， ， ， ，任長(zhǎng)清

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計(jì)

自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤設(shè)計(jì)

楊春梅，初金星，姬廣磊，馬巖*，任長(zhǎng)清

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對(duì)自走式履帶灌木采伐機(jī)的需求，提出其底盤設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其中的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式對(duì)接地長(zhǎng)度、軌距及最小離地間隙等參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算。所設(shè)計(jì)的底盤可靠性好、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)實(shí)用。

灌木采伐機(jī)；自走式；底盤；設(shè)計(jì)

Abstract：In view of the demand for self-propelled brushcutters，a chassis design scheme is put forward，involving the design of key components.Based on an experience formula，analytical calculation of such parameters as grounding length，gauge，and the minimum ground clearance is conducted.The designed chassis features good reliability，high stability and a practical structure.

Keywords：brushcutter；self-propelled；chassis；design

自走式履帶底盤是灌木采伐機(jī)一個(gè)非常重要的機(jī)構(gòu)，其性能直接影響灌木采伐機(jī)的工作性能。灌木采伐機(jī)是在灌木叢中作業(yè)，作業(yè)環(huán)境較差，地面松軟，高低不平，這些都增加了機(jī)器的行駛阻力，而且轉(zhuǎn)向困難，同時(shí)還會(huì)影響采伐機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性。另外，灌木叢地面通常都有一定的坡度，有的地面坡度還比較大，這些外在環(huán)境也都不利于采伐機(jī)在灌木叢中行走[1]。自走式履帶灌木采伐機(jī)在行駛過(guò)程中不僅需要承受自身的重力，還要承受采伐機(jī)作業(yè)時(shí)所受到的外力，同時(shí)還需要保證采伐機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。采伐機(jī)底盤的質(zhì)量占采伐機(jī)總質(zhì)量的比例很大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤的設(shè)計(jì)要求較高。

通過(guò)對(duì)履帶式灌木采伐機(jī)底盤的分析和研究，設(shè)計(jì)出一臺(tái)基于國(guó)產(chǎn)技術(shù)的自走式灌木采伐機(jī)底盤。采用自走式履帶底盤來(lái)承載灌木采伐設(shè)備，可以保證灌木采伐設(shè)備在灌木叢中工作時(shí)的穩(wěn)定性、持續(xù)性和安全性。

1 設(shè)計(jì)原則及基本結(jié)構(gòu)

一般履帶式底盤的主要部分有車輪、履帶和履帶支架。履帶式灌木采伐機(jī)的底盤結(jié)構(gòu)與普通的履帶式底盤結(jié)構(gòu)相似，只是該底盤支座的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是直接焊在一起的，而且中央底座與履帶架也是一體的，合為一個(gè)底座支架[2-3]。

要求設(shè)計(jì)的自走式履帶底盤的可靠性、穩(wěn)定性較高，并且結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單實(shí)用。該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：①機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧；②機(jī)構(gòu)用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使底盤的行走可控性強(qiáng)，而且具有足夠的行走動(dòng)力；③可以原地轉(zhuǎn)向，機(jī)動(dòng)靈活[4]。

底盤支座是整個(gè)灌木采伐機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，底盤不僅要承受整個(gè)機(jī)器的質(zhì)量，而且還要承受機(jī)器在行走及作業(yè)過(guò)程中各外力的作用，并將這些力傳給底盤支座。該機(jī)架主要由矩形管和鋼板焊接而成，上面的焊接板用來(lái)安裝直流電機(jī)，尾部焊接板用來(lái)安裝直流發(fā)電機(jī)，前面的絲杠升降架用于安裝灌木采伐機(jī)。

灌木采伐機(jī)的重力首先作用在底盤支架上，再通過(guò)支撐輪、履帶等將所受的力分散傳至地面上。閉合式履帶繞過(guò)驅(qū)動(dòng)輪和支撐輪，驅(qū)動(dòng)輪與支撐輪所組成的側(cè)視圖為三角形，這樣可使履帶輪更加穩(wěn)定，同時(shí)也減少了上半部履帶的分支撓度。底盤動(dòng)力由直流電機(jī)通過(guò)減速機(jī)傳給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)與履帶嚙合驅(qū)動(dòng)履帶帶動(dòng)整個(gè)底盤運(yùn)動(dòng)。履帶支座上的張緊機(jī)構(gòu)在安裝履帶時(shí)要處于松弛狀態(tài)，當(dāng)履帶安裝上以后再將其張緊。履帶長(zhǎng)期使用后會(huì)伸長(zhǎng)變得松弛，使驅(qū)動(dòng)力下降，此時(shí)可根據(jù)底盤的實(shí)際情況調(diào)整張緊裝置上的螺桿，以保證履帶有適宜的松緊度。底盤轉(zhuǎn)向通過(guò)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，底盤向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只有單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以很方便地完成轉(zhuǎn)向或原地轉(zhuǎn)彎。自走式灌木采伐機(jī)底盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 自走式灌木采伐機(jī)底盤結(jié)構(gòu)示意圖1.直流電機(jī)；2.履帶；3.支撐輪；4驅(qū)動(dòng)輪；5.支撐輪架；6.張緊裝置；7.升降架

2 自走式灌木采伐機(jī)底盤關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1支撐輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐輪主要承受灌木采伐機(jī)、汽油發(fā)電機(jī)的重力以及作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的外力，通過(guò)兩端的軸承及軸套固定在機(jī)架上。底盤在行走時(shí)要承受由于路面崎嶇不平而產(chǎn)生的沖擊力，且經(jīng)常在比較泥濘或塵土較多的環(huán)境中作業(yè)，因此支撐輪的密封性必須可靠，耐磨性能好，承載能力強(qiáng)。目前支撐輪的密封主要采用油封的形式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，密封性能好，并且一次加油后可工作很長(zhǎng)時(shí)間，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單方便，成本低。

支撐輪的形式主要有兩種，一種是沒(méi)有外凸緣，另一種是帶有外凸緣。沒(méi)有外凸緣支撐輪的中間單緣與有外凸緣支撐輪的兩側(cè)凸緣均能使履帶沿著正確的方向運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中底盤支撐輪的工作面直徑較小，故選用的是帶有外凸緣的支撐輪，支撐輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 支撐輪結(jié)構(gòu)1.軸端蓋；2.支撐輪；3.主軸；4.支撐輪支架；5.軸承

2.2 驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪與履帶相互嚙合，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶一起轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶在各種工作環(huán)境中都能正常作業(yè)。驅(qū)動(dòng)輪安裝在支撐輪的正上方，與支撐輪形成一個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)不僅能保證底盤在工作時(shí)的穩(wěn)定性，還能減小底盤的功率損失。驅(qū)動(dòng)輪常用的制造形式有多種，當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是整體鑄造式驅(qū)動(dòng)輪。因?yàn)榉煮w鑄造和鍛造的工藝都比較復(fù)雜，而且制造成本高，所以現(xiàn)在很少使用分體鑄造和鍛造形式的驅(qū)動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)

2.3 張緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張緊裝置的結(jié)構(gòu)形式較多，其作用是防止履帶因使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而松弛，而且在履帶松弛后也能保證其正常工作，同時(shí)還能避免履帶出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)底盤造成功率損失。張緊裝置安裝在履帶支撐橫梁上，處于履帶正中間位置，張緊時(shí)可以使履帶受力均勻。張緊裝置主要由張緊螺桿、鎖緊螺母、支撐輪支架、導(dǎo)向桿等部件組成。張緊裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 張緊裝置結(jié)構(gòu)1.張緊螺桿；2.鎖緊螺母；3.支撐輪支架；4.導(dǎo)向桿

2.4 底盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)主要由直流電機(jī)、汽油發(fā)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器等組成，傳動(dòng)方式為外殼傳動(dòng)，汽油發(fā)電機(jī)安裝在底盤的尾部，這樣安裝還可以將其當(dāng)作底盤配重，而直流電機(jī)與蝸輪蝸桿直接連接在一起，然后安裝在自走式灌木采伐機(jī)底盤支架上并直接與驅(qū)動(dòng)輪相連，用于實(shí)現(xiàn)底盤的行走功能，其工作性能可靠，效率高。因?yàn)樽宰呤焦嗄静煞C(jī)的工況復(fù)雜多變，因此驅(qū)動(dòng)馬達(dá)也應(yīng)能適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，如坡路、淤泥、洼地等。為了使自走式灌木采伐機(jī)適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)應(yīng)具有低速行走時(shí)還能保持平穩(wěn)的性能，為此設(shè)計(jì)時(shí)選擇了菱形自調(diào)心軸承，該軸承承受徑向負(fù)荷能力大，比較適用于這種有重負(fù)荷及沖擊負(fù)荷的情況，而且其抗振性能好，這樣可以承受底盤在作業(yè)和轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的軸向力和徑向力。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的關(guān)鍵指標(biāo)是驅(qū)動(dòng)馬達(dá)傳遞給底盤驅(qū)動(dòng)力的大小，其要滿足35°爬坡能力的要求[5-7]。

3 主要參數(shù)的設(shè)計(jì)分析

3.1接地長(zhǎng)度和軌距

自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤對(duì)地的接近角與遠(yuǎn)去角都不是很大。接地長(zhǎng)度L與軌距B等主要參數(shù)對(duì)自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤的性能均有影響，L與B兩個(gè)參數(shù)的合理選取能使自走式灌木采伐機(jī)底盤的性能得到很大的增強(qiáng)(包括底盤的驅(qū)動(dòng)性能與轉(zhuǎn)彎性能)。

接地長(zhǎng)度L、軌距B與整車總質(zhì)量之間的關(guān)系為：

L=0.12m+1 320

(1)

B=0.112+940

(2)

式中：L為接地長(zhǎng)度(10-3m)；B為軌距(10-3m)；m為整車質(zhì)量，m=600 kg。

求解上式得：接地長(zhǎng)度L=1 390 mm；軌距B=1 000 mm。

由于灌木采伐機(jī)的重心不穩(wěn)及工作的環(huán)境路面復(fù)雜多變，因此其底盤的接地比壓不是常數(shù)，但可以求出最大接地比壓Pmax，計(jì)算公式為：

(3)

由式(3)可知，L/B越大Pmax值就會(huì)越小，P值越小，自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤的通過(guò)性能就越好。

自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤轉(zhuǎn)向時(shí)受到很多外力的作用，其中底盤受到的轉(zhuǎn)向阻力Tz的計(jì)算公式為：

(4)

式中：μ為履帶與地面之間的摩擦系數(shù)。

從式(4)可以得出，L/B越小越好，L/B的值大則Tz就大，而Tz大會(huì)降低自走式履帶采伐機(jī)底盤的轉(zhuǎn)向能力，因此需要選擇合適的L/B的比值。

L/B的比值初步確定后，可以運(yùn)用理論分析計(jì)算的方法來(lái)確定最終值，其計(jì)算公式為：

(5)

當(dāng)S>2.3時(shí)，底盤不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向；當(dāng)2.1

(6)

3.2 最小離地間隙

最小離地間隙h代表了自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤的通過(guò)性能，是自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。該參數(shù)將直接影響自走式履帶灌木采伐機(jī)的重心高度及車身的穩(wěn)定性，該底盤的最小離地間隙與整車質(zhì)量的關(guān)系可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，具體公式為：

h=0.016 2m+254

(7)

式中：h為最小離地間隙(10-3m)；m為為整機(jī)質(zhì)量(kg)。

將數(shù)值帶入式(7)可得最小離地間隙h=264 mm。

4 小結(jié)

介紹了自走式履帶灌木采伐機(jī)底盤驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪及張緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)底盤的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式對(duì)接地長(zhǎng)度、輪距及最小離地間隙等參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，確定了采伐機(jī)底盤的部分基本參數(shù)[8-9]。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

DesignofSelf-propelledCrawlerBrushcutterChasses

YANGChun-mei，CHUJin-xing，JIGuang-lei，MAYan*，RENChang-qing

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040，China)

2017-04-11

國(guó)家林業(yè)行業(yè)公益專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201504508)

楊春梅(1977-)，女，東北林業(yè)大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)，E-mail：ycmnefu@126.com。

*通訊作者：馬 巖(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：mayan@vip.163.com。

S776.3

A

2095-2953(2017)10-0016-03