容易压入各轮与履带的间隙中，造成履带的滑脱。因此，有必要对履带行走系进行仿真分析，得到其优化方案，从而为其设计和改进提供依据。总之，对于土壤潮湿又粘重的地区，以及南方地区多起伏的丘陵地带，履带式拖拉机都具有较好的行驶稳定性和复杂地形适应性。履带行走系作为履带车辆底盘的重要总成之一，其优劣直接影响到履带车辆的行驶平顺性、稳定性和附着性能78。履带式行走机构也是水稻联合收割机设计的难题之一，因此有必要对履带行走系进行设计和仿真分析，以实现优化结构和提

6、高性能的目的。2、国内外研究现状分析履带式行走系主要应用于军用车辆，工程车辆和农业车辆等领域。在农业方面的应用主要集中在水稻收获机上。因此，就履带式行走系的研究现状，对国内外文献进行了分析。1.国外研究现状当今世界实现了水稻收获机械化的国家有美国、澳大利亚、日本、韩国、东南亚局部地区已全面实现了机械化，其中日本的水稻收获机械在世界上一直处于领先水平，生产机型有久保田、洋马以及三菱公司生产的半喂入水稻联合收割机等，这些机型几乎都采用履带式行走系9。由于金属履带工艺复杂、磨损严重、振动大、转移时破坏路面等原因，现水稻联合收割机已全部采用整体式橡胶履带。橡胶履带部分克服了普通金属履带拖拉机行驶速度低

7、、噪声大、金属耗量大、对地面破坏严重等缺点，这种履带最早用于脱水后的水田、沼泽地、雪地和滩涂地，现在已经开始用于常规拖拉机。国外对橡胶履带拖拉机的开发研制起步较早，二十世纪四十年代以来，意大利、美国和前苏联等国家相继进行了橡胶履带的研制，欧美的研究始于20世纪50年代中期10。20世纪60年代日本一家农业机械制造商ISEKI公司提出设想并委托橡胶生产商普利司通公司开发了第1条替代金属履带的橡胶履带, 最初是为了解决农用联合收割机金属履带易被稻草、麦杆和泥土堵塞,橡胶轮胎易在水田中打滑以及金属履带会对沥青和混凝土路面造成破坏的情况而设计的。并将其成功应用于水稻收割机械上。经过几十年的发展,日本已

8、经成为橡胶履带的主要生产国家之一11。目前世界上使用橡胶履带最多的国家和地区依次为日本、欧洲和北美。美国是北美的主要水稻生产国，主要分布在美国东南部的阿肯色、路易斯安娜、密西西比、得克萨斯和西部的加得福尼亚等州，水稻收获都使用大型轮式联合收割机，也有半履带式和履带式联合收割机12。国外对履带式水稻收获机械行走系的研究主要集中于理论层面，如对于履带式行走系在水田中行驶阻力的研究，对土壤的剪切力的计算，以及对整车性能的分析，如行驶平顺性，转弯的稳定性等。对于行走系本身及相关部件的设计和分析相对较少13。2.国内研究现状我国从1954年开始实验研究水田行走机构，到目前为止已研究出多种类型的行走机构。

9、最早的履带是金属履带，这种履带在我国的应用范围较广，其主要缺点是使用很短时间铰链就会产生过度磨损14。为了克服这一缺点，人们研制了橡胶金属履带，它通过橡胶将一块块金属履带板连接成一条履带，在沙漠和沼泽中寿命较长，但重量较大，结构较复杂15。橡胶履带是1969年开发的，用橡胶制造的一种环形轨道带。该带开始主要用于农业机械，尔后因其具有免费修理、耐久性、振动和噪音小等优点而扩大应用，逐步用于搬运车辆、除雪机、铲土机、不平整地面搬运车辆和推土机等多方面。目前，我国在橡胶履带应用方面发展缓慢，工程机械仍多采用金属履带16。我国生产的履带拖拉机绝大部分是金属履带结构。国内采用橡胶履带的机械大多都是进口的

10、。我国于1975年研制出20马力级橡胶履带，配在上海-120联合收割机上，此外，辽宁抚顺曾研制出12马力级橡胶履带，配在辽4LB90联合收割机上。一拖在1994年4月试制出第一台东方红802R橡胶履带拖拉机。在随后30多年的时间里，该公司着重在东方红802及东方红1002拖拉机上进行了橡胶履带性能和寿命试验，获得了大量的试验资料。2000 年中国一拖集团有限公司研制了 95.6kW 的东方红-1302R 型橡胶履带车辆，由于采用了橡胶履带行走系统噪声低、振动小、乘坐舒适。我国橡胶履带的使17用还局限在很小的领域，仅仅在收获机上得到使用，拖拉机上的使用还不广泛。橡胶履带几经改进，性能日趋完善18

11、。由于履带车辆自身以及使用环境的复杂性，传统的研究模式导致研制费用高、周期长。地面力学以及多体动力学的发展和完善，为履带车辆的建模仿真提供了理论与技术支持19。但软土地与履带之间相互作用复杂，建模困难。以往研究履带车辆都假设在刚性路面上行走，也主要集中在军用机械和工程机械领域，如吉林大学的王水林对挖掘机履带行走装置在硬地面上进行了动力学分析，对滑转滑移条件下履带车辆在坚实路面上的转向过程进行了仿真和分析20。吉林大学李海伟等针对矿用挖掘机履带行走装置动力学展开研究，建立了矿用挖掘机履带行走装置的虚拟样机模型，在ADAMS/View 虚拟环境下对平道和坡道运行情况下的履带行走装置进行了仿真分析，

12、基于 ANSYS 对驱动轮进行有限元强度分析，建立了具有不同齿数的驱动轮模型，分别进行了仿真试验优化，得到了满足静、动态特性要求的最佳齿数驱动轮参数21；太原理工大学梁健等对连续采煤机履带行走装置展开研究，建立了连续采煤机履带行走装置的虚拟样机模型，在 ADAMS/View 虚拟环境下对前进、后退、爬坡、转向等各种运行情况下的履带行走装置进行动力学仿真分析，最后基于 UG 软件的 NX Nastran 模块对驱动轮进行有限元强度及疲劳可靠性分析22。而对于履带车辆与软土接触情况的研究则较少，相关文献利用计算机仿真技术，就履带预张紧力对车辆软土通过性能的影响规律进行研究，以及分析履带预张紧力对高

13、速履带车辆的平顺性的影响，但都没有涉及不同土壤特性条件下履带板和支重轮的受力分析。20多年来，国内部分院校、研究院所和企业对橡胶履带车辆做了一定的研究，如：天津工程机械研究所对橡胶履带两栖车辆的研究，中国农业机械化研究院及南京农业机械化研究所对水稻收割机橡胶履带的研究，吉林大学对差速转向系统的研究，江苏大学对橡胶履带啮合的研究，青岛建筑工程学院对橡胶履带接地齿接地压力的试验研究，中国一拖集团有限公司对橡胶履带拖拉机的研究和杭州永固橡胶厂对橡胶履带的研究等23。赵文生对履带式拖拉机行走机构的设计原则和运动受力进行分析，总结履带行走机构在行走时的影响因素24；湖南省农业机械鉴定站的成诗瑜对水稻联合

14、收割机履带行走装置中的履带在水平面内的接地长度、宽度和轨距以及履带与割台的配置关系等设计参数进行初步分析，为履带行走装置的设计提供依据25；广西大学机械工程学院的蔡龙等利用PRO E 分别建立水稻收割机履带转向行走机构各部分模型并装配，导入 ADAMS中建立的水稻收割机履带转向行走机构模型，为水稻收割机物理样机试验及其转向行走机构中各部件受力情况及性能的研究分析提供参考26；安阳工学院的朱艳芳等针对某型履带车辆，运用机械系统动力学自动分析软件(ADAMS)建立其行走系统的虚拟样机模型，解决车辆在高速行驶过程中的“脱轮”问题，为履带车辆的设计提供参考依据27。还有一些关于履带张紧缓冲装置的特性分

15、析，履带支重轮的动力学及疲劳寿命分析，履带销疲劳寿命估算，履带脱轮问题的动力学仿真分析等相关研究均相对较多。目前的研究热点包括履带式车辆行走系的动力学建模和仿真、履带式车辆操纵机构的优化设计、转向机构的分析与设计、先进液压传动系统在履带式车辆上的应用、新型多功率流履带式车辆开发等方面28。目前，用于履带车辆动力学仿真的软件主要有ADAMS和Recur-Dyn两种。ADAMS专门有分析履带车辆的模块ATV，新一代多体动力学分析软件Recur-Dyn则提供了高速和低速履带车辆的建模工具。近年来对履带拖拉机的磨损问题研究较少，导致履带拖拉机行走机构中支重轮的磨损现象日益突出29。而履带拖拉机目前的一

16、个主要缺点是其行走机构如支重轮、导向轮、驱动轮及履带板(俗称“三轮一板”)磨损较快。随着履带车辆速度的提高，橡胶履带的脱轮问题也成为人们考虑的重点。目前关于脱轮问题的研究主要集中在设计防脱轮装置，而对于行走系统结构参数和脱轮问题的动力学分析还有待研究。履带式行走机构在机械行业已经得到了广泛的应用，影响其行走的因素不仅和机械的结构、参数有关，而且还和地面土壤的性质有着密切的关系30。进行设计和分析时要综合地分析和研究，认真分析各项技术参数，才能保证履带行走机构使用状态良好，完全满足使用要求3132。3.国内外研究现状总结总之，目前国内外对履带车辆的研究主要集中在军用车辆和工程机械方面，特别是重型

17、机械如坦克，起重机，挖掘机等。研究多以整机为研究对象，分析也主要侧重整机的平顺性，行驶稳定性以及与路面相互作用机理等，大多局限在理论水平，而对于履带行走系本身的设计及相关研究则相对较少33。在农用机械方面，对履带式行走系的研究主要是集中在各个关键部件的性能仿真分析，对于行走系总成的设计及相关分析也相对较少34。因此，对履带式行走系进行设计及相关分析是必要的。主要参考文献：1A.C.安东诺夫.履带行驶装置原理M.国防工业出版社，19572陈秉聪.土壤-车辆系统力学M.中国农业机械出版社，19813欧阳东，吴耘，张文凤.半喂入联合收获机橡胶履带行走装置的探讨J.农业机械学报，1983.094李春英

18、,赵瑞萍.两种履带行走机构的讨论J.煤矿机电，2008.045巩青松，董阿忠，陈靖芯，秦永法等.履带式车辆关键机构分析与设计J.农业装备与车辆工程,2008.046周汉林,黄雄辉,邹诗洋,刘维孟.履带式联合收割机行走装置的研究J.研究学苑7赵瑜,闫宏伟.履带式行走机构设计分析和研究J.数字技术与机械加工工艺装备,2010.58武真.农机和工程车辆用橡胶履带J.9成诗瑜.水稻联合收割机履带行走装置设计参数分析J.湖南农机，2003，310K.Bandoetal.The Development of the Rubber Track for Small Size Bulldozers. SAE,P

19、aper No. 911854:339-34711李 明，汤楚宙水稻联合收割机履带支重轮的问题分析与改进意见J.湖南农机，2002.512张玉峰，梁兆新，朱湘璇，叶才学等水稻联合收割机新型履带行走底盘的原理及设计JEquipment Manufactring Technology No.10，201013Mechanical Dynamics Sweden AB. ADAMS Tracked Vehicle Tool kversion 3.3 documentation and Training Guide S. April 20th, 200114Anh Tuan Le.Modeling a

20、nd Control ofTracked vehiclesD. De-partment ofMechanical andMechatronic Engineering, The Univer-sity ofSydney, 1999 15耿改龙，王巧灵.水稻联合收割机行走系的设计J.山东农机，2000，416朱惠莲.松软地面行走机构的研究现状和展望J.科技信息：138-13917朱士岑，赵剡水.国内外对橡胶履带拖拉机的研究J.199718王渥民.橡胶履带的开发与应用J，22期23卷：34-3519孙运强.橡胶履带底盘结构设计与实验仿真研究D.2010.0320刘莉.重型履带车辆行走装置设计理论与

21、方法研究D.2005.1021江少杰,陈伟叙,李尚平.ADAMS宏命令在小型甘蔗收割机履带式底盘机构虚拟样机建模仿真过程中应用的探讨J.装备制造技术，2006，3:47-4922赵锋.东方红802K履带拖拉机张紧缓冲装置的失效分析及解决措施J.中国一拖集团有限公司技术中心，2001.4:34-3623于立彪,郑慕侨,张英.负重轮多体接触问题有限元分析J.北京理工大学学报,2002.10:572-57624陈淑艳，陈文家.基于 ADAMS的履带车辆二次开发建模研究J.机械设计与制造,2008.10:192-19325朱艳芳，翟雁，郭晓波.基于ADAMS的履带车辆行走系统性能的仿真J.传动技术,2

22、008.06:29-3126戴瑜,刘少军.履带车多刚体建模与仿真分析J.计算机仿真,2009.03:281-28527HAN Bao-kun, LI Xiao-lei,WANG Chang-tian.Track Model and Analysis of High-speed Tracked VehiclesJ.系统仿真学报,2003.12:1774-177628Simon Doyl. The Potential of Web-based mapping and virtual realitytechnologies for modeling urban environments J. Com

23、puter,Environment and Urban System, 1998, 22(2): 137-1529王月梅,周义清,常列珍.履带车辆的一种动力学建模J.华北工学院学报，2005.3:164-16630韩宝坤，李晓雷，孙逢春.履带车辆动力学仿真技术的发展与展望J.兵工学报,2003.02:246-24931Murphy N R, Ahlvin R B. AMC-74 Vehicle Dynamics Module,Technical Report M-76-1. Army Engineer Waterways ExperimentStation,1976.1-5232毛依星，履带车

24、辆软地转向性能理论分析J.江苏工学院学报，1991.12:27-3333宋晗，李晓雷履带动态张紧力的动力学仿真J.计算机仿真，2005.09：18-2134J H Cho,i D C Park. Dynamic track tension of high mobilitytracked vehiclesD. 2001 ASME Design Engineering TechnicalConferences and Information in Engineering Conference vo.l 6:18th BiennialConference onMechanicalVibration

25、andNoise pt.A, 2001, 2001: 61-67二、研究方案（以下各项均可加页）（包括研究目标、研究内容、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析和预期的研究进展）研究目标实现有关水稻收割机橡胶履带行走系快速设计相关知识的收集、整理及快速设计知识库的建立。实现水稻收割机橡胶履带行走系的快速设计。建立水稻收割机橡胶履带行走系快速设计资料库、参数库、规则库和实例库。建立履带行走系及各关键部件的三维模型及三维模型库，便于对模型进行存储和调用。对履带行走系总成模型实现运动学和动力学的仿真分析。研究内容研究水稻收割机橡胶履带行走系快速设计知识的搜集、整理和表达方法，建立橡胶履带行

26、走系快速设计资料库、参数库、规则库和实例库，在此基础上构建履带式行走系数字化快速设计知识库。研究集成知识工程与CAD参数化模型的底盘行走系零部件建模方法，建立橡胶履带行走系零部件参数化设计模型库。对橡胶履带行走系总成进行运动学和动力学的仿真分析。拟采用的研究方法1. 以橡胶履带式行走系为研究对象，查阅国内外文献资料和国家有关设计标准和技术规范等现有知识，收集总结履带式行走系的现有设计准则并进行分析、比较、整理、分类，形成履带式行走系的设计准则。2. 运用人工智能技术，基于面向对象技术的框架表示和产生式表示的混合知识表达模式，研究设计知识的表达方法，建立履带式行走系设计资料库、参数库、规则库和实

27、例库，开发知识管理系统，在此基础上，构建履带行走系数字化快速设计知识库。3. 分析主流CAD软件的建模方式、分析特点及数据结构，应用其参数化建模技术，依据履带式行走系的功能要求、产品结构和设计步骤，结合推理机制，研究基于知识工程的履带式行走系及各零部件参数化建模方法。4. 分析主流CAD/CAE软件的特点和并行协同设计的实现方法。提出履带式行走系数字化并行协同设计规范方法。5.运用动力学分析软件adams对橡胶履带行走系总成进行运动学和动力学的仿真分析。4、技术路线本课题将采用以下技术路线来开展研究工作，见下图：5、实验方案（一）履带式行走系的设计1. 组成：驱动轮，履带，支重轮，张紧装置和导

28、向轮，托轮，以及悬架等。2. 设计内容： 1）驱动轮设计 2）履带设计 3）支重轮设计 4）张紧装置设计5）导向轮（张紧轮）设计 6）托轮设计 7）密封装置设计3. 履带式行走系各部件设计方案1）典型结构配置 分为两种：近似对称型非对称型橡胶履带式行走系常用设计形式驱动轮设计分为两种驱动形式：前驱动，后驱动齿数的确定：多采用奇数齿齿形，齿距（一般为履带节距的一半）的确定 3）履带设计 a)按材料分为两种：橡胶履带（橡胶履带为不可拆开的环形整体），金属履带 二者比较情况见下表：b)橡胶履带按结构形式分为三种：轮齿式，轮孔式，无芯金式c)橡胶履带按驱动方式分为链轮型，橡胶凸起驱动型，摩擦驱动型 d

29、)按结构形式分为：整体式，组合式 e)履带接地长度的确定（要求在结构布置允许、满足使用性能的条件下，尽量缩短履带长度以降低造价） f)履带节距，节数的确定 g)履带厚度的确定 h)履带花纹的选择 4）支重轮设计 a)布置，数量（通常为35个），轴距，结构及直径的设计 b)与行走装置的连接形式（一般为螺栓） c)避免与履带节距成整数倍，提高通过性及减小振动 5）张紧装置设计 分为两种张紧方式：a)固定张紧：通过改变丝杠和丝母来改变导向轮的位置，结构简单，为刚性连接（应用较多）b)弹簧张紧：通过弹簧的伸缩来调节张紧度6）导向轮（张紧轮）设计 导向轮直径的设计 7）托轮设计 一般为12个：轴距2米以

30、下的一般用1个，2米以上的一般为2个，小型作业机械若下垂度很小时可不用 8）密封装置设计（二）履带式行走系的多工况仿真分析从模型库中调用橡胶履带行走系总成进行多工况的仿真分析。多工况包括：静止状态，匀速运动，加速运动，减速运动，转弯等工况，进行运动学和动力学的仿真分析。对履带式行走系总成进行结构简化，建立力学分析模型，对其进行多工况下的力学分析，计算出在各工况下的履带的张紧力；进行运动学分析（履带的驱动效率，行动阻力，附着性能等）和动力学仿真分析（系统的速度，加速度，质心位置的变化及功率谱密度等），并实现行走系总成的动态运动仿真。6、可行性分析目前，许多水稻收割机厂家偏重于对工作装置的研究而忽

31、视了对行走系的认真分析，从而导致产品出现水田通过性能差、转向性能不好、传动系负荷过重等问题。水稻收割机的研制首先要解决的就是水田通过性能的问题。水稻收割机行走系的设计涉及的因素很多，行走系设计的好坏,不仅直接影响收割机的水田通过性、转向性能、传动载荷，而且也影响整机的作业性能、收割效率和工作可靠性等。因此，决不能对行走系的设计掉以轻心。我国在行走机构方面的研究侧重于理论方面，而实际使用方面的研究比较少，大都处于研究阶段，推广还需一定的时间。橡胶履带是目前履带拖拉机(不仅仅是农业，包括工业)发展的方向，对该行走系做进一步的分析、研究，改进技术，优化结构，缩小与国外产品的差距，同时向多系列、多用途

32、方面扩展，履带拖拉机才会有一个更好的明天。履带式行走系的工作环境一般比较恶劣，如主要承载部件支重轮常受交变载荷，产生挤压变形及疲劳裂纹，张紧缓冲装置常受冲击力，容易发生结构失效和疲劳破坏，还有履带销，驱动轮等均会发生疲劳破坏等相关问题。因此，对履带行走系的相关部件进行分析，对于部件的结构设计、结构优化、材料选择以及疲劳寿命预估都具有十分重要的指导作用。虽然履带车已有200多年历史，但由于其自身及其使用环境的复杂性使得研究一直停留在经验公式和大量试验基础之上，这种传统的研制模式费用高、周期长。现代多体动力学的发展为履带车研究提供了理论基础,而虚拟现实仿真技术则为其研究提供了一定的分析手段。研究表明，通过虚拟样机仿真技术,进行履带系统的设计，分析和优化是可行的。本实验室研究虚拟样机仿真技术已有多年，研究工作经验丰富，并取得了一定的成绩，具有深厚的研究基础。同时，本课题所采用的计算机辅助设计和计算机辅助分析设备齐全，为研究工作提供了必要条件。7、预期的研究进展（1）2011年4月-2011年5月查阅履带式行走系设计和仿真分析的相关资料，进行资料分析，完成开题报告；（2）2011年5月-2011年8月收集并整理履带式行走系设计的有关数据，完成行走系总成框架的搭建及各组成部件的设