履带式水稻联合收获机差逆变速箱设计及试验研究

摘要

国内履带式联合收获机在田间执行转向操作时大多采用传统单边制动转向模式，而在这种转向模式下不仅会发生车身下陷滑移，转向半径过大，转向困难的缺点而且会对土壤带来严重的碾压和剪切破坏，影响作物的生长环境。国外如日本“久保田”和“洋马”牌联合收获机搭载的差逆变速箱在田间工作采用差逆转向模式时能较好的克服单边制动转向时的缺点，在田间有较好的通过性和转向性能，但是它们的关键技术对外界还是实行封锁状态。因此设计一种能够执行差逆转向的联合收获机变速箱则显得尤为重要。 本文基于差速器结构原理设计一种能够执行差逆转向模式的联合收获机差逆变速箱，根据其转向原理设计配套的电液控制操作系统对变速箱的转向模式进行控制选择，并通过动力学仿真试验和田间试验验证其转向性能。本文的主要研究工作如下： 1、差逆变速箱结构设计。根据履带式联合收获机在田块工作不同工况下所需的行进速度和转向速度设定初始运动参数，并基于太湖988联合收获机的底盘行走机构，确定变速箱安装空间布局，设计计算变速箱内部零部件的参数，根据啮合齿轮的运动情况选择合适的变位传动方式，并确定最佳的变位系数，绘制变速箱零部件的三维模型，并对零部件进行部装。通过获取变速箱三维模型的拓扑结构图，设立以最小面积为目标函数，利用遗传算法获得最佳齿轮布局结构。为了克服传统联合收获机机械变速箱箱体采用中间分离式结构时密封性较差的问题，设计一种整体式变速箱箱体，对该箱体设立合理的开口布局。利用 ANSYS Workbench 对变速箱箱体进行静力学仿真，结果表明箱体最大应力为73.21MPa，与抗拉强度250MPa相差较大，说明满足强度要求。对箱体进行有限元模态仿真，结果表明箱体固有频率大于激振频率且不是倍频关系避免了共振。利用DH5902动态信号采集仪采用锤击法对变速箱箱体进行试验模态测试，得到箱体的前6阶固有频率并与有限元仿真进行对比，结果表明有限元计算结果与试验模态的结果基本一致。 2、基于RecurDyn的动力学仿真。为了模拟联合收获机在淤泥田中工作时差逆转向的性能和载荷分布不均匀对转向半径和转向时间的影响，为下一步底盘升降的研究提供数据支持。利用RecurDyn和Pro/E联合建立履带式联合收获机底盘行走机构动力学模型。通过Track（LM）低速履带模块建立左右两个履带子系统，根据运动原理对底盘行走机构进行约束和载荷定义并设置虚拟电机驱动行走机构，通过设置重黏土路面参数模拟机构在水稻田中的运动情况。通过加载不同的质量块模拟载荷分布的变化并输入不同的时间函数获得不同的转向模式，从而获得各种转向参数，如行走机构最小转向半径、转向时间等。结果表明：收获机上载荷比分布不均匀性对转向时间和转向半径影响较大，差逆转向模式下，动力学模型质心分布不均匀对转向半径影响较大，对转向时间影响较小；单边制动转向时质心分布不均匀对转向时间影响较大，对转向半径影响较小。越靠近载荷集中侧转向时转向半径越大，滑移越大，转向时间越长。 3、变速箱组装及试验。将加工完成的变速箱零部件进行装配，通过设计台架试验检验变速箱的运转情况，根据变速箱运动机理设计配套的电液操控系统，完成试验车中底盘行走机构和电液操作系统的组装和调试，处理初次试验时的问题。最后通过选择不同的路面对履带式收获机底盘行走机构进行试验研究。结果表明：相比单边制动转向，差逆转向模式的转向效率更高，转向半径很小，收获机的行驶速度V0对于转向时间T影响较大，而收获机的质量M对转向时间T影响不大，行驶速度V0和收获机的重量M都是影响转向半径的重要因素。

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外履带式车辆差逆转向机构研究现状

1.2.1 工程机械差速转向结构的研究现状

1.2.2 军用履带车辆差速转向结构的研究现状

1.2.3 农业机械差速转向结构的研究现状

1.3 国内履带式车辆应用动力学仿真技术对转向特性的研究现状

1.4 课题主要研究内容

1.4.1 机械差逆变速箱结构设计

1.4.2 基于RecurDyn的履带式差逆变速箱转向性能研究

1.4.3 差逆变速箱转向性能试验研究

1.5 本章小结

第二章 差逆变速箱结构设计

2.1 差逆变速箱结构原理及设计基础

2.1.1 结构原理

2.1.2 设计基础

2.2 差逆变速箱结构设计

2.2.1 初始参数设定

2.2.2 差逆变速箱行驶参数设计计算

2.2.3 差逆变速箱齿数计算

2.2.3 差逆变速箱各轴参数计算

2.2.4 差逆变速箱轮系设计计算

2.2.5 齿轮变位系数选择

2.3 差逆变速箱齿轮布局优化

2.3.1 变速箱布局形式及其拓扑结构

2.3.2 目标函数的建立

2.3.3 基于遗传算法的求解

2.4 整体式箱体建模

2.4.1 基本结构

2.4.2 箱体建模

2.4.3 箱体静力学分析

2.4.4 箱体模态分析

2.4.5 试验模态分析

2.5 本章小结

第三章 差逆变速箱转向性能动力学仿真

3.1底盘行驶机构动力学模型建立

3.1.1 动力学仿真软件简介

3.1.2 动力学实体模型的建立

3.1.3 机构约束类型设置

3.1.4 驱动力参数设置

3.1.5 路面参数设置

3.2 运动学分析

3.2.1 差逆转向模式运动学分析

3.2.2 单边制动转向模式运动学分析

3.3 本章小结

第四章 变速箱液压操作系统设计及装配

4.1 液压操纵系统设计

4.1.1 控制方案设计

4.1.2 液压操纵系统零部件参数计算和选型

4.1.3 液压操纵系统控制元件选型

4.2 差逆变速箱系统组装

4.2.1 整体式变速箱加工与装配

4.2.2 电液操纵系统组装调试

4.3 本章小结

第五章 变速箱系统组装调试及转向性能试验

5.1 试验台架设计

5.1.1 设计试验台架

5.1.2 台架试验

5.1.3 样车试验

5.2 行走性能试验

5.2.1 试验车及试验场地选取

5.2.2 直线行驶速度测试

5.2.3 转向时间试验

5.2.4 差逆转向最小转向半径试验

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间参加的科研项目及科研成果