多功能輪式集材拖拉機搭載板裝置的設計研究

侯捷建，王立海，鮑震宇

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

1964年哈爾濱拖拉機廠試驗成功了J-50履帶集材拖拉機，從此我國開始進入集材拖拉機的自主研發階段[1]。20世紀60～70年代，我國林業工作的重點是木材生產，這一時期集材拖拉機得到蓬勃發展。20世紀80年代中期以后，林業出現資源危困、經濟危困，國家開始調整林業發展方向，采伐量下降，集材拖拉機的研發開始向小型化轉變[2-3]。1998年我國開始實行天然林保護政策，對天然林的采伐大幅度調減，集材拖拉機失去了與畜力集材競爭的優勢[4]，許多集材拖拉機開始被擱置。近些年由于林區人民生活水平大幅度提高，林區人工勞動力開始缺乏，勞動力成本逐漸上升，導致集材成本提高，20世紀80年代培育的速生林已經到了撫育間伐期，集材拖拉機的使用開始回溫[5-6]。上個世紀應用效果最好的J-50集材拖拉機，由于多年未生產，多數已經處于報廢的邊緣[7]。21世紀我國開始對生態環境進行重視，提出可持續發展的戰略目標，采伐機械對林地的破壞程度進行嚴格的規定，而J-50集材拖拉機對林地破壞較大，其應用范圍受到限制[8]。設計一種適合人工林撫育間伐，對林地環境影響較小，適應我國林區木材生產的多功能集材拖拉機成為了當代森林作業機械的主要任務之一。集材裝置是集材拖拉機的重要工作裝置，包括絞盤機和搭載板裝置兩部分。

本文根據多功能集材拖拉機的設計要求，以及我國目前林業生產的狀況，對集材拖拉機搭載板裝置進行設計，采用有限元分析軟件對搭載板的強度進行校核，力求使設計的搭載板結構和使用性能達到最優化。

1 搭載板裝置總體結構設計

本設計以保證原木或原條捆裝卸方便、運輸穩定、避免破壞拖拉機底盤、減小拖拽阻力、降低對地表幼樹的損害為設計原則，以實現結構簡單、操作方便、保證集材拖拉機良好通過性為設計目標，通過對J-50、J-80搭載板的運行機構分析，本設計采用兩個液壓缸作為搭載板提升、下落的動力裝置，使操作更加靈活。搭載板的鋼板底部采用20×20中空方鋼交叉進行加固，即保證了強度又降低了搭載板的質量。本設計的創新點在于搭載板尾部折疊板的設計，折疊板能繞軸旋轉沿水平向上折疊，保證拖拉機向前行走時，不會被伐根、陡坡卡住，同時限制了折疊板沿水平向下折疊的自由度，保證順利拖拽原木捆。折疊板提升了搭載板裝置的離地高度，提高了集材拖拉機在林地中行走的通過性。搭載板裝置總體結構如圖1所示。

1.機座；2.液壓缸；3.擋板；4.支撐板；5.搭載鋼板；6.側擋板；7.折疊板

2 各部分結構的設計及計算

2.1 搭載板結構設計要求

對小型集材拖拉機的拖拽能力進行試驗，每趟集材拖拉機拖拽原條材積平均值為1.1 m3，每趟集材平均根數為2.1根?？紤]林區集材作業環境的復雜性，保證集材作業的安全性，本次設計的搭載板要求承載2 m3的原條材積，查表得木材比重平均值為1 000 kg/m3，可知設計的搭載板需要承受的最大壓力F=20 000 N。試驗原始數據見表1。

表1 小型集材拖拉機原條集材的原始數據

2.2 搭載板整體結構尺寸標定

2.2.1 寬度設定

本次設計的搭載板要求承載2 m3的原條材積，每趟集2～3根，搭載板不利的情況是在集3根時且三根都是大端朝前，對貯木場原木胸徑測量調查，原木大端胸徑的平均值為28.38 cm，考慮集材作業的特殊情況，本次設計允許3根原木大端直徑均為35 cm(當大端直徑大于350 mm時，可單根抽集，本設計允許)，針對最不利情況，而且無間隙時，搭載板寬度D=3×350=1 050 mm。試驗原始數據見表2。

表2 貯木場原木胸徑原始數據

2.2.2 長度設定

搭載板長度要保證搭載板起升時具有足夠的離地高度以提高拖拉機的通過性，而且還要保證在下落時接觸地面，便于原木捆的拖拽。影響集材拖拉機通過性最大的因素為伐根高度，通過對伐區伐根高度進行測量調查，得到伐根高度的平均值為27.04 cm，具體數據見表3。為了保證拖拉機的通過性，離地高度設計為350 mm。為了減小搭載板的長度，應該盡量增大搭載板下落時與地面的夾角，但是集材作業時搭載板與地面夾角過大會增加提升阻力，考慮整體結構，將夾角設計為50度，搭載板起升后與水平的夾角為25度，搭載板長度與角度關系如圖2，搭載板長度L=L1+L2，其中L1為：

(1)

L2的長度根據結構要求確定，L2=200 mm，因此搭載板的總長為L=L1+L2=1 219 mm。本次設計為了進一步提高搭載板的離地高度，設計了折疊板結構，將整個搭載板分為兩部分，通過對搭載板進行受力分析，確定安全的折疊板長度為200 mm。

圖2 搭載板長度與角度關系圖

表3 伐根高度原始數據

2.2.3 厚度設定

搭載板厚度的設計主要兼顧搭載板強度和搭載板質量兩個方面，根據搭載板受到的最大壓力，保證最小質量的原則，選擇厚度為20 mm的鋼板做成，搭載板強度由20×20厚度為5 mm的中空方鋼交叉進行加固。

2.3 搭載板輔助結構的設計計算

搭載板輔助結構主要包括支撐板、擋板和側擋板的設計。

搭載鋼板與機座的連接需要支撐板支撐，根據本次設計要求的最大壓力，通過計算，支撐板采用兩張12 mm厚的鋼板，間隔60 mm布置，在支撐板上安裝有鋼套，以減小搭載鋼板繞軸旋轉的阻力。

拖拉機在運行時，原木捆會向前竄動，為了防止對駕駛員造成傷害，設計擋板裝置，擋板寬度應與搭載板寬度一致即為1 050 mm，高度H=450 mm，為安裝滑車，擋板中部不焊鋼板，其余部分每隔100 mm用100×50厚度10 mm的方鋼加固。

側擋板用以限制木捆在拖拉機轉彎時發生側滑竄動，通過計算，側擋板的高度最高點為90 mm，長度與搭載板上部分一致。

2.4 液壓缸的選型

根據搭載板的運動要求，選擇雙作用單活塞桿不可調緩沖式的兩個液壓缸，搭載板所受到的最大壓力F=20 000 N，可知每個液壓缸推力為10 000 N，液壓缸內徑的計算公式為：

(2)

式中：F為液壓缸推力；P為選定的工作壓力，為16 MPa；求得液壓缸內徑D=28 mm。根據液壓缸設計標準，選擇液壓缸內徑D=32 mm，活塞桿直徑d=25 mm，由搭載板旋轉角度可確定液壓缸工作行程S=100 mm。

3 搭載板3D模型建立與有限元校核

3.1 搭載板模型受力分析

搭載板裝置主要承受鋼板的自重與原木的壓應力，在壓應力的作用下搭載板會產生彎曲變形，其中自重與原木的壓應力相比很小，被忽略，原木的壓應力成為搭載板彎曲變形的主要應力。

搭載板受到的壓應力為：

(3)

式中：M木為木材質量，為2 000 kg；μ為搭載系數，一般取0.7；S表為搭載板表面積。

3.2 搭載板3D模型的建立

根據標定的尺寸參數，使用Solid Works 三維繪圖軟件，對搭載板結構進行三維建模。根據搭載板的受力分析，搭載板的受力主要由表面鋼板承載，建模時省略了擋板和側擋板等特征，這樣可以減少劃分單元的個數，有利于對模型進行有限元分析。模型如圖3所示。

3.3 基于有限元搭載板強度校核

將搭載板的3D模型，導入ANSYS12.0進行分析，單元類型選為Solid186，網格劃分采用自由網格劃分，精度為3。

圖3 搭載板3D模型

對搭載板施加約束和荷載，表面施加壓力荷載，在安裝液壓缸圓筒處施加固定約束，在搭載板與支座連接處施加固定約束，對結構進行求解，得到位移云圖如圖4所示，應力云圖如圖5所示。

圖4 位移云圖

圖5 應力云圖

通過有限元求解，可知搭載板的最大位移DMX=0.085 mm，最大應力SMX=24.7 MPa，搭載板鋼板選用的材料為45號鋼[10]，許用應力60 MPa，設計的搭載板滿足強度要求。

4 結束語

根據集材拖拉機趟載量要求，標定了搭載板裝置整體尺寸，寬度為1 050 mm，長度為1 219 mm，厚度為30 mm。采用ANSYS分析軟件對搭載板的強度進行了校核，最大位移DMX=0.085 mm，最大應力SMX=24.7 MPa，結果表明所設計的搭載板滿足強度要求。

本設計采用雙作用的液壓缸作為搭載板起升、回落的動力裝置，操作方便。采用方鋼對結構強度進行加固，降低裝置的總質量。在搭載板尾部設計折疊板裝置，提高搭載板的離地高度，確保集材拖拉機的通過性。

【參 考 文 獻】

[1]史濟彥.森林采伐學[M].北京：中國林業出版社，1996.

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[5]陳幸良.中國現代林業技術裝備發展戰略研究[M].北京：中國林業出版社，2011.

[6]周玉申，肖智慧.我國林業技術裝備現狀與發展趨勢[J].木材加工機械，2011(5)：33-35.

[7]趙俊寶，何靜華.我國營林、集材拖拉機的基本情況及分析[J].林業機械與木工設備，2007，35(7)：12-17.

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