履帶式林間剩余物集材機關鍵部件設計與試驗研究

戰麗 張志文 楊春梅 劉九慶

摘 要：為解決人工林及次生林集材效率較低的問題，依據人工林自身特點，設計自走履帶式林間剩余物集材機。針對集材機關鍵部件設計計算，對機架進行有限元分析和優化，以保證設計合理性。對集材機進行在坡面和越障通過時穩定性的分析，在計算機輔助工程軟件包Recurdyn（Recursive Dynamic）中進行坡面和越障仿真分析。通過對樣機20°爬坡的試驗和150、200、250 mm高的障礙物試驗，結果顯示，集材機能夠有效通過20°坡度和250 mm高度障礙物。該研究的集材機設計合理，滿足林間通行條件。

關鍵詞：林間剩余物；集材機;通過性;試驗；有限元

中圖分類號：S776.32+5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0131-09

Abstract：In order to solve the problem of low skidding efficiency of plantation and secondary forest， according to the characteristics of plantation， a self-propelled crawler skidder for forest residues was designed. The key components of the skidder were designed and calculated， and the finite element analysis and optimization of the frame were carried out to ensure the rationality of the design. The stability of the skidder on the slope and the obstacle is analyzed， and the simulation analysis of the slope and the obstacle is carried out in the computer aided engineering software package Recursive Dynamic. Through the 20° climbing experiment of the prototype and the obstacle crossing experiment of 150， 200 and 250 mm high obstacles， the results show that the skidder can effectively pass through 20 ° slope and 250 mm height obstacles. The design of the skidder designed in this paper is reasonable and meets the conditions of forest traffic.

Keywords：Forest residue; skidder; trafficability; experiment; finite element

基金項目：黑龍江省自然科學基金項目（TD2020C001）；中央財政林業科技推廣示范項目（黑[2022] TG13號）

第一作者簡介：戰麗，博士，副教授。研究方向為車輛工程與工業設計。E-mail： lilyzhan@vip.163.com

*通信作者：劉九慶，博士，教授。研究方向為林業機械化。E-mail： 727485313@qq.com

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對于木材消耗量也逐漸升高，我國人工林的面積也在逐漸增多，全國人工林面積達到了754.28萬hm2，對于人工林木材收集主要依靠人工作業和集材機作業，我國主要有JC30型營林、金龍252L型營林整地機，但隨著需求量的增加，已經不能滿足現代人工林和次生林的生產需求。劉鐵男[1]提出了三角履帶集材機額定載重質量為1 500 kg，整機全長6 100 mm，單次集材效果較好，但其尺寸過大，靈活性差。戰麗等[2]提出間伐伐區小型集材機，其結構緊湊、布局合理、小巧靈活，但集材部分較小，整機單次集材效率較低。劉鐵男等[3]對于集材機用三角履帶的關鍵參數進行優化，提出了一種履帶驅動效率優先的原則，得到了集材機三角履帶關鍵參數的最優組合。Wang[4]通過對比多種集材機的移動方式，發現履帶移動方式對森林土壤的影響最小。Adzhatyan[5]提出了一種履帶外部載荷方案，制定了履帶梁的設計方案，提高了地面載荷的合理分配及履帶承載能力、使用壽命。Marsili等[6]提出了履帶式林業車輛工作過程中對駕駛員的全身振動的影響。近年來，國內集材機發展較為緩慢，主要的研究方向是對原有車型的升級改造，解決移動較為緩慢、集材效率較低問題[7]。

為提高人工林集材效率，本研究設計一款自走履帶式林間剩余物集材機，將林間障礙地形簡化為斜坡和臺階2個地形進行理論分析[8]。制造樣機，進行實地試驗，以保證集材機設計的合理性。

1 自走履帶式林間剩余物集材機設計

1.1 設計指標

自走履帶式林間剩余物集材機主要作業環境為人工林和次生林，主要路面為柏油路面、林間集材道路和林間軟土路。通過對小興安嶺某次生林伐區、東方紅林場和臨江林業局的調查得到以下的林間相關參數。集材道寬度為2.4 m，51%樹間距大于2.4 m，79%樹間距大于1.68 m，林間伐根一般200 mm。所需集材平均體積為0.07 m3，平均直徑120 mm；道路坡度最大為20°[9]。因此集材機主要技術指標為：1）整機空載質量500 kg，滿載質量1 000 kg；2）正常行駛速度0～2 km/h；3）具有較好的爬坡越障能力，最大爬坡角度20°，最高越障高度200 mm；4）操作方式簡單，轉型靈活。

1.2 履帶式林間剩余物集材機總體結構

依據設計指標，自走履帶式林間剩余物集材機結構如圖 1所示，主要由行走機構、液壓系統、柴油機、機罩、絞盤機和車體等組成。

自走履帶式林間剩余物集材整機參數見表1。

1.3 額定功率的設計

集材機所在作業場地最大坡度為20°，滿載質量為1 500 kg ，為了保證集材機工作過程中具有足夠動力，需要確定合理的集材機功率為

集材機上坡時行駛阻力（Ff）計算公式為

根據牽引力的平衡關系可得

式中：P為集材機功率，kW；Fq最大載重時所需的牽引力，N；v為集材機上坡時候行駛速度，km/h， v=2 km/h；α為坡度角；μ為小型集材拖拉機上坡與地面間的摩擦阻力系數；Ff為行駛阻力，N；η為傳動效率， η=0.66；G0為整機重力，N。

帶入相關數據得P=6.32 kW，為了保證工作的可靠，集材機應該具有一定儲備功率，所以集材機額定功率（Pc）為

式中，kc為功率儲備系數，選擇kc=1.17。

計算得額定功率為Pe=7 kW。選取常州常邁機械動力機械有限公司R190柴油機作為整機的動力源，其最大功率7.78 kW。

1.4 集材機絞盤的設計

為了提高集材效率，在集材機上安裝絞盤機， 絞盤機具體的結構由支座、卷筒、鋼絲繩和液壓馬達組成。鋼絲繩作為絞盤機的關鍵部件之一，若選擇不當，則會在工作過程中出現斷裂的危險，從而影響集材效率， 嚴重的情況下會威脅到人身安全。

1.4.1 鋼絲繩設計

集材機所需牽引力（T）的大小決定了絞盤機每次集材能力，絞盤機需要拉力計算公式為

式中：GQ為絞盤機單次集材重量，N，依據設計要求中GQ=5 000 N；w為集材的阻力系數，根據林區路面條件確定w=0.8；i為林區路面坡度千分數 。

帶入相關數值得到集材牽引力T=4 100 N。為了保證集材機遇到突發情況具有一定的自救能力，絞盤機牽引力最終確定為4 500 N。

小型集材拖拉機最大牽引力4 500 N，鋼絲繩的破斷拉力應該滿足式（6）。

式中：Tp為整條鋼絲繩的破斷拉力，N；Tmax為鋼絲繩最大靜拉力，N；n為鋼絲繩最小安全系數，n=4。Tp≥4×4 500=18 000 N，選用6×19S+FC型號的鋼絲繩，鋼絲繩直徑為8 mm，其最小被拉斷拉力34 800 N，因此滿足使用需求，鋼絲繩長度初步選擇25 m。

1.4.2 卷筒設計

卷筒作為絞盤機的重要部件之一，主要參數有卷筒的直徑、卷筒厚度、纏繞圈數、卷筒長度和卷筒端板外緣直徑參數。

1）卷筒直徑

卷筒的直徑（D）計算公式為

式中：hj為結構有關系數，取hj=21.4；d為鋼絲繩直徑，mm。

帶入相關數值求出D≥21.4×8=171.2 mm，絞盤機的設計在滿足使用功能前提下，結構應該較小，直徑確定為180 mm。

2）卷筒厚度確定

卷筒厚度太小，強度不足，容易發生斷裂和變形，卷筒厚度太大，則會增加絞盤轉動的功率損失。依據經驗公式，取厚度δ≈d=8 mm。

3）卷筒長度（Lj）計算

式中，φ為鋼絲繩在卷筒上排列的不均勻系數，φ=1.1。求出Lj=1 848 mm，因此本研究取Lj=1 850 mm。

4）卷筒端板外緣直徑計算

卷筒外緣直徑選擇恰當可防止鋼絲繩的工作過程中的跳出，其直徑計算公式為

式中，mk為鋼絲繩不越出端板外緣安全高度，當卷筒為多層纏繞時取mk=2 d。求得D1≥1 230 mm。

1.5 行走機構的設計

集材機作業環境，路面較軟，為保證通過性，選擇履帶作為行走機構。采用三輪一帶的機構，整體布局如圖 2所示。

1.5.1 履帶設計

1）履帶節距

節距太小會使傳動件數量和履帶質量增加，節距太大會使履帶的剛度和行駛的平穩性變差。故根據經驗履帶節距[10-11]為12～14.54G。G為滿載質量，kg，整機質量取1 500 kg，計算得履帶節距為148 mm。

2）履帶軌距和接地長度

考慮到林間的作業條件，要求集材機移動較為靈活，履帶軌距（B）最小取560 mm。履帶接地長度（Lg）和軌距之間的比值決定著集材機轉向性能，依據經驗取該比值為1.3，計算得Lg=690 mm。

3）履帶寬度

履帶寬度（k）計算方法為（0.18～0.22）Lg，取k=0.2Lg，計算得k=138 mm。

4）滿載接地壓力比（PF）計算公式

計算得PF=0.05 MPa≤Pmax （Pmax為履帶允許最大接地壓力，為10 MPa），集材機符合設計要求。

1.5.2 驅動輪的設計

驅動輪半徑大，則驅動扭矩增大，所以驅動輪半徑不應過大，但驅動輪半徑太小，則會導致履帶嚙合部分半徑也變小，減少履帶壽命。所以取驅動輪齒數（z）為9。驅動輪齒頂圓直徑Dt 、節圓直徑Dk 和齒根圓直徑Di 的計算公式為

式中：t0為履帶的節距， t0=72 mm；C為履帶的厚度，C=15 mm；Ft為橡膠履帶內傳動平面距鋼絲繩中心面的距離，Ft=10 mm。

求出Dk=206 mm，根據實際情況最終取Dk=215 mm，求出Dt=240 mm，Di =195 mm。齒面弧線半徑一般為r=30～60 mm，取r=45 mm。驅動輪三維結構如圖3所示。

1.5.3 支重輪的設計

集材機的載重較大，為保證結構穩定，采用雙邊支重輪，支重輪的直徑Dz≈（1.5～3）t0，最終確定Dz=160 mm。主要結構如圖4所示。

1.6 機架的設計與校核

集材機機架主要是用來承載與連接集材機各部分，要求整個機架結構簡單，加工容易，在機架滿足集材機強度要求下，盡可能減小自重，提高集材機集材效率。為了便于加工，考慮整機集材機質量的合理分布，機架設計如圖 5所示。

為了保證設計可靠性，進行機架靜力學分析，按照集材機受力情況添加約束與受力，機架變形云圖如圖6所示。

由圖6可知，最大變形量為機架前端0.603 02 mm，變形量較大，主要原因是機架前端放置柴油機、液壓油箱，且懸臂較長；最大主彈性應變0.000 528 6，最大主應力137.48 MPa，主要存在于第一層機架和第二層機架連接的四立柱連接處。為了保證機架的合理性和安全性，在變形較大和應力集中處做出優化改進，優化后結構如圖 7所示。優化后機架變形云圖如圖8所示。

優化后總變形為0.028 15，最大主彈性應變0.000 193，最大主應力39.49 MPa，相比優化前后總變形減小了一半，最大主彈性應變減少了一半，最大主應力減少了三分之一。

對優化后機架進行模態分析，前六階主振型如圖 9所示，振動頻率見表 2。

機架振源主要是由動力源振動產生，集材機動力源最大振動頻率為25 Hz，小于集材機的振動頻率，改進后的機架更加合理。

2 通過性分析

2.1 坡面分析

集材機進行通過斜坡道路過程中，在分析過程中，做如下假設：1）坡道僅僅只有一個方向的傾斜角度；2）集材機在坡道上穩定行駛時所受的作用力主要包括集材機自身重力、前進方向的空氣阻力（可忽略不計）、支撐地面的法向反力和行駛時的地面摩擦阻力[12-14]。

集材機在縱向坡道勻速行駛，處于平衡狀態，對其進行受力分析，如圖10所示。

力矩平衡方程，對A點取矩，得到公式

若坡度角過大，則集材機會發生倒翻，由幾何關系得上坡過程中最大坡角

同理在車輛下坡過程中最大坡角

集材機成功爬坡的另外一個重要因素就是路面條件，由集材機履帶與地面之間的附著條件決定，設林間路面與集材機之間的附著系數為φ，則有集材機林間最大附著力為

所以集材機在坡道上行駛不發生下滑的條件為F≤Fφ，集材機在不發生滑移所對應的最大滑移角βφ=arctanφ。

所以集材機所能爬坡的最大坡度角（β）為arctandH、arctanL1－dH、arctanφ三者最小值。

帶入數據得集材機最大爬坡高度β=23° ，滿足使用條件。

2.2 越障分析

集材機在跨越臺階過程中，首先履帶與臺階前沿接觸，集材機開始攀爬臺階，在此過程中，隨著集材機導向輪的上升主體重心不斷提高，集材車質心也在不斷升高，底盤與地面的夾角逐漸增大，當集材機重心恰好在臺階邊緣線正上方，此時是集材機攀越垂直壁的臨界狀態如圖11所示，h為臺階高度，R為驅動輪半徑（包括履帶厚度），L為驅動輪圓心O1到導向輪圓心O2之間的距離，a為重心G在O1O2上的投影的距離，b為重心G距離O1O2的高度，建立如下方程式。

其中可以將車體仰角α質心位置a、b作為自變量，車體仰角超過0.5π之后肯定不能越過障礙，所以α為集材機仰角取值范圍為（0～0.5π），集材機質心橫坐標為（0～L），對式（19）求障礙物高度h關于車體仰角α的偏導可得

式中：α為O1O2與水平面夾角；2hα2≤0，h存在最大值，當hα=0時，可得出在臨界狀態下最大仰角α與a、b的變化，求障礙物高度h關于質心a、b的偏導，可得ha=sinα＞0，ha=sinαtanα＜0，所以質心靠前、靠下時候更容易越過障礙物，為了保證集材機良好的通過性，質心坐標也不能過低，根據履帶底盤設計經驗b＞0。選取4個質心位置，對應翻越障礙物的極限角度如圖 12所示。

3 仿真分析

林間道路坡度一般為20°，砍伐樹木之后的伐根通常高為200 mm，因此對集材機進行該坡度仿真分析。本研究利用計算機輔助工程軟件包Recurdyn（Recursive Dynamic）軟件集材機進行動力學仿真，Recurdyn是目前應用最為廣泛的機械系統動力學仿真軟件之一，可以和多種建模軟件實現對接。林間道路多為軟土路面，所以選擇黏土路面為仿真路面，所得到的履帶與土壤參數見表3[15-18]。

3.1 坡道仿真

在Recurdyn中建立20°坡面，仿真時間30 s，分別提取Y向位移和驅動輪轉矩，如圖 13所示。

在仿真過程中，由于驅動輪轉動副的固定件和轉動件相對運動的原因，所以在仿真結果中驅動力矩為負值，在分析過程中驅動力矩只看大小，不看正負。10 s之前在朝坡度移動驅動力矩為300 N·m，10 s開始爬坡，驅動力矩變為400 N·m，Y向逐漸增大，13.5 s左右集材機完全到達坡道，驅動力矩增大為470 N·m，后續保持不變，Y向位移平穩增加。

3.2 臺階仿真

同爬坡過程分析，驅動力矩只看大小不看正負。翻越200 mm高度障礙物驅動力矩和Y向位移如圖14所示，2～8 s為在平地移動，驅動力矩350 N·m。8 s履帶接觸障礙物，開始越障，隨著集材機向前移動，質心開始升高，驅動力矩逐漸增大，驅動力矩增加800 N·m。在14 s時刻，質心越過外沿線，在集材機重力作用下，越障成功，質心開始下降，16 s集材機達到穩定狀態。

4 爬坡與越障試驗

對集材機進行20°坡度和3種不同高度的試驗，其試驗過程如圖15和圖16所示。試驗結果表明集材機能順利通過20°坡度與250 mm高度障礙物。

該集材機能夠通過20°坡度，可以應對林間一般坡度。在越障試驗過程中，分別在3種高度障礙物下進行試驗，為保證試驗可靠性，每種高度進行了10次試驗，均能夠通過障礙，見表4。由此說明集材機滿足林間環境下行駛。

5 結論

1）設計了一款用于自走履帶式林間剩余物集材機，整機尺寸3 500 mm×850 mm×1 275mm。單次可集材1 000 kg。

2）建立了集材機爬坡運動學模型，并根據爬坡的幾何、履帶不打滑約束條件，對集材機質心、仰角與可翻越高度進行了理論分析。結果表明質心靠前、靠下時候更容易越過障礙物。

3）進行了爬坡和越障仿真分析。得到了驅動力矩與Y向位移變化曲線。完成了樣機20°爬坡的試驗，以及150、200、250 mm障礙物的越障試驗。試驗表明集材機通過性良好，設計合理，能夠滿足林間的作業要求。

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