一种仿山羊脊柱特征的履带单体结构

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，具体涉及一种仿山羊脊柱特征的履带单体结构。

背景技术

文件指出“积极发展丘陵山区农业生产高效专用农机，推动丘陵山区通用动力机械装备及特色作物生产、特种养殖需要的高效专用农机研发，增加装备供给”，但丘陵山区耕地所呈现出的地块多、分布散、机耕难、效益低等弊端严重制约当地机械化水平发展。履带式农业机械具有接触面积大和地面适应性强等特点，但其在松软土壤中行驶时，土壤提供给履带的附着力不足，严重影响其通过性能。因此，提高履带附着性能是当前丘陵山区履带式农业装备研发的重要内容。

履带单体作为触土关键部件，履带式农业装备的附着性能很大程度上取决于其结构参数。现有履带单体研究主要集中于不同环境条件结构参数对履带单体结构性能的影响与履带单体花纹结构参数优化。通过履带单体附着力模型研究，发现履带单体触土面所受水平方向力影响其剪切土壤最大推力的重要影响，而土壤应力是履带单体触土面所受水平方向力的决定因素。功能模拟是指模仿生物功能特性开展的仿生研究，是仿生学重要研究内容。本发明将基于脊柱动态特征的蹄底压力合理分布与履带单体结构设计有机结合，调节履带单体-土壤相互作用为履带单体附着性能优化提供创新思路。

因此，以山羊脊柱为仿生蓝本，模拟基于脊柱调节作用的山羊四肢压力合理分配现象，设计仿山羊脊柱特征的履带单体结构，优化履带单体附着性能，进而提高履带农业装备通过性能，具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

为了克服以上不足，本发明提供一种仿山羊脊柱特征的履带单体结构, 通过调节触土面与土壤相互作用，提升履带单体附着性能，提高丘陵山区履带农业机械的通过性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种仿山羊脊柱特征的履带单体结构，包括履带单体基体、触土面曲面结构和履刺，所述触土面曲面结构由仿生曲线沿履刺长度方向拉伸所得，触土面曲面结构设置在履带单体基体和履刺间，通过调节履带单体的触土面和土壤的相互作用提高履带单体附着性能。

进一步优化，所述仿生曲线是结合山羊脊柱结构特性与脊柱冠状面摆动对机体运动影响最显著的运动学分析结论，由山羊蹄底压力分布合理的最优姿态曲线所获，仿生曲线满足方程：

。

进一步优化，所述履刺与触土面曲面结构相连，沿履带单体基体长度方向分别布置两条履刺，两条履刺间距为140-160mm，每个履刺均距履带单体基体边缘为20-30mm。

进一步优化，所述仿生曲线根据不同排列和布置的履带单体仿生结构设置两种方式：曲线布置于履带单体基体部分触土面和完全触土面。

进一步优化，通过分别将正、负变形的仿生曲线布置于履带单体基体部分触土面履刺间，经仿真分析确定仿生曲线最优变形方式为正变形。

进一步优化，所述曲线布置于履带单体基体部分触土面为将1条、2条正变形的仿生曲线布置于履带单体基体部分触土面，曲线布置于履带单体基体完全触土面为将1条、2条和3条正变形的仿生曲线布置于履带单体基体完全触土面。

本发明的有益效果为：

本发明的履带单体仿生结构，使用非规则仿生触土面结构，所述触土面结构可调节履带单体与土壤相互作用，增强履带单体对土壤扰动效果，通过增加触土面结构土壤沉陷量提升单体附着性能，进而提高履带农业机械通过性能，仿真分析结果表明，本发明仿山羊脊柱特征的履带单体结构较普通一字型履带单体附着力明显提升。

附图说明

图1为履带单体附着力模型；

图2为所述仿生曲线正变形的履带单体结构A；

图3为所述仿生曲线反变形的履带单体结构B；

图4为所述仿生曲线布置方式、排列方式不同的履带单体结构C；

图5为所述仿生曲线布置方式、排列方式不同的履带单体结构D；

图6为所述仿生曲线布置方式、排列方式不同的履带单体结构E；

图7为所述仿生曲线布置方式、排列方式不同的履带单体结构F；

图8为相同结构参数的对比一字型履带单体普通结构；

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提出一种带有非规则触土曲面结构的履带单体仿生结构，主要用于履带式农业机械，旨在改善松软地面履带式农业机械常因附着力不足而打滑的问题，也可用于其他复杂地面环境履带式机械，提高车辆通过性能。

如图1所示，理论分析履带单体剪切土壤时受力情况可知，履带单体基体和履刺底部触土面所受土壤应力影响作用于履带单体和履刺底部水平方向力，是履带单体与土壤作用时最大推力的关键影响。

山羊能在凹凸或松软地面等复杂地面自由灵活地快速行走，并且活动范围广，也可远距离运动，展现出较强的附着能力和通过能力，是其最突出的行为特性。身体姿态的维稳调节主要源于脊柱和四肢结构间协调、耦合作用，从而调整四肢压力，使蹄掌压力合理分配，且其脊柱可负载外部载荷特性符合履带式底盘重量能力强的特点。基于上述理论分析，结合多坡度山羊脊柱运动特征，分析山羊机体空间三维力分布，以附着系数为评价指标，选择最优脊柱运动姿态的空间曲线方程，选择适当自变量范围作为以下仿生曲线方程：

本发明的履带单体仿生结构包括履带单体基体、触土面曲面结构和履刺，触土面曲面结构由仿生曲线沿履刺长度方向拉伸所得，履刺与触土面仿生结构相连，沿履带单体基体长度方向分别布置2条履刺，履刺间距150mm，履刺均距履带单体基体边缘25mm。

为探究仿生曲线变形方式对履带单体附着性能的影响，将仿生曲线布置于履带单体基体部分触土面，如图2和图3所示的仿生结构A和B，两者除曲线变形方式外结构参数相同。经过模拟仿真，仿生结构A的附着性能较优，进一步的确定曲线最优变形方式为正变形。

为探究仿生曲线排列方式和布置方式对履带单体附着性能的影响，综合考虑曲线高度等限制，分别将1条、2条正变形的仿生曲线布置于履带单体基体部分触土面，将1条、2条和3条正变形的仿生曲线布置于履带单体基体完全触土面，构成如图2所示的仿生结构A和如图4-图7所示的仿生结构C、D、E和F，上述仿生结构除曲线排列方式、布置方式外结构参数均相同。

经过模拟仿真，对比如图8所示的履带单体普通结构，所设计的仿生结构理论附着性能均优于普通结构。其中，将单条仿生曲线布置于履带单体基体完全触土面可获得最佳附着性能，附着力较普通结构提升了29.11N，这是由于仿生结构D具有更大的土壤扰动区域和更大的土壤沉陷量，增加了履带单体的附着性能，这对提高丘陵山区履带式农业机械具有重要理论意义。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。