戰(zhàn) 麗，于會(huì)鑫，劉九慶，馬 巖，鄧兆軍，郭 璨

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

0 引言

灌木林作為一種重要的森林資源，在防風(fēng)固沙等生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面有著難以替代的作用。我國(guó)現(xiàn)有灌木林約為5 365萬(wàn)km2，其中49.73%的灌木林被應(yīng)用于荒漠化的治理。目前，我國(guó)農(nóng)林類(lèi)機(jī)械的發(fā)展還處于較為原始的階段，灌木收割設(shè)備的種類(lèi)較少，還沒(méi)有形成具有一定標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的小型割灌機(jī)械主要以背負(fù)式、側(cè)掛式及便攜式手動(dòng)割灌機(jī)為主，具有適用范圍廣泛、靈活方便及成本較低等特點(diǎn)，受到了廣大用戶的青睞。但是，這類(lèi)產(chǎn)品還具有自動(dòng)化程度低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率較低、危險(xiǎn)性較高等缺點(diǎn)；德國(guó)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的灌木收割聯(lián)合設(shè)備，自動(dòng)化程度高，在大幅度提高生產(chǎn)率的同時(shí)也大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；但受制于其結(jié)構(gòu)的影響，主要適用于地面較為平整的人工灌木林等工作環(huán)境，對(duì)于灌木林地及沙地等復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性較差，且外形尺寸較大，限制了其工作的靈活性[1-3]。筆者根據(jù)伐區(qū)間伐作業(yè)的情況，設(shè)計(jì)一臺(tái)總質(zhì)量400kg，具有良好的爬坡越障能力及較高靈活性的小型自走式割灌機(jī)，并對(duì)其通過(guò)性能、切削性能及轉(zhuǎn)向性能等進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。

1 小型自走式割灌機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

小型自走式割灌機(jī)由行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、割灌動(dòng)力總成、安裝板、切削主軸系及撥料裝置等組成，如圖1所示。行走機(jī)構(gòu)以汽油機(jī)為動(dòng)力，割灌動(dòng)力總成、切削主軸系、撥料裝置等通過(guò)螺栓連接安裝在安裝板上，安裝板通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與行走機(jī)構(gòu)連接；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可根據(jù)割灌作業(yè)的要求，調(diào)整小型自走式割灌機(jī)的切割高度，在遇到路面障礙以及割灌作業(yè)完成后，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將工作頭部分抬起，保護(hù)刀具和作業(yè)人員[4-6]。

1.行走機(jī)構(gòu) 2.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3.割灌動(dòng)力總成 4.安裝板 5.切削主軸系 6.撥料裝置

2 小型自走式割灌機(jī)行走機(jī)構(gòu)分析

割灌作業(yè)需要在環(huán)境復(fù)雜的山地、沙地、丘陵進(jìn)行，因此小型自走式割灌機(jī)需具備一定的爬坡能力。目前還沒(méi)有關(guān)于自走式割灌機(jī)爬坡角度設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算方法，因此參考工程履帶車(chē)輛的爬坡角度算法，取爬坡角α=30°。小型自走式割灌機(jī)在爬坡時(shí)的受力分析如圖2所示。

小型自走式割灌機(jī)在爬坡作業(yè)時(shí)，主要受到重力G、牽引力Fq、地面作用于履帶的摩擦力f及垂直于地面向上的支撐力N[7]。

圖2 小型自走式割灌機(jī)上坡受力簡(jiǎn)圖Fig.2 Small self-propelled brush cutter uphill stress diagram

根據(jù)前文可知：G=mg=4000N(取g=10N/kg)，同時(shí)G可分解為垂直地面向下的分力G′、和沿坡面斜向下的分力G″。

垂直地面向下的分力為

G′=G·sinα

沿坡面斜向下的分力為

G″=G·cosα

小型自走式割灌機(jī)上坡時(shí)，地面作用于履帶的摩擦力為

f=μG″=μG·cosα

其中，μ為地面與履帶間的摩擦因數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境取μ=0.12。

小型自走式割灌機(jī)上坡作業(yè)時(shí)所受的總行駛阻力Ff為

Ff=G′+f=G·sinα+μG·cosα

因此，根據(jù)牽引力的平衡關(guān)系可得

Fqmin=G·sinα+μG·cosα

通過(guò)計(jì)算可得，小型自走式割灌機(jī)的最小牽引力Fqmin=1936N。

小型自走式割灌機(jī)行走機(jī)構(gòu)所需的額定功率P為

其中，P為小型自走式割灌機(jī)行走機(jī)構(gòu)的額定功率(W)；v為小型自走式割灌機(jī)的行駛速度，取v=5km/h；η為小型自走式割灌機(jī)的傳動(dòng)效率，η=0.65。

計(jì)算得P=4.14kW?？紤]到空氣阻力、地面障礙等影響因素，選用6.5HP(4.85kW)的汽油機(jī)作為小型自走式割灌機(jī)行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。

3 小型自走式割灌機(jī)切削系統(tǒng)的研究分析

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)圓鋸片的鋸切線速度為25～35m/s時(shí)，在進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)鋸片具有較小的切削阻力，同時(shí)可保證不會(huì)對(duì)灌木茬造成太大的損壞[8]，則對(duì)圓鋸片的轉(zhuǎn)速要求為

其中，n為圓鋸片的轉(zhuǎn)速(r/min)；vc為圓鋸片刃口的線速度(m/s)；d為圓鋸片的直徑。

計(jì)算得鋸片轉(zhuǎn)速為1 179～1 651r/min，選用轉(zhuǎn)速為2 600r/min的汽油機(jī)為小型自走式割灌機(jī)工作頭部分的動(dòng)力來(lái)源，汽油機(jī)的帶輪基準(zhǔn)直徑d1=85mm，主軸總成的帶輪基準(zhǔn)直徑d2=160mm，傳動(dòng)比為17：32，則圓鋸片的轉(zhuǎn)速n=1 380r/min，則圓鋸片刃口的線速度為

計(jì)算得圓鋸片的切割線速度為29.25m/s。

每個(gè)圓鋸片進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)所消耗的功率Pc為

其中，F(xiàn)c為圓鋸片的切削力(N)。

刀具在對(duì)木材進(jìn)行切削時(shí)，需要受到諸多因素的影響，如切削寬度、切削速度、進(jìn)給速度及切削角等。圓鋸片的切削力與影響因素之間具有一定的函數(shù)關(guān)系[9]，若要建立切削力與影響因素之間的完整函數(shù)關(guān)系是十分困難的，因此通常采用在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式作為計(jì)算依據(jù)。圓鋸片的切削力Fc的計(jì)算公式為

單位切削力Ft為

其中，Cp為圓鋸片的變鈍系數(shù)(N)；a為切屑厚度，a=Uz·sinθa；δ為切削角，取δ=60°；ft、At、Bt、Ct為修正系數(shù)(N/mm2)。

取ft=(0.4+0.0036θav)×9.81，At=0.036×9.81，Bt=0.016×9.81，Ct=1.19×9.81。

變鈍系數(shù)Cp為

其中，Δγz為刃口半徑增量，Δγz=γΔ·L；γc為刃口初始半徑，取γc=10μm；γΔ為進(jìn)行1米切削加工后刃口半徑的單位增量，取γΔ=0.001μm/m；L為切削長(zhǎng)度。

根據(jù)不同的切削加工條件，L的計(jì)算方法不同。小型自走式割灌機(jī)在進(jìn)行切削加工時(shí)L為

其中，T為單位工作日時(shí)間，設(shè)每個(gè)工作日的工作時(shí)間為2h，則T=2h=120min；C1為工作日利用系數(shù)，取C1=0.9；C2為時(shí)間利用系數(shù)，取C2=0.9。

運(yùn)動(dòng)遇角θa為

圓鋸片切削時(shí)的每齒進(jìn)給量Uz為

其中，U為進(jìn)給速度，取U=5m/min。

整理公式得，圓鋸片的切削力Fc=151.37N，計(jì)算得每個(gè)圓鋸片進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)所消耗的功率Pc=4.43kW。

計(jì)算得小型自走式割灌機(jī)工作頭部分的額定功率為P=2×Pc=8.86kW。

根據(jù)以上計(jì)算可知：小型自走式割灌機(jī)在進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)，每個(gè)圓鋸片輸出的切削力為151.37N，每個(gè)主軸傳遞的功率為為4.43kW。因此，小型自走式割灌機(jī)選用16HP(11.93kW)的汽油機(jī)作為工作頭部分的動(dòng)力來(lái)源。經(jīng)計(jì)算，皮帶傳動(dòng)傳遞的功率均符合設(shè)計(jì)要求。

4 小型自走式割灌機(jī)轉(zhuǎn)向性能分析

由于小型自走式割灌機(jī)所處工作環(huán)境復(fù)雜，易于出現(xiàn)突發(fā)狀況，行走機(jī)構(gòu)除了需要具有充沛的牽引力、爬坡能力，還需要具有靈活的轉(zhuǎn)向能力。履帶式行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向原理是調(diào)整兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)力，使兩側(cè)履帶具有行走速度差，進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

4.1 小型自走式割灌機(jī)轉(zhuǎn)彎能力分析

小型自走式割灌機(jī)行走機(jī)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)可簡(jiǎn)化為其繞固定軸線O的轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶相對(duì)地面滾動(dòng)，產(chǎn)生滾動(dòng)阻力。行走機(jī)構(gòu)在進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部阻力增大，履帶與地面有相對(duì)摩擦，同時(shí)履帶轉(zhuǎn)向時(shí)剪切土壤，并推動(dòng)履帶兩側(cè)的土壤。履帶支承部分受力分布情況如圖4所示。

圖3 履帶支承部分受力分布Fig.3 Crawler support part of the force distribution

假設(shè)履帶在支承部分的載荷分布均勻，可得履帶支承部分單位長(zhǎng)度的載荷q為為

其中，G為重力；L為履帶接地長(zhǎng)度，L=650mm。

履帶回轉(zhuǎn)時(shí)，支承部分單位長(zhǎng)度所受的來(lái)自于土壤的橫向反力Ff與該點(diǎn)所受的載荷q成正比，則

其中，u為履帶與土壤間的阻力系數(shù)，取u=0.7。

履帶支承部分單位長(zhǎng)度所受的轉(zhuǎn)向阻力矩為

dMu=Ff·xdx

其中，dMu為單位長(zhǎng)度的履帶所受轉(zhuǎn)向阻力矩。

對(duì)dMu進(jìn)行積分，得到履帶支承部分的轉(zhuǎn)向阻力矩Mu為

轉(zhuǎn)向時(shí)，兩側(cè)履帶有不同的切線牽引力Fk1、Fk2，克服履帶的滾動(dòng)阻力Ff1、Ff2；同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩Mz，克服地面對(duì)履帶產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩Mu。行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí)的受力如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)向受力模型Fig.4 Steering force model

假設(shè)行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí)切線總牽引力與直線行駛時(shí)的切線總牽引力相同，等于兩側(cè)履帶的切線牽引力Fk1、Fk2之和，即

Fk=Fk1+Fk2

行走機(jī)構(gòu)直線行駛時(shí)的牽引力主要克服履帶與地面之間的滾動(dòng)摩擦以及進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的切削力，則

Fk=μG+2Fc=782.74N

轉(zhuǎn)向力矩Mz由轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)履帶的切線牽引力大與內(nèi)側(cè)履 帶切線牽引力所產(chǎn)生，用于克服轉(zhuǎn)向阻力矩Mu，可得

整理公式可得

Fk1=Fk(0.5+k)

Fk2=Fk(0.5-k)

由以上兩式可得出如下結(jié)論：

1)當(dāng)k=0時(shí)，F(xiàn)k1=Fk2，此時(shí)履帶沿直線行駛；

2)當(dāng)0Fk2>0，兩側(cè)履帶具有相等的切線牽引力；

3)當(dāng)k=0.5時(shí)，F(xiàn)k1=Fk，F(xiàn)k2=0，慢側(cè)履帶的切線牽引力為0，快側(cè)履帶的切線牽引力為整機(jī)的切線牽引力；

4)當(dāng)k>0.5時(shí)，F(xiàn)k1>Fk，F(xiàn)k2<0，慢側(cè)履帶的切線牽引力為0，F(xiàn)k1、Fk2的方向相反，F(xiàn)k2成為阻力；快側(cè)履帶的切線牽引力要大于整機(jī)切線牽引力，用于克服Fk2產(chǎn)生的阻力。

通過(guò)分析可得，履帶行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向參數(shù)k=1，大于0.5，此時(shí)Fk1>Fk，F(xiàn)k2<0，內(nèi)側(cè)履帶的速度為0，即內(nèi)側(cè)履帶進(jìn)行制動(dòng)，外側(cè)履帶進(jìn)行轉(zhuǎn)向[10-12]。

4.2 小型自走式割灌機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑分析

由于小型自走式割灌機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎半徑直接影響轉(zhuǎn)彎的靈活性。行走機(jī)構(gòu)在水平路面轉(zhuǎn)向時(shí)，可以簡(jiǎn)化為其在水平面上繞軸線O的轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)示意圖如圖6所示。

圖5 小型自走式割灌機(jī)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Small self-propelled brush cutter steering motion diagram

行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí)的角速度ω為

其中，ω為行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向角速度；R為行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑；V為行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向的平均速度，V=(V1+V2)/2。

由圖5可知：行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩側(cè)履帶具有相同的角速度，則

其中，V1為履帶1的行駛速度；V2為履帶2的行駛速度。

整理公式得

小型自走式割灌機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)采用的是制動(dòng)器對(duì)轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)履帶減速的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向[13]。由上文可知：轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)側(cè)履帶的速度為0。根據(jù)上式，行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，其轉(zhuǎn)彎半徑與外側(cè)履帶的速度無(wú)關(guān)，計(jì)算得其轉(zhuǎn)彎半徑R=290mm。

通過(guò)分析與計(jì)算，得出小型自走式割灌機(jī)的理論阻力矩為455N·m，理論轉(zhuǎn)彎半徑為290mm，轉(zhuǎn)向參數(shù)k>0.5，與設(shè)計(jì)的要求基本吻合。因此，小型自走式割灌機(jī)具有較小的轉(zhuǎn)彎半徑及一定的靈活性，可以在環(huán)境復(fù)雜的林間更好地完成割灌作業(yè)。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

通過(guò)分析與計(jì)算，得出小型自走式割灌機(jī)的主要性能參數(shù)。為驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)方案進(jìn)行三維建模、繪制圖紙及委托工廠進(jìn)行樣機(jī)制造(見(jiàn)圖6)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。小型自走式割灌機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖6 小型自走式割灌機(jī)樣機(jī)Fig.6 Small self-propelled brush cutter prototype

表1 小型自走式割灌機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Small self-propelled brush cutter main performance parameters

續(xù)表1

小型自走式割灌機(jī)的試驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)林區(qū)進(jìn)行，收割對(duì)象為林區(qū)的矮樹(shù)叢。在進(jìn)行試驗(yàn)前，首先對(duì)小型自走式割灌機(jī)進(jìn)行檢查，加注燃油；再將設(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱后，對(duì)矮樹(shù)叢進(jìn)行收割試驗(yàn)。平茬對(duì)象及平茬效果如圖7、圖8所示。

圖7 平茬對(duì)象Fig.7 Cutting objects

圖8 平茬效果Fig.8 Cutting effect

樣機(jī)的試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備沒(méi)有出現(xiàn)熄火、異響、震顫等異常情況，且操作簡(jiǎn)便、易用。通過(guò)對(duì)平茬后的矮樹(shù)叢留茬進(jìn)行觀測(cè)，茬口的平均高度60mm，劈裂率低于5%。小型自走式割灌機(jī)收割后的矮樹(shù)叢茬口平整，高度均勻，平茬效果良好，加工效率較高，少數(shù)的劈裂對(duì)次年的萌發(fā)并無(wú)明顯影響，可為灌木的間伐撫育及灌木枝條的資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

筆者所設(shè)計(jì)的小型自走式割灌機(jī)結(jié)構(gòu)合理緊湊，具有較小的整體尺寸，可在工作環(huán)境惡劣的灌木林地工作，4.85kW的底盤(pán)可保證在工作過(guò)程中的動(dòng)力充沛；11.93kW的汽油機(jī)滿足割灌機(jī)的割灌作業(yè)要求，可以輸出足夠大的切削力；行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能良好，可保證在進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)具有靈活的轉(zhuǎn)向性能。相比于我國(guó)現(xiàn)有的便攜式手動(dòng)割灌機(jī)及國(guó)外的大型灌木收割聯(lián)合設(shè)備，小型自走式割灌機(jī)綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，自動(dòng)化程度較高，體型較小，使用方便靈活，同時(shí)具備一定的爬坡越障能力，可適應(yīng)各種復(fù)雜的地形以及工作環(huán)境。該小型自走式割灌機(jī)的設(shè)計(jì)適應(yīng)了我國(guó)林區(qū)不斷發(fā)展的需求，可為推動(dòng)我國(guó)割灌機(jī)械的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。