南方丘陵地區(qū)CFJ20H 8W采伐機底盤初步結構確立

張小珍，沈嶸楓，林曙，周新年，許 浩

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

南方丘陵地區(qū)CFJ20H 8W采伐機底盤初步結構確立

張小珍，沈嶸楓，林曙，周新年，許 浩

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

采伐機底盤是采伐機的重要組成部分，直接關系到采伐機的工作效率。根據(jù)南方丘陵地區(qū)的自然環(huán)境情況，提出對采伐機底盤的性能要求，采用八只輪子的措施，可以提高采伐機在南方丘陵地區(qū)的行駛性能。通過收集國外廠商生產的八只輪子采伐機的參數(shù)和結構形式，總結出國外采伐機底盤特點。對比國內采伐機的機型結構，最終確定以鉸接式底盤為設計藍本，以John Deere 1270G 8W采伐機尺寸參數(shù)和結構為參考模型，確定出CFJ20H 8W采伐機底盤的尺寸參數(shù)，建立采伐機初步模型。通過HyperWorks軟件對采伐機初步車架進行靜力學分析，驗證結構的可靠性。

南方丘陵地區(qū)；采伐機底盤；機型

我國南方丘陵地區(qū)人工林的面積較大，再加上生活中木材的使用量較大，人工林的開采是當前迫切所需，但是采伐工作是一個艱巨的任務，借助斧頭等小型工具的傳統(tǒng)采伐方式已經不能適應當前的生產方式，一臺采伐機能代替幾十個人的工作量，大大提高了工作效率，所以開發(fā)適合丘陵地區(qū)的采伐機是十分有必要的。[1-3]采伐機底盤是采伐機的重要組成部分，直接關系到采伐機工作的效率，國內采伐機是直接引進或改裝，在性能上不能完全滿足于南方丘陵地區(qū)采伐機的工作所需。我國南方丘陵地區(qū)地形復雜、地勢陡峭，給采伐機的研究工作帶來較大的挑戰(zhàn)。所以，在南方丘陵地區(qū)的采伐機底盤的研究工作中，首先確定出南方丘陵地區(qū)對采伐機性能要求，然后根據(jù)分析國內外的采伐機機型，確立出采伐機底盤的初步模型。

1 南方丘陵地區(qū)底盤研究概述

圖1 南方丘陵地區(qū)自然地形

我國南方丘陵地區(qū)地形復雜，地面崎嶇不平，地質松軟，且林地上存在許多石塊、倒木、伐根等障礙物，如圖1所示，給采伐機底盤研究帶來了很大挑戰(zhàn)。[4-6]目前國內使用的采伐機不是改裝工程機械就是直接引進國外的采伐機，雖然減少了研發(fā)的時間和成本，但存在一些動力性和適應性上的問題。[7]南方丘陵地區(qū)的地形復雜，存在凹凸不平、地質松軟、地勢陡峭等自然環(huán)境問題，要求采伐機具有較好的行駛穩(wěn)定性、通過性和較強的爬坡能力，所以需要研究一種具有較為靈活、動力性較好的采伐機底盤。采用八只輪子的采伐機工作在凹凸不平的地面時，八只輪子能很好地與地面接觸，不易發(fā)生側傾翻現(xiàn)象。地面對八只輪子采伐機的支撐點較多，能很好地提高整機的穩(wěn)定性。但國內對八只輪子采伐機研究甚少，需參看國外的機型。

2 采伐機的機型參考

底盤是承載采伐機各個部件并且承載工作載荷的結構，其結構根據(jù)機械種類、要求的不同，其結構形式也有所不同，但一般可以分為整體式和鉸接式的兩大類，如圖2。整體式底盤由不同形狀的薄鋼板構件焊接成一個整體。鉸接式底盤由前車架、鉸接機構、后車架三部件構成，是利用鉸接機構將前車架和后車架連接在一起的關節(jié)式底盤。[8]下面通過國內外的采伐機參看機型的分析，確定出需研究的采伐機的結構形式和尺寸參數(shù)。

圖2 車架結構形式

2.1國外采伐機參考機型分析。

國內對采伐機的研究暫時沒有較為完整的內容，故對采伐機底盤的研究先參考國外采伐機的機型結構。根據(jù)采用八只輪子采伐機來提高采伐機工作在南方丘陵地區(qū)的行駛穩(wěn)定性，選定國外八只輪子機型作為參考。通過比較、分析不同品牌機型，總結出采伐機底盤特征，有利于開發(fā)適應我國特色的機型。首先比較目前市場具有較強地位的采伐機生產廠商的機型，而這些生產廠商主要有：芬蘭Ponsse；美國John Deere；瑞典Rottne；日本Komatsu；瑞典Eco-Log。

圖3 Ponsse Bear和Scorpion King采伐機

表1 EcoLog公司生產的8輪采伐機技術參數(shù)

圖4 John Deere 1270G 8W

表2 John Deere公司生產的8輪采伐機技術參數(shù)

圖5 Rottne H21采伐機

表3 Rottne公司生產的8輪采伐機技術參數(shù)

圖6 Komatsu 931XC采伐機

圖7 EcoLog 688采伐機

表5 EcoLog公司生產的8輪采伐機技術參數(shù)

通過分析對比國外這些機型的采伐機，可以總結出底盤基本性能參數(shù)有：

(1)底盤中通常建立兩個獨立車架，前車架和后車架，前后車架通過中間的鉸接機構連接，構成鉸接式底盤。

(2)采伐機整機的重量在15噸到25噸之內。

(3)底盤中車架初步采用碳素結構鋼Q235A。

(4)鉸接式底盤的最大轉向角可以達到42°-45°。

(5)鉸接機構的位置對保持整車的穩(wěn)定性起著至關重要的作用，其位置在軸距的中間。

(6)現(xiàn)有的采伐機都具有靈活的鉸接機構，其中鉸接機構中都具有雙液壓缸。

2.2 國內采伐機參考機型分析。

國內林業(yè)裝備技術的研究水平較低，主要是以改裝工程機械的手段來研究采伐機。北京林業(yè)大學孫治博、魏占國等人為了盡快研制適合我國南方丘陵地區(qū)的采伐機，以輪式裝載機為設計藍本，采用改裝技術進行采伐機的研發(fā)，如圖8為改裝后的采伐機，該采伐機的參數(shù)如表2-6所示。[9-11]可以發(fā)現(xiàn)該采伐機車架的前車架和后車架間是通過鉸接連接的。而且很多工程車輛，如建筑機械、農業(yè)機械、鏟土運輸機械等，為了改變整體式車架的局限性，鉸接結構得到廣泛的運用。[12-13]

圖8 改裝后WCFJ30-I采伐機

表6 改裝后的采伐機技術參數(shù)

3 采伐機底盤初步設計模型

通過國外和國內采伐機參考機型分析不難發(fā)現(xiàn)采伐機都采用鉸接結構的底盤，整體的結構和尺寸參數(shù)也非常近似。故最終確定以鉸接結構的底盤為設計藍本，其尺寸參數(shù)和結構形式參考John Deere 1270G 8W采伐機(圖4)，確定出CFJ20H 8W采伐機底盤尺寸參數(shù)和結構形式，如表7所示，為采伐機底盤系統(tǒng)設計的尺寸參數(shù)。根據(jù)John Deere 1270G 8W采伐機的底盤技術參數(shù)，初步能確立出采伐機底盤的外形尺寸，而內部尺寸需要不斷嘗試和賦予一定值，建立CFJ20H 8W采伐機底盤初步的三維模型圖，如圖9所示。

表7 CFJ20H 8W采伐機底盤技術參數(shù)

圖9 CFJ20H 8W采伐機底盤三維模型圖

4 采伐機底盤結構驗證

前文初步賦予采伐機底盤一定的結構尺寸和碳素結構鋼Q235A(許用應力值為113Mpa[14])，是否滿足材料的強度和剛度要求，需要進一步的驗證。而承載采伐機的絕大數(shù)部件的是車架，其好壞直接關系到采伐機的使用性能、可靠性、安全性，所以借助有限元分析軟件HyperWorks軟件對車架的模型進行強度和剛度的分析。將SolidWorks軟件建立的車架的三維模型以step格式導入到HyperWorks軟件，對其進行幾何清理、畫網格等進行有限元模型，如圖10所示。車架滿載時承載的重力最大，以滿載彎曲為研究情況，進行靜力學分析。

圖10 CFJ20H 8W采伐機車架的有限元模型

經過hyperWorks軟件的分析、計算得到滿載彎曲下采伐機的等效云圖，如圖11所示，最大的應力值為53.73MPa，最大變形值為0.46mm。最大應力值出現(xiàn)在前車架支座連接處，前車架的出現(xiàn)應力大于后車架的，車架其他部位應力值均較小，最大應力值為53.73MPa，遠小于該材料的許用應力值。滿載彎曲工況下車架的變形集中在車架的尾部，最大變形量為0.46mm，遠小于許用撓度13.29mm，其中尾部出現(xiàn)的變形大于頭部，由于后車架的總載荷小于前車架，且后車架的長度大于前車架，導致容易發(fā)生變形。從整體上分析可知，CFJ20H 8W采伐機車架在滿載彎曲下強度和剛度是滿足設計要求的。

圖11 滿載彎曲下車架的等效云圖

5 總結

經過對國外的機型探討，列舉出國外當前采伐機的結構形式，對比國內的采伐機機型結構，最終采用鉸接式的底盤，以John Deere 1270G 8W采伐機為參考模型，提出并確定了CFJ20H 8W采伐機底盤的基本尺寸參數(shù)，嘗試賦予采伐機一定尺寸，建立采伐機底盤初步模型，通過HyperWorks軟件對CFJ20H 8W采伐機車架進行靜力學分析，得到采伐機車技結構是符合設計要求的強度和剛度，初步設計的CFJ20H 8W采伐機底盤是合理的，但采伐機的整體結構還可以進行優(yōu)化，在今后研究中有待進一步的改善。

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Class No.:S776.31 Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

Establishment of the CFJ20H 8W Tree Harvester Chassis Preliminary Structure in the Southern Hilly Region

Zhang Xiaozhen, Shen Rongfeng, Lin Shu，Zhou Xinnian, Xu Hao

(School of Transportation and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China)

The chassis is an important part of the tree harvester，directly related to the efficiency of the work of the cutting machine．Based on the natural environment in the southern hilly region，the performance requirements of the tree harvester chassis are proposed，and the eight wheels are used to improve the driving performance of the tree harvester operating in the southern hilly region．It is summed up that the characteristics of foreign logging machine chassis by collecting the parameters and structure of eight wheel tree harvester of the foreign manufacturers．There is ultimately determine the articulated chassis as the design blueprint by comparing with the domestic cutting machine model structure and referencing Deere John 1270G 8W cutting machine．Finally，it is determined that the size parameters and structure of the tree harvester chassis structure．The static analysis of the preliminary frame of the tree harvester was carried out by Hyper Works software，and the reliability of the structure was verified．

southern hilly region; tree harvester chassis; model

張小珍，碩士，福建農林大學。研究方向：機械設計。 沈嶸楓，通訊作者，副教授，博士，福建農林大學。研究方向：林業(yè)機械設計。

福建農林大學教材與實踐研究項目(111414044)；國家教育部創(chuàng)新科技計劃項目(111ZC5040)；福建農林大學林業(yè)智能機械立體化教材項目(112515013)；福建農林大學交通運輸類實驗教學示范中心資助項目(01SJ10009)；福建農林大學高水平大學建設重點資助項目(113-612014018)。

1672-6758(2016)12-0063-5

S776.31

A