森林工程裝備底盤研究綜述

森林工程裝備底盤研究綜述

朱閱，闞江明*，徐道春，劉晉浩

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

摘要：隨著我國林業的發展和勞動力日益緊張，森林工程作業機械化的重要性更加凸顯。在我國山地、丘陵地區，森林工程裝備底盤的性能決定了森林工程裝備能否“上山入林”，影響森林工程機械化的進程。本文對近些年國內外裝備底盤上的研究成果進行介紹，包括具有較強越野能力的裝備底盤以及有助于改善底盤性能的關鍵機構(懸架、轉向、車輪)，分析各自的優缺點，基于我國典型林區立地條件的基礎上提出適合我國山地、丘陵地區作業的森林工程裝備底盤的性能要求。

關鍵詞：特殊功能底盤；底盤關鍵機構；底盤性能要求

中圖分類號：S 776

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0097-06

Abstract：With the development of forestry and increasingly tense labor force in China，the importance of mechanized operation of forest machine becomes more prominent.In the mountainous and hilly areas，the performance of chassis of forest machine can determine the possibility to “reach mountain and hill” for forest engineering equipment，which affects the process of mechanization of forest machine.Some design principles and methods of chassis used in forestry equipment are introduced according to some references at home and abroad in recent years including strong off-road forestry chassises and several important parts that contribute to improve the performance of chassis(suspension，steering，and wheels).At the same time，the advantages and disadvantages are analyzed in detail.In the end，based on the analysis of typical forest areas in our country the performance requirments of chassis for forest machine that are suitable to work in the mountainous and hilly areas are put forward.

Keywords：special chassis；key parts of chassis；performance requirments of chassis

收稿日期：2014-10-16

基金項目：中央高校基本科研業務費專項(TD2013-4)；國家林業局引進國際先進林業科學技術(948)項目(2013-4-20)

作者簡介：第一朱閱，碩士研究生。研究方向：森林工程裝備及其自動化

通訊作者：*闞江明，博士，副教授。研究方向：森林工程裝備及其自動化。E-mail：kanjm@bjfu.edu.cn

A Review on the Chassis of the Forest Machine

Zhu Yue，Kan Jiangming*，Xu Daochun，Liu Jinhao

(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083)

引文格式：朱閱，闞江明，徐道春，等.森林工程裝備底盤研究綜述[J].森林工程，2015，31(2)：97-102.

森林資源是人類的寶貴財富和社會發展的基礎，我國地域遼闊，自然條件復雜，林木資源豐富，在世界上占有重要地位[1]。據林業部2010年全國森林資源統計，我國林業用地面積為30 590.41×104hm2，森林面積為19 545.22×104hm2，活立木總儲蓄量為149.12×108m3，森林儲蓄量137.20×108m3[2]。就森林面積和蓄積總量而言，我國森林資源在世界上占有重要地位。面對如此廣袤的地域和巨大的儲蓄量，森林工程裝備的好壞直接影響著我國林業發展，大力發展森林工程裝備成為了加快我國林業發展的迫切要求。東北林業大學陸懷民教授，北京林業大學李文彬教授、劉晉浩教授以及南京林業大學“智能控制與機器人技術研究所”的科研人員一直對森林工程裝備做著相關研究[3]。但是，國內這方面研究起步較晚，技術相對落后，和日本、美國、瑞典、加拿大等林業發達國家相比存在較大差距。更重要的是，我國的三大林區(東北林區、西南林區、南方林區)地形十分復雜。包括大興安嶺、小新安嶺及長白山在內的東北林區，是我國最大林區，山環水繞，綿延幾千里，林區的地形特點以山地、丘陵為主；西南林區主要包括四川、云南、西藏三省交界處的橫斷山區，以及西藏東南部的喜馬拉雅山南坡等地區，地勢險峻，為山地地形；秦嶺、淮河以南，云貴高原以東的廣大地區，屬于我國第三個大林區——南方林區(東南林區)，是我國熱帶和亞熱帶的森林寶庫，以山地、丘陵地形為主。我國林區主要的地形特點是山地和丘陵，東北林區和南方林區海拔一般在800~2 000 m，西南林區橫斷山區海拔可達4 000~5 000 m，三大林區山地的平均坡度10°~25°，局部地段形成36°~45°的陡坡，樹木間距一般在1.5~2 m左右，路面崎嶇不平[4~6]，因此，實現林區作業機械化需首先解決裝備的“上山入林”問題，對裝備底盤設計提出了更高的要求，裝備底盤的好壞直接制約著裝備的未來發展。

森林工程裝備底盤需要具有適應惡劣路況的能力，能夠在地形復雜的山地、丘陵地區正常行駛和作業，滿足這些要求的森林工程裝備底盤，國內外做了大量的研究工作[7]。本文對近些年國內外裝備底盤上的研究成果進行介紹，包括具有較強越野能力的裝備底盤以及有助于改善底盤性能的關鍵機構(懸架、轉向、車輪)，分析各自的優缺點，提出適合我國山地、丘陵地區作業的森林工程裝備底盤的性能要求。

1森林工程裝備底盤

世界上多數林區集中在地形陡峭的山區，給林木的撫育、采伐和集運帶來了巨大的挑戰，能適應這種地形的森林工程裝備底盤成為實現林場作業機械化的迫切需求[8]。森林工程裝備底盤是一種具備特種功能，用于承擔林地運輸或林地作業以及其它林地特種用途的車輛底盤。本文介紹了4種森林工程裝備底盤，其中包括寬度可調式底盤、可開式林用底盤、重心可調式底盤和折疊履帶式底盤。

1.1　寬度可調式底盤

國外針對森林工程裝備底盤的設計與開發起步較早。他們在完善越野性、機動性、靈活性的同時，更加追求裝備底盤的小巧性[9]。美國的Paul A、Yuker提出了一種寬度可調式底盤[10]，通過4個液壓油缸1驅動每一個車輪沿Y軸方向獨立移動，并且能夠鎖定在不同位置，底盤同時還采用獨立液壓馬達實現全輪驅動使車輛沿X軸方向行進，如圖1所示。這種設計通過改變車輪在Y軸方向的位置實現底盤在不同寬度的路段正常行駛，增強對不同寬窄道路的適應能力，全輪驅動在一定程度上增加了底盤的越野性。該底盤的不足之處就是液壓油路的設計復雜，給底盤的維護和保養帶來了一定困難；同時該底盤離地間隙不能夠調節，對林區凹凸不平地面的適應性需要進一步加強。

圖1　寬度可調式林用底盤 Fig.1 The width adjustable forestry chassis

圖2　可分開式林用底盤 Fig.2 The separable forestry chassis

1.2　可開式林用底盤

人工林地具有樹木人工種植，分布成線性的特點，制約了很多大型森林工程裝備。Huttunen paavo等針對這一問題開發了一款可開式林用底盤[11]，專門針對大型裝備林地作業和穿行。該裝備底盤由兩部分組成，如圖2所示，一部分是駕駛室1，用于控制森林工程裝備行走和作業，另一部分是承載裝置2，可將采伐的樹木固定在該裝置上。底盤由一前一后兩個橫梁3連接，通過液壓缸可控制橫梁3完成“連接”和“斷開”兩種工作狀態，此外，駕駛室與承載裝置均有獨立的液壓和電控設備。裝備在林區執行間伐作業時，通過橫梁3的實時開閉，可實現在不破壞周圍樹木情況下對目標樹木的采伐，有利于底盤在林地作業和行駛。Huttunen paavo等人的這種設計解決了森林工程裝備因體積大造成的林地行駛不便，采育過程損害其它樹木問題，很大程度上增強了裝備底盤的通過性，避免裝備過高要求體積小造成作業裝置安裝不完整等問題，為大型森林工程裝備底盤設計開拓了新的廣闊前景；但不足之處是沒有解決森林工程裝備在復雜林地作業需要的越野性的難題。

1.3　重心可調式底盤

森林工程裝備林區作業，具有強越野性和通過性的同時需要滿足作業裝備穩定性，尤其帶有起重臂的裝備。起重臂前后伸縮，并承載不同載荷，致使作業裝備重心有時不能保證在安全范圍內，造成作業安全隱患，給駕駛員和工人生命帶來極大危害。為了解決這一問題，美國Mosterman、Foppe Johannes[12]等人設計一種重心可調式底盤，如圖3所示，工作裝置1安裝在駕駛室2一側方便駕駛員進行作業，為了調節裝備作業重心，底盤增加了配重裝置3，配重裝置3可繞駕駛室2在一定角度范圍內旋轉。這種設計可以實時改變森林工程裝備作業時重心位置，保證裝備安全作業，并且底盤駕駛室2和配重裝置3均可以獨立轉向，使裝備林地作業更加靈活、可靠。但這樣設計不足之處在于底盤靈活度大，加大了駕駛員的操作復雜性，易于疲勞。底盤重心的調節方式對森林工程裝備底盤有重要的啟示作用。

圖3　重心可調式林用底盤 Fig.3 The center of gravity adjustable forestry chassis

1.4　折疊履帶式底盤

我國自然林多位于地勢陡峭的山區，地面常出現急劇階梯型障礙，給森林采伐和運輸帶來巨大挑戰[13]。針對這個問題，北京林業大學劉晉浩教授、鮑際平教授[14]設計了一種折疊履帶式底盤，如圖4所示，該底盤的行駛系統由主履帶1、副履帶2和折疊油缸3組成。林區行駛中，一般路面采用主履帶驅動行駛；攀越陡峭障礙時，采用主、副履帶聯合驅動并通過雙履帶伸展運動穿越障礙。這種底盤可以應用在履帶式采伐機和履帶式聯合采育機等多種森林工程裝備上，具有較強的越野性能，適應無道路野外作業環境。但履帶式底盤共有一個通病，地面接觸面積大，自身重量對地表植被損害較明顯，不利于林地恢復和生態保護，同時履帶車輛不能直接在公路上行駛，通常要采用專用的平板貨車通過公路和林區道路運輸[15]。

圖4　折疊履帶式底盤 Fig.4 The crawler type forestry chassis

2森林工程裝備底盤關鍵機構

森林工程裝備作業環境是地形復雜的林區，對底盤越野性能要求較高，提升越野性能可以采用特種底盤，例如寬度可調式底盤、可開式林用底盤等，此外，還可以通過改變底盤裝備關鍵機構使底盤具有林區作業功能，森林工程裝備設計與制造中，一般通過改進底盤懸架、轉向和車輪設計提升底盤通過性、靈活性和越障性，更好適應林區作業。

2.1　懸　架

2.1.1自動調平懸架

美國Sion、Emyr、Pierce等人[16]對6輪越野車輛進行研究，主要針對6輪小型越野車輛，設計了一種自動調平懸架，如圖5所示，車輛在遇到沙石或者不平整路面時，懸架不隨車架左右擺動，保證位于懸架上的駕駛平臺始終處于水平，提高駕駛及乘坐人員的舒適性，有助于延長駕駛時間，降低駕駛強度。Sion、Emyr、Pierce等人為了增強底盤驅動力采用兩個電動機，每個電動機分別驅動兩側的三個車輪，這樣可以保證每個著地輪與地面產生足夠的驅動力，使底盤更容易穿越障礙。該底盤更加適合外場工作，對工作環境、場地要求小，特別適合林地作業，對深入研究森林工程裝備底盤具有重要的指導、參考價值。

圖5　自調平懸架 Fig.5 The automatic adjustable suspension

圖6　高度可調懸架 Fig.6 The height adjustable suspension

2.1.2高度可調懸架

為克服因路面不平整等原因造成底盤懸架與路面發生碰撞而無法通過，提高底盤的路面適應性、通過性[17]。中國農業大學李海濤、張仲軒、劉平義等人發明一種高度可調懸架，如圖6所示[18]。設計是通過改變懸架高度使車架鎖定在相對地面的不同高度位置，懸架的設計利用平行四邊形不穩定性，采用一個可變形的平行四邊形機構，并在相應的位置安裝鎖止裝置，這樣的設計使底盤越障性、通過性大幅提高。另外，發明的底盤高度可調懸架，可主動調整車架高度且調整范圍超過車輪輪胎直徑。增大、降低車架高度，對于森林工程裝備底盤設計具有一定的參考意義。

2.2　轉向機構

2.2.1鉸接轉向

森林工程裝備底盤的轉向性能是衡量林用車輛靈活性與通過性的重要指標。優良的轉向機構能夠減小底盤轉彎半徑，保證裝備在相對狹小的空間內作業。鉸接轉向是裝備底盤主流的轉向方式之一，它利用布置在前后車架之間的液壓缸的伸縮使車架發生相對偏轉，從而實現底盤的“折腰”轉向。水電部長春機械研究所喬世珊等人在鉸接式車輛的結構特點及分析[19]中對裝備底盤鉸接轉向與偏轉車輪轉向做了對比，得出鉸接轉向具有轉彎半徑小，在狹小場地作業機動靈活；視野良好，駕駛員易于掌握轉彎臨界點位置；松軟土地上行駛能獲得較大牽引力等諸多優點，因此，鉸接轉向更適合凹凸不平的非公路路面，適合復雜的林區環境。裝備底盤鉸接轉向具有眾多優點，但如何布置液壓轉向油缸支點才能得到最佳的轉向效果是這些優點得以發揮的基礎，更是關鍵技術，哈爾濱林業機械研究所李世興[20]等人做了這一方面的研究。鉸接式車架液壓轉向油缸在車架上的布置情況，如圖7所示，經過研究得出，鉸接底盤液壓轉向油缸支點應選在轉動油缸轉向力臂最大同時油缸行程最小的位置，這樣轉矩不變的情況下，液體傳動功率最小。該研究對采用鉸接轉向的裝備底盤轉向液壓缸安裝位置進行了優化，具有重要意義。

圖7　鉸接轉向液壓缸布置 Fig.7 The arrangement of steering hydraulic cylinder

圖8　后軸轉向底盤幾何關系 Fig.8 The geometry relationship of rear-axle steering chassis

2.2.2后軸轉向

森林工程裝備底盤除了采用鉸接轉向，還有一種應用在底盤上的新型轉向方式——后軸轉向，武漢理工大學車輛工程學院王科星、胡國強[21]針對后軸轉向作了深入的研究，從理論和試驗兩個方面論證了后軸轉向技術對提升森林工程裝備底盤的機動性能和輪胎壽命方面具有重大的意義。一般車輛底盤采用前輪轉向，這樣轉向有助于駕駛員對車輛轉彎的控制，但是前輪轉向的轉彎半徑相比后輪轉向要大很多，影響裝備底盤的靈活性[22]。通過后軸轉向底盤幾何關系，如圖8所示，可以明顯的得出：采用后軸轉向具有更小的轉彎半徑，對于車速要求不是很高的森林工程裝備車輛來說，這種轉向方式也是一個不錯的選擇。但是不能否認后軸轉向車輛與鉸接式轉向車輛相比笨重很多，并且采用整體式車架，對于不平整路面的自動調節能力相對比較差，造成車輛穩定性不好，不利于森林工程裝備在地形惡劣的環境中作業，因此，對于后軸轉向技術的研究與開發，未來還有待提升。

2.3　車　輪

2.3.1可變直徑輪

可變直徑輪車輛是一種通過改變裝備底盤車輪直徑增強越障性的設計[23]。當車輛在平直的公路上行駛時，車輪抱成整圓，以提高車輛的舒適性與操縱性，當車輛在復雜的非公路上行駛時，車輪直徑改變，由連續的整圓變成離散的圓形輪子，如圖9所示，這種設計增大了車輪與路面間的摩擦力以及車輪直徑，使可越過障礙物尺寸明顯增大，提高了底盤的越障能力。北京航空航天大學陳新波、高峰等人[24]對可變直徑輪車輛越障性能做出分析，探究輪徑變化在底盤越障能力中的貢獻。從理論計算和仿真結果上證明了發動機輸出功率不變的情況下改變輪徑會明顯增強車輛的越障能力，減小越障時底盤對動力系統的依賴程度，給森林工程裝備底盤設計帶來了啟示。但由于這種設計結構復雜，出現問題不便于維修，至今還未實現大批量的生產。

圖9　可變直徑輪 Fig.9 The variable diameter wheel

2.3.2行星越障輪

行星越障輪是針對月球表面復雜環境設計的一種越障車輪，其顯著的優點是具有較強的越障能力，能夠適應月球表面凹凸不平的環境[25]。林區工作的森林工程裝備同樣需要克服惡劣的地形環境，越障能力是衡量裝備底盤性能好壞的重要指標，因此，行星越障輪的設計有助于改進裝備底盤的越野性能，為森林工程裝備林區作業提供了保障。哈爾濱工業大學鄧宗全教授[26]設計的行星越障輪的結構，如圖10所示，該車輪在行駛時至少有兩個車輪與地面接觸，降低了接地比壓。當行駛在平坦路面上時，驅動輪系演變成定軸輪系，與普通車輪一樣，具有較高的效率；當遇到較大的障礙物時，車輪角色發生改變，驅動輪系變為行星輪系，攀上障礙物實現翻越。該車輪在松軟土壤上行駛時，可以大大減少車輛的運動阻力，明顯增加驅動力，輪子也具有步行輪機構逾越障礙的能力。當在硬路面上行駛時，它給予車輛適宜的速度特性和較佳的平順性，效率與經濟性與一般傳統車輪相同[27-29]。

圖10　行星越障輪 Fig.10 The planetary wheels to surmount obstacles

3結束語

隨著科技的不斷進步，未來森林資源開發與利用必將以機械化取代傳統的人工勞動，研制高性能的森林工程裝備底盤非常重要。由于我國林區地形特點一般以山地、丘陵為主，常出現陡坡、坑洼地勢，林木間距小，根據林區作業的特點，森林工程裝備底盤應該具有如下的性能：①底盤具有尺寸、結構可調功能，適應不同株距的林地作業要求；②底盤具有穩定性可調功能，作業過程中可以根據不同的立地條件，自動調節底盤的重心位置，確保森林工程裝備的穩定和安全。③底盤具有調平功能，作業過程中保證駕駛室基本水平，提高森林工程裝備的安全性；④底盤具有越野性可調功能，作業過程中可以根據不同的立地條件，自動調節底盤的離地間隙增加跨越障礙物的能力；⑤底盤具有小轉彎半徑，在林地狹小的區域內靈活轉向。然而，兼具上述優點的森林工程裝備底盤仍處于初級研發階段，如何更好的設計與制造，有著廣泛的探索和發展空間，有待于今后進一步的研究。

【參考文獻】

[1]中國可持續發展林業戰略研究項目組.中國可持續發展林業戰略研究總論[M].北京：中國林業出版社，2002：2-3.

[2]李樹叢.中國林業統計年鑒[M].北京：中國林業出版社，2010.

[3]闞江明，李文彬.基于計算機視覺的活立木三維重建方法[M].中國環境科學出版社，2011.

[4]沈文娟，徐婷，李明詩.中國三大林區森林破碎化及干擾模式變動分析[J].南京林業大學學報(自然科學版)，2013，37(4)：75-79.

[5]楊宇軍，李超，張銳，等.基于地形因子的森林物種多樣性與蓄積量分析[J].東北林業大學學報，2012，40(12)：27-31.

[6]吳英，張萬幸，張麗瓊，等.基于DEM的地形與植被分布關聯分析[J].東北林業大學學報，2012，40(11)：96-98.

[7]劉晉浩，呂光輝，王乃康，等.林木聯合采育機底盤的研究現狀與發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2010，38(10)：11-14.

[8]Pijuan J，Comellas M，Nogues M，et al.Active bogies and chassis leveling for a vehicle operating in rough terrain [J].Journal of Terramechanics，2012，49：161-171.

[9]管欣，盧萍萍，詹軍等.多軸全輪驅動車輛動力傳動系模型的建立與應用[J].汽車工程，2011，33(3)：183-187.

[10]Yuker P A.Chassis apparatus for all terrain vehicle [P].U.S.Patent：379250，2003-08-15.

[11]Huttunen P.Vehicle chassis for machines moving in the woodland [J].[s.l.]，2007.

[12]Mosterman F J.Vehicle comprising jib and counterweight formed by wheel and motor [P].European Patent：12150432.8，2012-01-09.

[13]張建偉.帶平衡軸的小型環境友好集材拖車設計與試驗分析[D].哈爾濱：東北林業大學，2012.

[14]鮑際平，劉晉浩.折疊履帶式底盤及車輛：中國，200820123940[P].2009-09-09.

[15]魏占國，林木聯合采育機底盤設計理論研究與應用[D].北京：北京林業大學，2011.

[16]Sion，Emyr，Pierce.Off-road vehicle[P].International Patent：000085，2009-01-22.

[17]李峰，劉巖.淺述重型汽車車架設計[J].重型汽車，2001(4)：18-19.

[18]李海濤，張仲軒，劉平義，等.一種車輛底盤高度調節懸架和具有該懸架的車輛：中國，102529629 A[P].2012-07-04.

[19]喬世珊.鉸接式車輛的結構特點及分析[J].水利電力機械，2007(5)：21-28.

[20]李世星.鉸接式車輛液壓轉向油缸支點相對位置的最佳設計方法[J].工程機械，2006(6)：9-13.

[21]王科星，胡國強.特種車輛后軸轉向方案研究[J].北京汽車，2011(4)：22-25.

[22]王金湘，陳南，殷國棟.基于多主體機制的車輛主動后輪轉向與ESP集成控制[J].東南大學學報，2010，40(3)：506-511.

[23]崔瑩，周煜，陳新波.可變直徑輪全地形車輛越障性能分析[J].農業機械學報，2013，44(2)：6-10.

[24]陳新波，高峰.四驅全地形車可變直徑輪軟土牽引特性分析[J].北京航空航天大學學報，2012，38(11)：1527-1531.

[25]王偉.月球車仿葉輪式半步行輪設計[D].大連：大連理工大學，2012.

[26]鄧宗全，高海波，胡明，等.行星越障輪式月球車的設計[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35(2)：204-205.

[27]樊冬溫，劉明剛，杜鵬東，等.森林工程裝備系統體系的構建[J].林業機械與木工設備，2009，37(11)：22-25.

[28]鮑震宇，王立海.黑龍江省林業采運機械化發展變化及驅動力分析[J].森林工程，2014，30(2)：176-181.

[29]樊冬溫.森林工程裝備標準體系的探討[J].林業機械與木工設備，2005，33(7)：39-41.

[責任編輯：胡建偉]